孫意凡 劉仁杰 歐 顥 張振乾 張 漫 李 寒

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

0 引言

聯(lián)合收獲機(jī)收獲過(guò)程的損失率和工作效率與其喂入量密切相關(guān)。因此，借助信息技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)喂入量，對(duì)指導(dǎo)駕駛員完成收獲作業(yè)、提高工作效率具有重要意義［1-2］。目前，根據(jù)檢測(cè)位置，收獲機(jī)喂入量的檢測(cè)方法可分為:基于傾斜輸送器的檢測(cè)方法［3-8］、基于脫粒滾筒的檢測(cè)方法［9-15］、基于割臺(tái)主動(dòng)軸的檢測(cè)方法［16-17］、基于螺旋輸送器的檢測(cè)方法［18-20］等，檢測(cè)參數(shù)主要集中在扭矩和功率。

谷物收獲環(huán)境復(fù)雜，喂入量檢測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)環(huán)境密切相關(guān)。若試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境不同，則試驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確反映檢測(cè)方法之間的差異。從檢測(cè)位置實(shí)時(shí)性的角度考慮，傾斜輸送器、割臺(tái)主動(dòng)軸、螺旋輸送器位于脫粒工序開始之前，在這些位置安裝傳感器，檢測(cè)時(shí)間較早，能夠?yàn)轳{駛員提供更多的操作時(shí)間;在傾斜輸送器、割臺(tái)主動(dòng)軸兩種檢測(cè)位置安裝傳感器，能夠在保證實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上具有更好的工作穩(wěn)定性;脫粒滾筒位于脫粒工序開始之后，在此位置安裝傳感器檢測(cè)結(jié)果具有時(shí)間滯后性。從檢測(cè)位置實(shí)用性的角度考慮，螺旋輸送器空間狹小，不利于傳感器安裝，且工作環(huán)境較為惡劣，難以維持工作穩(wěn)定性。從檢測(cè)參數(shù)方面考慮，扭矩理論上能夠更好地反映喂入量的變化，但檢測(cè)過(guò)程中易受傾斜輸送器角度、割幅寬度等不可控變量的影響;功率作為線性量，影響其檢測(cè)精度的不可控變量較少，更能有效反映喂入量變化。因此，本文選取基于割臺(tái)主動(dòng)軸功率和傾斜輸送器功率的喂入量檢測(cè)方法進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)2 種方法的檢測(cè)精度進(jìn)行比較。

1 材料與方法

1.1 喂入量檢測(cè)方法

1.1.1 基于割臺(tái)主動(dòng)軸功率的喂入量檢測(cè)方法

收獲機(jī)工作時(shí)，作物由割臺(tái)收割并喂入收獲機(jī)，割臺(tái)主動(dòng)軸為整個(gè)收獲機(jī)割臺(tái)提供動(dòng)力。因此，通過(guò)檢測(cè)收獲機(jī)主動(dòng)軸的功率，建立收獲機(jī)主動(dòng)軸功率與喂入量之間的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)喂入量的快速檢測(cè)。該檢測(cè)系統(tǒng)包括收獲機(jī)主動(dòng)軸扭矩傳感器、主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速傳感器和車載工控機(jī)。

傳感器檢測(cè)原理如圖1 所示，扭矩傳感器使用應(yīng)變片組成惠更斯電橋，4 個(gè)應(yīng)變片依次沿軸向45°和135°粘貼組成等臂全橋。當(dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片隨著主動(dòng)軸表面伸長(zhǎng)或縮短，電阻值產(chǎn)生變化，進(jìn)而引起輸出電壓變化;通過(guò)對(duì)輸出電壓信號(hào)的測(cè)量得到割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩T1。

轉(zhuǎn)速傳感器通過(guò)霍爾效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。在割臺(tái)主動(dòng)輪的側(cè)面粘貼磁鋼，當(dāng)磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾元件時(shí)會(huì)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)形成脈沖信號(hào)，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)和主動(dòng)輪表面的磁鋼數(shù)目計(jì)算割臺(tái)主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速n1。

采用ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)變電橋產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換由傳感器內(nèi)的ZigBee 模塊傳輸至收獲機(jī)駕駛室內(nèi)的工控機(jī)。

圖1 傳感器檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic of sensor detection

通過(guò)檢測(cè)收獲機(jī)主動(dòng)軸的扭矩T1和轉(zhuǎn)速n1，計(jì)算主動(dòng)軸功率

1.1.2 基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測(cè)方法

收獲機(jī)工作時(shí)，喂入收獲機(jī)的作物通過(guò)傾斜輸送器送至脫粒滾筒處開始脫粒。通過(guò)測(cè)量?jī)A斜輸送器運(yùn)送作物所消耗的功率，建立喂入量與該功率的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)喂入量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

新疆-3 型聯(lián)合收獲機(jī)傾斜輸送器動(dòng)力軸同時(shí)為傾斜輸送器和割臺(tái)主動(dòng)軸提供動(dòng)力，即傾斜輸送器動(dòng)力軸功率P 等于割臺(tái)主動(dòng)軸功率P1和傾斜輸送器功率P2之和。在傾斜輸送器動(dòng)力軸安裝扭矩傳感器檢測(cè)得到動(dòng)力軸扭矩T2;通過(guò)割臺(tái)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1和傳動(dòng)比k 計(jì)算出傾斜輸送器動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速n2;再計(jì)算出傾斜輸送器動(dòng)力軸功率P。傾斜輸送器功率P2=P-P1。

其中，扭矩檢測(cè)原理和數(shù)據(jù)傳輸方式與割臺(tái)主動(dòng)軸功率檢測(cè)系統(tǒng)相同。2 種不同測(cè)量方式的傳感器安裝位置如圖2 所示。主要傳感器安裝如圖3 所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2019 年6 月17 日在河北省中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)涿州試驗(yàn)站進(jìn)行。以河北冬小麥作為試驗(yàn)對(duì)象，新疆-3 型聯(lián)合收獲機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，將整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)安裝在收獲機(jī)上，扭矩傳感器采樣頻率為20 Hz。在東經(jīng)115°85'6″～115°85'24″，北緯39°46'17″～39°46'24″進(jìn)行麥?zhǔn)赵囼?yàn)。采集相同生長(zhǎng)情況下2 種測(cè)量方法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。收獲機(jī)割幅為2.36 m，試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)際割幅為2 m。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中割臺(tái)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速基本保持n1=450 r/min，割臺(tái)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速時(shí)域圖如圖4 所示。傾斜輸送器動(dòng)力軸與割臺(tái)主動(dòng)軸間傳動(dòng)比k=1.5。

圖2 傳感器安裝位置圖Fig.2 Position of sensor installation

圖3 主要傳感器安裝實(shí)物圖Fig.3 Physical installation diagram of main sensor

圖4 割臺(tái)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速時(shí)域圖Fig.4 Time-domain diagram of rotational speed of header driving shaft

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

1.3.1 實(shí)際喂入量計(jì)算

實(shí)際喂入量與所收獲的作物長(zhǎng)勢(shì)、含水率、收獲機(jī)作業(yè)時(shí)的割幅寬度、割臺(tái)高度以及速度有關(guān)。試驗(yàn)地塊長(zhǎng)勢(shì)較為均勻，收獲時(shí)含水率基本相同;通過(guò)計(jì)算單位面積作物質(zhì)量m 和單位時(shí)間內(nèi)收獲機(jī)收獲的作物面積S 得到實(shí)際喂入量q。單位時(shí)間內(nèi)收獲作物面積S 可通過(guò)收獲機(jī)的作業(yè)速度v 和收獲作物幅寬d 計(jì)算。試驗(yàn)過(guò)程中，收獲機(jī)割幅寬度d 和割臺(tái)高度h 保持不變，則收獲機(jī)作業(yè)速度v 和單位面積作物質(zhì)量m 成為影響喂入量的主要因素，可通過(guò)收獲機(jī)作業(yè)速度v 與單位面積作物質(zhì)量m 計(jì)算實(shí)際喂入量q，即

使用GNSS 記錄收獲機(jī)的工作路徑和工作速度。在收獲機(jī)工作路徑上根據(jù)收獲機(jī)作業(yè)的割茬高度h 取3 塊邊長(zhǎng)為2 m 的方形區(qū)域按照收獲機(jī)收獲時(shí)的割臺(tái)高度h 進(jìn)行人工取樣稱量，取平均值計(jì)算單位面積作物質(zhì)量。

1.3.2 傳感器信號(hào)處理

通過(guò)傅里葉變換得到傾斜輸送器動(dòng)力軸扭矩傳感器和割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩傳感器電壓信號(hào)的頻域信息，找出信號(hào)集中的頻段，采用巴特沃斯帶通濾波器，對(duì)扭矩傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波。

1.3.3 模型建立與驗(yàn)證

根據(jù)式(1)、(4)計(jì)算割臺(tái)主動(dòng)軸功率和傾斜輸送器功率建立喂入量計(jì)算模型。由圖4 可知，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，割臺(tái)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1基本不變，可視為常量，計(jì)算過(guò)程中只需要分別建立割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩T1電壓信號(hào)與實(shí)際喂入量(即作業(yè)面積與作物密度乘積)之間、傾斜輸送器扭矩(kT2-T1)電壓信號(hào)與實(shí)際喂入量之間的計(jì)算模型，對(duì)比檢測(cè)結(jié)果。

隨機(jī)選取50 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法建立一元線性回歸方程，得到割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩與實(shí)際喂入量、傾斜輸送器扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系式，隨機(jī)選取20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行模型驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)際喂入量計(jì)算時(shí)域圖

3 塊邊長(zhǎng)為2 m 的方形區(qū)域作物質(zhì)量采集結(jié)果如表1 所示，計(jì)算可知單位面積作物平均質(zhì)量m 為0.62 kg/m2。

表1 作物質(zhì)量采集結(jié)果Tab.1 Results of crop quality collection kg

收獲過(guò)程中收獲機(jī)實(shí)際割幅寬度d 為2 m。通過(guò)GNSS 對(duì)收獲機(jī)工作過(guò)程中作業(yè)速度v 進(jìn)行記錄，得到收獲機(jī)作業(yè)速度時(shí)域圖，如圖5 所示。

根據(jù)式(5)計(jì)算收獲過(guò)程中收獲機(jī)實(shí)際喂入量q，得到實(shí)際喂入量變化時(shí)域圖，如圖6 所示。

圖5 收獲機(jī)作業(yè)速度時(shí)域圖Fig.5 Time-domain diagram of speed of combine harvester

圖6 收獲機(jī)實(shí)際喂入量時(shí)域圖Fig.6 Time-domain diagram of actual feed rate of combine harvester

2.2 數(shù)據(jù)分析處理

經(jīng)過(guò)傅里葉變換和頻域分析，得到收獲機(jī)工作產(chǎn)生的電壓信號(hào)集中頻段，作為帶通濾波的截止頻率。采用巴特沃斯帶通濾波器，對(duì)傾斜輸送器動(dòng)力軸扭矩傳感器和割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩傳感器電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，通帶截止頻率分別為5.5 ～6.5 Hz 和7 ～8.5 Hz。濾波有效降低了噪聲，減少了奇異點(diǎn)。濾波前后傳感器信號(hào)時(shí)域圖分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩傳感器信號(hào)時(shí)域圖Fig.7 Time-domain diagram of torque sensor signal of header driving shaft

2.3 模型建立與驗(yàn)證

(1)割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系

隨機(jī)選取50 個(gè)割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法建立一元線性回歸方程，得到割臺(tái)主動(dòng)軸扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系式為

圖8 傾斜輸送器動(dòng)力軸扭矩傳感器信號(hào)時(shí)域圖Fig.8 Time-domain diagram of torque sensor signal of tilting conveyor power shaft

結(jié)果如圖9a 所示，再選取20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為驗(yàn)證，得到喂入量計(jì)算值與喂入量實(shí)際值1∶1關(guān)系，見(jiàn)圖9b。由圖可知，基于割臺(tái)主動(dòng)軸功率的喂入量檢測(cè)方法決定系數(shù)R2為0.832 5。

圖9 基于割臺(tái)主動(dòng)軸功率的喂入量計(jì)算模型與驗(yàn)證Fig.9 Calculation model and validation of feed rate based on driving shaft power of header

(2)傾斜輸送器扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系

隨機(jī)選取50 個(gè)傾斜輸送器扭矩?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法建立一元線性回歸方程，傾斜輸送器扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系式為

結(jié)果如圖10a 所示。再選取20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為驗(yàn)證，得到喂入量計(jì)算值與喂入量實(shí)際值1∶1關(guān)系，見(jiàn)圖10b。可知基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測(cè)方法決定系數(shù)R2為0.849 2。

2.4 檢測(cè)結(jié)果分析比較

圖10 基于傾斜輸送器功率的喂入量計(jì)算模型與驗(yàn)證Fig.10 Calculation model and validation of feed rate based on power of tilting conveyor

將兩種方法的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2 所示?；诟钆_(tái)主動(dòng)軸功率的喂入量檢測(cè)方法計(jì)算平均喂入量為1.19 kg/s，平均相對(duì)誤差為19.6%;基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測(cè)方法計(jì)算平均喂入量為1.17 kg/s，平均相對(duì)誤差為16.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測(cè)方法，其精度稍高于基于割臺(tái)主動(dòng)軸的喂入量檢測(cè)方法。

影響喂入量檢測(cè)精度的原因有2 方面:①由于收割機(jī)工作過(guò)程自身振動(dòng)、顛簸等原因產(chǎn)生干擾信號(hào)無(wú)法被完全濾除。②田間單位面積作物質(zhì)量無(wú)法保證絕對(duì)均勻，造成實(shí)際喂入量計(jì)算過(guò)程中存在誤差。

表2 檢測(cè)精度對(duì)比Tab.2 Comparison of detection accuracy

3 結(jié)論

(1)提出基于傾斜輸送器功率和基于割臺(tái)主動(dòng)軸功率的2 種喂入量檢測(cè)方法，并進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，2 種檢測(cè)方法都能在一定程度上反映喂入量的變化趨勢(shì)，滿足田間應(yīng)用的需求。其中，基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測(cè)方法在檢測(cè)精度上稍高于基于割臺(tái)主動(dòng)軸功率的喂入量檢測(cè)方法。

(2)由于田間作業(yè)環(huán)境較差，導(dǎo)致傳感器的工作穩(wěn)定性不足，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間工作。信號(hào)采集和處理過(guò)程中濾波不充分是造成檢測(cè)結(jié)果誤差較大的原因之一。今后還需研究提高傳感器工作穩(wěn)定性的方法，增強(qiáng)采集電路的濾波效果，改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。

(3)收獲機(jī)割臺(tái)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和中間傳動(dòng)比決定，試驗(yàn)過(guò)程中割臺(tái)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速變化不大，雖簡(jiǎn)化了喂入量模型的計(jì)算過(guò)程，但無(wú)法反映不同轉(zhuǎn)速下喂入量與功率的關(guān)系。