基于激光對射陣列的谷物流量監測裝置研究

韓帥軍,陳 進,鮑丙豪

(江蘇大學 機械工程學院,江蘇 鎮江 212013)

0 引言

獲取作業區域內準確的谷物產量信息,分析產量空間差異性是“精準農業”的起點,也是指導來年農業精準變量作業的科學依據。谷物流量監測傳感器是整個測產系統的核心,是獲取產量信息的基礎[1]。

國外谷物流量傳感器相關研究起步于20世紀90年代,谷物流量監測系統已成為聯合收獲機的基礎配件。國外學者提出了多種谷物流量計量方法,并在此基礎上研發了谷物流量傳感器,主要有美國John Deere和Case IH的沖量式谷物流量傳感器、英國RDS Ceremony的光電容積式流量傳感器、Massey Ferguson的基于射線衰減原理流量傳感器,用于大型聯合收獲機谷物流量實時監測[2-4]。國內谷物流量監測研究起步較晚,但經過各大高校和科研單位的不懈努力,已取得了一定的科研成果。張小超[5]等設計了一種基于稱重法的谷物流量傳感器用于螺旋輸料裝置的谷物流量檢測,但傳感器結構復雜。陳進[6]等提出基于Mallat算法的谷物流量信號小波去噪方法對沖量式谷物流量傳感器輸出信號進行處理,可有效減少信號噪聲干擾。崔迪[7]等提出采用光電對射開關測量谷物流量的方法,小麥喂入量在0.1～0.2kg/s之間時,測量誤差小于3.00%。付新蘭[8]等基于光電漫反射原理設計了一種谷物流量傳感器用于谷物流量實時監測,谷物喂入量在0.1～6kg之間時,測量誤差小于3.51%。上述光電式谷物流量傳感器均采用一維光電傳感器設計,無法實現不規則分布谷物流量測量,有學者將二維光電傳感器陣列用于棉花質量流量測量[9],但到目前為止未見用于谷物流量測量的公開文獻。

本文針對聯合收獲機刮板輸糧裝置內谷物分布不均、流量難以準確測量的問題,設計了基于激光對射陣列原理的谷物流量監測裝置,并開展室內臺架試驗,對谷物流量監測裝置性能進行測試,為刮板式輸糧的聯合收獲機谷物流量在線監測提供了技術基礎。

1 谷物流量監測裝置工作原理

1.1 基本結構

谷物流量監測裝置的基本組成為激光對射陣列、信號處理電路及升運器轉速傳感器。激光對射陣列由6組對射式激光傳感器構成,安裝在升運器殼體側壁,用來獲取谷物分布信息;升運器轉速傳感器采用霍爾傳感器,安裝在升運器傳動軸外側,用來獲取升運器轉速信息。圖1為傳感器安裝示意圖。

1.升運器轉速傳感器 2.升運器傳動軸 3.激光對射陣列

1.2 工作原理

升運器輸送谷物經過激光對射陣列時,激光發射器發出的紅外光束被谷物遮擋,激光接收器輸出信號發生變化。通過定時采集激光接收器輸出信號變化,獲取刮板上谷物X、Y方向的分布信息,計算對應谷物分層單元截面面積,結合升運器轉速及控制器采樣時間間隔計算谷物分層單元體積,并以分層積分法對所獲取的谷物分層單元體積進行處理,計算單個刮板上谷物總體積、單個刮板谷物體積與人工測定的谷物容重,可得出單個刮板上谷物質量。圖2為工作原理圖。

2 谷物流量監測裝置總體設計

2.1 硬件設計

硬件系統由傳感器模塊、信號處理模塊、控制器、顯示及參數設置模塊組成,如圖3所示。

圖2 工作原理圖

圖3 硬件組成框圖

傳感器模塊包括激光對射陣列和升運器轉速傳感器,其輸出信號均為數字式開關量,優點在于輸出信號是數字信號,可直接由單片機處理,不需要中間的放大、模數轉換等處理,且測量精度高、響應時間短、抗干擾能力強。

信號處理模塊用于對采集到的傳感器輸出信號進行濾波整形及分析處理。控制器選用STM32單片機,可實現多路傳感器信號的采集、分析及快速處理。

顯示及參數設置模塊功能是數據顯示和參數設置,包括谷物容重參數輸入,谷物流量、谷物容重及升運器轉速顯示。

2.2 軟件設計

基于激光對射陣列原理的谷物流量監測裝置軟件系統基于MDK5平臺開發,采用C語言進行程序編寫,實現谷物流量、升運器轉速的采集、顯示、存儲和查看等功能,主要由參數配置模塊、數據處理模塊、顯示模塊和存儲模塊組成。

軟件系統功能如下:①參數設置功能。輸入谷物容重、谷物含水率等信息;②數據處理功能。數據處理模塊包括對激光對射陣列和升運器轉速傳感器輸出信號的采集與處理,以及谷物流量計量軟件系統的數據處理與計算。③數據顯示功能。谷物流量、升運器轉速、基本設置信息的實時顯示與刷新。④數據存儲功能。谷物流量監測數據、升運器轉速數據的保存與查看。谷物流量數據處理流程圖如圖4所示。

3 谷物流量計量方法設計

3.1 谷物堆積試驗

3.1.1 水稻顆粒建模

由于水稻顆粒外形輪廓復雜、彼此形狀差異性大,因此將水稻顆粒擬為橢球體進行水稻顆粒建模。為了匹配水稻顆粒的橢球體模型,選取30顆(丹陽鎮花園村,南梗5055號)水稻顆粒,利用游標卡尺測量水稻顆粒參數。其中,水稻顆粒長半軸變化范圍為6.1～7.0mm,短半軸范圍為3.0～3.5mm。經均值處理后,水稻顆粒橢球體模型選定長半軸值為6.6mm,短半軸值為3.2mm。本研究采用多圓球填充方式建立水稻顆粒橢球體模型,9球左右對稱,直徑從左到右依次為2、2.5、2.9、3.1、3.2、3.1、2.9、2.5、2mm,左邊4球球心到中心球球心距離依次為2.3、1.8、1.2、0.60mm。水稻顆粒9球模型二維圖如圖5所示,9球填充完成后的水稻顆粒三維模型如圖6所示。由此可以看出,采用9球填充后的水稻顆粒模型已與真實水稻顆粒外形輪廓很相似。

圖4 主程序流程圖

圖5 水稻顆粒多球模型二維圖

圖6 水稻顆粒三維模型圖

3.1.2 水稻堆積建模

采用動態顆粒生成法向EDEM導入的升運器模型添入模擬水稻顆粒,進行仿真實驗,觀察升運器在輸送水稻顆粒過程中水稻顆粒在刮板上的堆積形狀。水稻堆積模型如圖7所示。

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圖7 谷物堆積模型

由圖7可知:刮板上谷物分布不均,無法直接利用體積公式計算,擬將谷物以與刮板平行的平面分為m個單元,通過對谷物分層單元體積進行積分計算獲取刮板谷物總體積,進而計算谷物質量。

3.2 谷物分層單元截面面積計算

刮板輸送谷物經過激光對射陣列時,X、Y方向的紅外光束被刮板上的谷物遮擋,激光接收器輸出信號發生變化,通過定時采集激光接收器輸出信號變化,獲取刮板上谷物X、Y方向的分布信息,如圖8所示。其中,“0”表示激光發射器發出的紅外光束被谷物遮擋,激光接收器無法接收激光發射器發出的光源信號,輸出電壓為0V;“1”表示激光接收器接收到激光發射器發出的光源信號,輸出電壓為5V,即激光發射器發出的紅外光束未被谷物遮擋。那么,第i個采樣時刻谷物分層單元對應截面面積Si為

Si=ai×bi

(1)

式中ai—谷物分層單元截面X方向長度(mm);

bi—谷物分層單元截面Y方向長度(mm)。

ai、bi分別由該采樣時刻X、Y方向被遮擋紅外光束個數及相鄰激光發射器間距計算獲得。激光發射器尺寸標定如圖9所示。

圖8 谷物X、Y方向分布圖

圖9 傳感器間距尺寸圖

3.3 谷物質量計算

將刮板上谷物分成若干單元,設谷物在第i個分層單元上的體積為Vi,則

(2)

r—升運器驅動軸半徑(cm);

Si—谷物分層單元上截面面積(cm2);

Si+1—谷物分層單元下截面面積(cm2);

t—采樣時間間隔(s)。

單個刮板上谷物質量Qt為

(3)

式中V0—刮板體積(cm3);

m—谷物分層單元總數。

4 室內臺架試驗

試驗采用自主設計的谷物流量標定實驗臺模擬聯合收獲機正常作業情況,以轉速調節范圍為600～2000r/min的步進電機作為動力源,測試臺架條件下基于激光對射陣列原理的谷物流量監測裝置性能。實驗臺包括激光對射陣列、升運器轉速傳感器、籽粒升運器、調速步進電機和控制器,如圖10所示。

4.1 樣品容重、含水率測定

選擇丹陽鎮花園村南梗5055號水稻籽粒進行含水率、容重測定。具體操作為:使用標準秤稱量10kg水稻籽粒備用,從中隨機選取水稻籽粒加入谷物水分測定儀量筒中(保證水稻籽粒均勻填滿量筒),開啟谷物水分測定儀進行容重和含水率檢測;重復5次試驗后發現,試驗樣品含水率為14.7%,容重為0.709g/cm3。圖11為水稻含水率和容重測定結果界面。

圖11 水稻含水率、容重測定結果界面

4.2 谷物質量標定

為檢驗谷物流量監測裝置的準確性,選擇前文所述水稻籽粒(含水率為14.7%,容重為0.709g/cm3)進行谷物質量標定臺架試驗。調節流量標定試驗臺調速電機,使升運器以轉速600、750、900r/min運行,向升運器分別加入質量為2、4、6、8、10kg水稻籽粒,并記錄谷物流量監測裝置測量的谷物質量值,結果如表1所示。

表1 谷物流量監測裝置性能試驗結果數據表

表1數據表明:水稻含水率相同的情況下,谷物流量監測裝置室內臺架試驗測量結果相對測量誤差≤3.00%,所設計谷物流量監測裝置在室內臺架試驗條件下性能良好。

5 結論

1)基于激光對射陣列原理設計了谷物流量監測裝置,能夠實現刮板上不規則分布谷物流量的測量與顯示。

2)室內臺架試驗結果表明:在谷物含水率相同的情況下,谷物流量監測裝置臺架試驗測量結果相對測量誤差≤3.00%,可為田間谷物流量在線監測提供參考。

為了進一步提高基于對射激光陣列原理的谷物流量監測裝置精度,下一步將考慮田間工況、收獲機前進速度、谷物含水率及喂入量對谷物流量監測裝置測量精度的影響,仍需開展大量的動態試驗。