小型方捆機草捆動態稱量系統設計與試驗

張安琪 孟志軍 陳立平 武廣偉 叢 岳 安曉飛

(北京農業智能裝備技術研究中心， 北京 100097)

0 引言

我國是農業大國，每年產出大量農作物秸稈，秸稈隨意拋棄和焚燒現象帶來一系列環境問題[1-2]。為從源頭上解決秸稈焚燒問題，有效推進秸稈回收綜合利用，國家對部分地區進行了打捆作業補貼，草捆質量是核算打捆作業補貼的最有效指標。我國耕地具有分散化、碎片化等特征，小方捆機在我國打捆機市場中占主要份額。因此，研發基于小方捆機的草捆動態稱量系統對推進我國智慧農業發展和促進環境保護具有重要意義，對研究農作物秸稈的產量分布也具有實際意義[3-5]。

對于打捆機草捆稱量技術，國外在大方捆機領域已經形成了較為成熟的技術方案。目前，關于大方捆機草捆質量監測的主流技術方案主要通過在放捆板或支撐鏈處布置張力傳感器來實現，單草捆動態分離則主要通過在放捆板設置滾輪來實現[6-17]。近些年，對小方捆機的研究主要集中在機械結構優化方面[18]，較少涉及監測技術[19-24]。小方捆機機型小、放捆板結構簡單，難以實現單草捆動態獨立稱量。高國民等[22]基于自走式方捆打捆機設計了一種草捆動態稱量試驗臺，通過將稱量槽與滑軌設置成2級階梯結構實現草捆的動態分離，但是該試驗臺未考慮地面起伏及牽引式方捆機撿拾器升降帶來的稱量槽俯仰角變化的影響。

針對小方捆機作業過程中草捆連續、單捆動態分離稱量難、撿拾器升降頻繁、地面起伏大等問題，本文基于多傳感器融合技術設計一套方捆機草捆動態稱量系統，提出一種草捆動態分離、識別方法，構建基于稱量臺實時下壓力及俯仰角的草捆動態稱量模型，分別進行系統靜態試驗、模型標定試驗和田間動態稱量試驗，測試系統的穩定性和準確性，以實現小方捆機作業過程中草捆質量的在線準確測量。

1 草捆動態稱量系統設計

1.1 系統總體設計

通過分析國內外常見小型方捆機工作原理，結合作業過程中草捆的運動軌跡，設計了如圖1所示的小型方捆機草捆動態稱量系統，該稱量系統主要由支撐板、稱量臺、壓力傳感器、角度傳感器、限位開關組件、GPS模塊、數據采集處理單元、顯示終端等組成。草捆從壓捆室推出后，在自身重力作用下跌落至稱量臺，與后續草捆分離，通過實時采集稱量臺壓力和角度數據，基于力學模型實時獲取草捆的質量。

圖1 草捆動態稱量系統示意圖Fig.1 Schematic of bale dynamic weighing system1.支撐板 2.稱量臺 3.角度傳感器 4.壓力傳感器 5.定位銷 6.支撐鏈組件 7.限位開關組件 8.GPS模塊 9.顯示終端 10.壓捆室 11.數據采集處理單元

為能在打捆作業過程中對草捆動態分離、識別，實現單草捆動態獨立稱量，設計稱量臺與壓捆室出口為2級階梯結構。在支撐板靠近壓捆室出口處設計限位開關組件，限位開關的安裝高度低于壓捆室下表面高度，略高于稱量臺高度，通過開關信號的通斷精確判斷草捆是否完全獨立進入稱量臺，以此作為傳感器信號解析計算的標志點。

為能夠準確可靠獲取草捆及稱量臺下壓力，支撐板四周設計4個壓力傳感器，系統下壓力為4個壓力傳感器數據的和。稱量臺通過定位銷與壓力傳感器連接，其中定位銷直徑小于定位孔直徑，確保定位銷與定位孔之間只存在壓力關系，而不存在拉力關系。

在打捆機作業過程中，受地面起伏及撿拾器升降的影響，支撐板及稱量臺的俯仰角會實時發生變化，由此導致稱量臺的下壓力改變。基于此，在支撐板上表面設計安裝角度傳感器，實時采集稱量臺的俯仰角，實現對稱量臺下壓力的動態修正。

設計的GPS模塊主要用于獲取打捆機作業位置及作業速度等信息，該模塊為后續秸稈產量分布研究提供了支撐。

1.2 稱量原理及模型構建

初始狀態下稱量臺上無草捆，此時稱量臺下壓力為自身重力分量。如圖2a所示，在壓捆室后續草捆的逐步推送下，草捆開始進入稱量臺，此時稱量臺下壓力疊加草捆重力分量，稱量臺下壓力逐步增大，直至草捆完全落入稱量系統，并與限位開關接觸(圖2b)。由于限位開關對草捆有一定的反作用力，此時稱量臺下壓力并未達到最大，在后續草捆的推送下，草捆與限位開關分離并完全落入稱量臺(圖2c)，此時稱量臺下壓力達到最大并保持穩定。直至草捆跌落至地面(圖2d)，稱量臺下壓力回歸到初始狀態，并開始下一個測量循環。

圖2 草捆動態稱量工作原理圖Fig.2 Working principle of bale dynamic weighing1.限位開關 2.草捆 3.稱量臺 4.角度傳感器 5.壓力傳感器

圖3 草捆在稱量臺上受力分析圖Fig.3 Stress analysis diagram of straw bale in weighing table

如圖3所示，通過對稱量臺下壓力達到最大并保持穩定這一區間進行力學分析，可知這一區間稱量臺下壓力與壓力傳感器的反作用力始終處于受力平衡狀態，由此可建立數學模型

mgcosα+m′gcosα=F

(1)

式中m——單個草捆質量，kg

m′——稱量臺質量，kg

α——稱量臺俯仰角，(°)

F——壓力傳感器測量值，N

g——重力加速度，m/s2

由于m′為常數，由此可通過實時獲取α與F計算單個草捆的質量m。

1.3 系統硬件設計

草捆動態稱量系統硬件組成如圖4所示，主要由信息采集單元、數據采集處理單元、數據顯示存儲單元3部分組成，可實現多路傳感器信息的A/D轉換、濾波、解析計算及顯示存儲等功能。

圖4 草捆動態稱量系統硬件組成Fig.4 Hardware composition of bale dynamic weighing system

信息采集單元主要包括4路傳感器，其中壓力傳感器為蚌埠大洋傳感器系統有限公司生產的DYZ-101型壓力傳感器，供電電壓12 V，量程為300 N，測量誤差0.03%。角度傳感器為瑞芬LCA318T型單軸姿態傳感器，供電電壓12 V，測量角度范圍為±30°，動態模式下精度為0.1°。限位開關為歐姆龍WLCA12-2型限位開關，預行程15°，總行程90°。GPS模塊選用NV08C Mini PCI-E模塊，水平定位精度小于1.5 m，垂直定位精度小于2 m，數據更新頻率1 Hz，采用NMEA 0183數據傳輸協議。

數據采集處理單元采用STM32F40芯片，實現2路A/D信號、1路I/O采集，與上位機通過RS485通信，波特率為9 600 b/s，無奇偶校驗位。

草捆動態稱量系統顯示終端選用已經預裝Windows 7操作系統的VMC3000車載終端(NEXCOM公司，中國臺灣)，該終端具有GPS、RS232、RS485、CAN等多種數據通信接口，在田間和移動環境下運行穩定，能夠滿足復雜作業環境下草捆動態稱量系統的信息處理和運算需求。

1.4 系統軟件設計

草捆動態稱量系統軟件基于Microsoft Visual Studio 2010平臺開發，采用C++語言進行程序編寫，可實現打捆機作業時各路傳感器信息的接收、解析、計算、顯示、存儲等功能。圖5為草捆動態稱量系統軟件界面，能夠實時顯示稱量臺下壓力、稱量臺俯仰角、草捆質量、草捆狀態、經緯度和時間等信息。軟件還能實現數據采集頻率、模型標定系數設置等功能。

圖5 草捆動態稱量系統的軟件界面Fig.5 Software interface of bale dynamic weighing system

系統軟件流程圖如圖6所示，首先對系統進行初始化參數設置，獲取稱量臺初始質量并寫入程序，然后檢查數據通信是否正常，并檢查數據是否正確。隨后打捆機開始工作，系統開始接收各路傳感器信息，當限位開關與草捆接觸時，信號接通，輸出低電平，當限位開關與草捆分離時，信號中斷，輸出高電平。當系統監測到低電平到高電平變化時，開始同步獲取壓力、角度等數據，并計算實時草捆質量，設置采樣數為N，通過對N個草捆質量數據進行求平均，得到最終的草捆質量m。

圖6 草捆動態稱量系統軟件流程圖Fig.6 Software flowchart of bale dynamic weighing system

草捆經過稱量臺時采集到的壓力信號是由草捆的靜態載荷和動態載荷兩部分組成。靜態載荷即所測草捆的真實質量；動態載荷主要是地面顛簸和機械傳動引起的打捆機振動帶來的疊加壓力。為了獲取準確的壓力信號，需將原始信號中的動態載荷信號進行有效去除。打捆機振動引起的噪聲信號是往復震蕩的，本文利用移動平均濾波算法對采集的原始信號進行處理，降低動態載荷信號的峰值，減小動態載荷信號對原始信號的影響。考慮噪聲信號強度及信號滯后性，本文設置采樣頻率為20 Hz，每20個數據點求一次平均值。

對于角度傳感器信號，受打捆機振動帶來的影響，其原始信號同樣存在較強的噪聲，本文同樣采取移動平均濾波算法對角度傳感器原始信號進行處理，每20個數據求一次平均值，采樣頻率為20 Hz。

2 性能驗證試驗

系統驗證試驗分為系統靜態試驗、模型標定試驗、田間動態稱量試驗3個階段。通過系統靜態試驗對稱量系統的穩定性及可行性進行測試。通過模型標定試驗對系統模型進行標定，以消除系統誤差影響。通過田間動態稱量試驗對草捆稱量系統的測量精度及可靠性進行考核。試驗于2020年6月在北京市昌平區小湯山國家精準農業研究示范基地進行，小麥種植品種為京冬22，系統安裝在天津軒禾農業機械制造有限公司生產的9YFQ-2.2型小方捆機(圖7)上，牽引拖拉機為約翰迪爾1204型輪式拖拉機。

圖7 草捆動態稱量系統實物圖Fig.7 Physical picture of bale dynamic weighing system

2.1 系統靜態試驗

如圖8a所示，將稱量臺按草捆運動方向等比例設置7個位置點，分別記為1、2、3、4、5、6、7。使同一草捆重心分別處于稱量臺的7個位置點，且稱量臺俯仰角保持不變，分別讀取稱量臺下壓力數據，通過對比分析數據的離散性來測試稱量系統的穩定性。如圖8b所示，將質量為16.25 kg的草捆放在稱量臺上，通過調整支撐鏈及撿拾器升降，設置稱量臺俯仰角分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°，獲取稱量臺的下壓力數據，基于草捆稱量模型獲取各角度下的草捆質量預測值，通過與真實值進行對比來驗證系統方案的可行性。已知稱量臺質量為3.6 kg，重力加速度g取10 m/s2。

圖8 草捆動態稱量系統靜態試驗方案Fig.8 Static test scheme of bale dynamic weighing system

圖9為草捆重心位于稱量臺不同位置時，稱量臺下壓力曲線圖。由圖9可知，稱量臺下壓力在199.89～201.48 N之間，平均值為200.56 N，標準差為0.522 9 N，變異系數為0.26%。表1為稱量臺位于不同俯仰角時，系統模型對同一草捆質量的預測結果，由表1可知，當稱量臺俯仰角變大時，稱量臺下壓力逐步變小，該結果符合模型的變化規律。稱量臺位于不同俯仰角時，草捆質量預測值在16.25～16.31 kg之間，平均值為16.27 kg，標準差為0.02 kg，變異系數為0.11%，預測結果最大相對誤差為0.38%。由此可以說明，在靜態模式下，草捆動態稱量系統預測精度高，數據穩定性好，方案設計可行，可以滿足系統的設計要求。

圖9 草捆重心位于稱量臺不同位置時的壓力曲線Fig.9 Pressure curve of weighing platform when bale center of gravity was in different positions

表1 不同稱量臺俯仰角下草捆質量的預測結果Tab.1 Prediction results of bale mass under different platform pitch angles

2.2 模型標定試驗

在打捆作業過程中，受打捆機結構尺寸及裝配等影響，稱量系統會存在一定的系統誤差，為消除系統誤差的影響，進行模型標定試驗，得到標定系數k。模型標定系數k的計算公式為

(2)

式中mpi——草捆質量預測值

mti——草捆質量真實值

n——試驗打捆數

模型標定試驗共連續打10個草捆，圖10為打捆過程中稱量臺下壓力及俯仰角實時變化曲線。由圖10可知，在打捆作業過程中，每形成一個草捆，稱量臺下壓力的波形分布規律是一致的，都是初期保持穩定不變，然后逐步上升，直至達到穩定，最后瞬間跌落至初始狀態。這種波形變化規律與1.2節理論分析一致，而每段波形的持續時間存在差異，分析原因主要是打捆機撿拾量不均勻導致每個草捆從捆室推出所需時間不同。結果表明本系統可以實現單草捆的動態獨立稱量，符合設計預期。

圖10 作業過程中稱量臺下壓力及俯仰角實測結果Fig.10 Measured results of pressure and pitch angle of weighing platform during operation

在打捆作業過程中，稱量臺俯仰角變化規律不明顯，而且存在較強噪聲，分析原因是地面起伏較大導致。波形中幾處俯仰角變化較大的位置是由人為調整撿拾器升降所致。

通過同步采集稱量臺下壓力及俯仰角數據，基于系統模型進行解析計算，獲得草捆質量的預測值如表2所示。由表2可知，模型未修正時草捆質量預測值的誤差波動范圍在0.80%～7.85%之間，誤差全部是正誤差，誤差分布穩定，說明存在系統誤差。通過式(2)獲取模型的標定系數k為0.96，經過標定系數修正后，草捆質量預測值相對誤差在-3.23%～3.53%之間，數據符合統計學規律，模型標定準確。

表2 模型標定試驗結果Tab.2 Results of model calibration test

2.3 田間動態稱量試驗

模型標定后，通過田間動態稱量試驗對系統的精度及可靠性進行驗證。試驗共打50個草捆，通過系統中的GPS定位模塊得出，試驗中打捆機作業速度在3～5 km/h之間。由系統計算出各個草捆質量的預測值，對比分析各個草捆質量預測值與真實值關系。

圖11為田間動態稱量試驗中草捆質量預測值與真實值分布情況。由圖11可知，系統獲得的草捆質量預測值和真實值決定系數R2達到0.996，草捆質量預測值與真實值呈顯著相關(P<0.01)，模型預測的相對誤差范圍為-4.40%～4.30%，整體位于5%以內，且大部分位于3%以內。結果表明系統具有較好的準確性及魯棒性，而且本系統預測效果優于國外同類技術產品的預測效果[6]，該系統滿足田間草捆稱量的實際需要。

圖11 草捆動態稱量結果Fig.11 Results of bale dynamic weighing

3 結論

(1)基于多傳感器融合技術設計了一套方捆機草捆動態稱量系統。提出了一種草捆動態分離、識別方法，構建了基于稱量臺實時下壓力及俯仰角的草捆動態稱量系統，實現了單草捆動態獨立稱量。

(2)進行了草捆動態稱量系統性能試驗，結果顯示，靜態模式下系統的草捆質量預測值最大相對誤差為0.38%；動態模式下草捆質量預測值和真實值決定系數R2達到0.996，系統預測的相對誤差范圍為-4.40%～4.30%。說明系統具有較高的準確性及較好的魯棒性，系統能夠滿足田間草捆稱量的實際需要，為打捆機作業質量評價提供了一種快速測量手段。