谷物聯合收獲機清選系統智能化技術研究進展

趙男 金誠謙 王超 唐小涵 郭榛

摘要：清選系統作為谷物聯合收獲機的核心部件，直接影響著收獲機的作業效率和清選效果。目前我國谷物聯合收獲機清選系統的智能化程度普遍較低，如何實現清選裝置高效智能化技術發展和提高清選系統工作性能是谷物聯合收獲機研究的難點。從清選系統基本結構、損失監測傳感器、信號處理電路以及自適應控制系統研究等方面綜述分析國內外谷物聯合收獲機清選損失監測、自適應調控等技術研究進展，探究提高谷物聯合收獲機清選系統損失監測精度以及清選裝置自適應調節效果，以期為實現谷物聯合收獲機整機智能化和信息化提供理論依據。

關鍵詞： 谷物聯合收獲機；清選系統；智能化技術

中圖分類號：S225.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0163-08

Abstract： As the core part of the combined harvester， the cleaning system directly affects the efficiency and the cleaning effect of the harvester. At present， the intellectualization degree of the cleaning system of the grain combined harvester is generally low in China. How to realize the development of efficient intellectualization technology of the cleaning device and improve the performance of the cleaning system are the difficulties in the research of the grain combined harvester. Therefore， this paper summarizes and analyzes the research progress of intelligent technology in the cleaning system of grain combined harvester at home and abroad from the basic structure of the cleaning system， loss monitoring sensor， signal processing circuit and adaptive control system， and explores the development direction of intelligent technology in the cleaning system of grain combined harvester. It is expected to provide theoretical basis for realizing the intelligence and information of the whole grain combined harvester.

Keywords： grain combined harvester; cleaning system; intelligent technology

0引言

農業機械智能化技術研究對于農業生產領域有著重要意義，智能化、自動化是國內收獲機械的發展方向和必然趨勢。清選系統作為谷物聯合收獲機的關鍵部件，各結構工作參數的調控對清選過程中籽粒損失率和含雜率有很大影響［12］。目前，我國谷物聯合收獲機械化水平逐漸提高，谷物收獲機械清選系統逐步走向信息化和智能化，但是智能化程度較低，而發達國家收獲機械化水平較高，智能化水平日益完善；為提高谷物機械收獲效率，實現高效生產收獲，谷物聯合收獲機清選系統智能化技術研究成為提高收獲效率的研究重點。

本文從清選系統損失傳感器、信號處理電路、監測裝置以及清選裝置自適應控制系統等方面進行綜述，分析國內外研究現狀，期望為谷物收獲機械清選系統智能化發展提供參考。

1清選系統的基本構成

谷物聯合收獲機的清選系統通常可以分為兩大類：分別是氣流式清選裝置和風篩式清選裝置。氣流式清選裝置的工作原理是按照谷粒的懸浮速度和空氣動力特性來進行清選，常見的有氣吹式、氣吸式和旋風分離式。其特點是構造簡單、清選倉空間小、功率消耗低和噪聲小等。風篩式清選裝置的工作原理是利用氣流和篩子之間的相互配合進行清選，主要構成部件有機架、風機、篩子、抖動板、調節裝置和傳動系統等。兩者相比較風篩式清選裝置的清選效果更好、效率更高，清選后得到的谷粒含雜率低、損失率低。氣流式清選裝置因為其功率小、結構簡單，僅靠氣流作用在喂入量較大時難以達到理想的清選效果，所以風篩式清選裝置應用范圍更廣，其結構如圖1所示。

2清選系統損失監測研究現狀

谷物聯合收獲機械清選系統實現谷物清選損失監測是實現整機收獲智能化和有效降低收獲損失率的重要措施。清選損失監測研究主要集中在監測傳感器、信號處理電路和監測裝置研究等方面。

2.1監測傳感器研究現狀

發達國家對清選籽粒質量監測的研究較早，且谷物清選損失監測傳感器發展至今已實現商品化，Case 2366IH聯合收獲機等都配備了清選損失監測傳感器，實時監測谷物收獲過程中清選損失參數，幫助駕駛員及時掌握籽粒清選情況，及時進行參數反饋調控。谷物收獲損失監測裝置多數采用不同形式的傳感器，目前對于電聲式傳感器和壓力傳感器為主；原理是利用谷物清選脫出物成分性質的不同，所產生的聲音信號或者振壓信號頻率也就不同，再通過濾波方法去除無用信號，實現谷物清選質量的監測。

國外學者早期研制了一種電聲式谷物清選損失監測傳感器，如圖2所示，該傳感器將收集的籽粒和莖稈等物料撞擊到感應板上的聲波信號，用靈敏度較高的麥克風進行監測，籽粒信號通過電聲原理和濾波處理技術獲得。Deniz等［3］通過用PW4C3-300壓力傳感器對籽粒進行損失檢測，通過傳感器上的籽粒產生的響應，對谷粒損失程度進行分辨，從而獲得損失情況。Gierz等［4］采用PVDF壓電材料制作了壓電傳感器，在播種機中對兩種小麥籽粒進行了模擬研究。對比了相鄰時間下寬度不同的兩個窗口，在原有信號記錄基礎上更新了粒子計數的算法，記錄混合信號的窗口時間間隔為10 μms，記錄籽粒撞擊信號的窗口時間間隔為2 μms。通過連續測試確定出發閾值以及單獨窗口閾值大小，利用高通濾波器減少周期噪聲影響。

Dickhans等［5］早期研制了一種谷粒檢測敏感板，該敏感板材料選用金屬材質，利用傳感器來檢測金屬板上谷粒撞擊時產生的振動信號，如圖3所示；澳大利亞學者利用薄金屬板結合壓電陶瓷設計一種谷物損失傳感器，但存在金屬板表面靈敏度分布極不均勻的問題，而限制了監測裝置的頻率上限；Yilmaz等［6］等采用PVDF壓電薄膜傳感器對鷹嘴豆籽粒進行了檢測，并且建立了損失監測系統。通過計算鷹嘴豆與秸稈比值確定了籽粒含量，利用烘干機確定3種含水量來確定電壓閾值，如果超過設定閾值則判斷為鷹嘴豆撞擊信號。試驗表明水分含量增加時鷹嘴豆閾值會增加，籽粒含量增大時閾值會降低。

TeeJet LH765型［7］糧食損失監測裝置所采用的籽粒清選損失傳感器，由兩部分組成，分別是集成Walker傳感器（抗干擾能力強、測量精度準確）和全寬型Sieve傳感器。Liang等［8］對谷物損失傳感器陣列化結構進行了優化：結果發現監測儀器板的最優尺寸為：長度150 mm、寬度40 mm、厚度10 mm，可以明顯地提高對籽粒檢測和識別的效果。Zhao等［9］設計的一種基于壓電陶瓷的顆粒碰撞傳感器可對谷物沖擊進行實時監測。此傳感器用粘貼在敏感板中心位置的圓形YT-5L壓電陶瓷作為敏感元件，并且優化了減振方式消除了機具自身振動帶給敏感板的振動干擾。周利明等［10］設計了一款陣列式PVDF傳感器，該傳感器的敏感材料選用聚偏二氯乙烯（PVDF）壓電薄膜，該結構包括兩層PET保護層，中間層為PVDF壓電薄膜，下層為阻尼材料和鋁合金基體層，可以對傳感器進行阻尼和支撐。

在較早時期，電聲式傳感器是最先出現應用于清選籽粒損失的監測，但在實際應用過程中由于振動、噪聲等影響干擾，導致其監測精度較差。為提高清選過程的監測效率，許多學者通過采用不同材料的敏感片來實現傳感器的監測，通過對新型材料的研發，有效降低了機械振動所導致的噪聲影響，提高監測系統的測頻上限。

對于清選損失監測傳感器的研究，國外技術水平相對成熟，國內起步晚，也有許多國內學者在原有傳感器基礎上加以改進，不斷提高傳感器的準確度，并研發出精準高效的清選損失監測裝置。

2.2信號處理電路研究現狀

清選監測裝置傳感器信號處理電路工作原理是：清選過程中籽粒沖擊敏感元件產生信號后，由電荷等效電路和電壓放大器將收到的信號進行輸出，將電荷轉變成輸出信號，利用籽粒和其他雜物產生的干擾信號頻率不同，通過帶通濾波將不同頻率的干擾信號進行區分，從而識別輸出籽粒沖擊信號。模擬信號處理電路組成主要包括電壓放大器、帶通濾波器、精密全波整流電路、包絡檢波電路等元件串聯，如圖4所示。

周賢龍［11］設計一種谷物清選損失監測系統，該系統運用一種多觸點感應膜來監測籽粒信號，谷物沖擊時，感應膜形成閉合回路，獲得脈沖信號；無谷物沖擊時，感應膜為開路狀態，并且能區別出谷粒和雜質信號。唐飛龍［12］提取出水稻籽粒撞擊敏感板的信號與噪聲信號，并進行對比分析設計了電荷放大、高通濾波、檢波與電壓比較的信號處理電路，采用水稻籽粒進行臺架試驗，結果表示該裝置監測精度在95%左右，監測效果較好。關佳軍［13］運用多傳感器融合多組信息，通過FastICA算法將混疊信號中的籽粒撞擊信號識別并分離，預濾波后使用奇異值分解算法求解出源數值m為8，隨機選取8組數據作為濾波觀測信號，成功將籽粒碰撞信號分離。王鶴［14］設計了一種谷物流量檢測傳感器，采用PVDF敏感元件，提出了一種以EMD（經驗模態分解）算法為基礎的去噪方法，有效解決了谷物流量檢測中出現的噪聲問題。同時對混疊信號進行EMD預處理獲得IMF分量，從而確定信噪分界點為最小能量分量，有效實現了信噪分離，提高了谷物流量檢測的精確性。高建民等［15］為了降低谷物清選損失監測系統制作成以及提高系統穩定性，運用混沌算法對籽粒信號進行處理，建立了仿真模型，通過加入籽粒信號和白噪聲，檢測出兩個系統的信噪比，得出結論：Duffing振子檢測系統可以明顯地提高對微弱信號的檢測效果，相對于傳統的時域監測方法更高效，并且通過仿真證明該算法對于谷物聯合收獲機清選損失的檢測是可行的。李耀明等［16］研制了一種由清選損失監測傳感器、高精度二次儀表和信號調制電路組成的谷物損失監測裝置，該裝置利用清選損失傳感器接收籽粒撞擊敏感板的信號，然后通過信號調理電路過濾干擾信號，再由指示燈和報警儀器將損失狀況反饋給收獲機操作人員。

對于清選系統監測裝置信號處理電路研究，國內學者通過采用更為靈敏的感應膜、濾波算法和檢測系統等對采集的籽粒信號進行優化處理，并且利用LS-DYNA、simulink和EVC程序等電腦軟件驗證其在監測系統應用的可行性，提高了監測裝置的精準度。

2.3監測裝置研究現狀

2.3.1監測裝置結構

谷物聯合收獲機清選系統的結構參數及運動參數對于谷物清選損失有很大影響，國外清選系統監測技術較為成熟，但存在價格較高且適用性差等問題，在國外大型谷物收獲機械基本都裝配清選工作監測裝置，對清選系統各機構進行監測調控，像風機轉速、分風板傾角及損失含雜監測等；國內學者在現有監測傳感器技術基礎上，對清選系統監測裝置研究；表1是國內對監測裝置結構及工作原理部分研究介紹。

2.3.2監測裝置安裝位置

谷物聯合收獲機清選監測裝置的安裝位置對實現監測裝置功能有很大影響，通過對安裝位置的研究，建立相應的數學模型，探究清選裝置工作過程的谷物狀態、各清選結構工作參數情況等；許多學者通過實際實驗確定了監測裝置在清選室的最佳安裝位置，提高了清選監測的準確度，降低清選過程監測裝置的相對誤差。原蘇聯將谷物損失監視器分別安裝在篩子、逐稿器后面和魚鱗篩下面，實現同時監測夾帶損失量、損失量和收獲量。Maertens等［21］為了實時監測谷物損失的目的，提出了在振動篩后方排出口的位置安裝設計的谷物損失監測傳感器的方法，研制的谷物損失監測傳感器能實時監測單位時間內的谷物損失情況。MR［22］將谷物清選損失監測傳感器安裝在John Deere 955聯合收獲機振動篩的后方，提出將傳感器監測信息結合谷物含水率、產量、機器速度獲得收獲損失的監測方法。Maertens［23］和Geert［24］等對聯合收獲機監測裝置安裝位置進行了研究，并建立了清選裝置不同位置清選損失預測數學模型，通過試驗證明在清選篩尾后安裝傳感器是監測清選損失的最佳位置。

唐忠等［25］通過對籽粒和脫出物雜余的分布規律進行了分析，確定了 PVDP 陣列晶體傳感器的安裝位置，使夾帶損失傳感器的檢測精度得到了有效提高，使其精度保持在4.5%～5.26%。梁振偉等［26］研制了一種全寬型的籽粒損失監測傳感器，其結構是雙向隔振，距離尾篩中心線300 mm、角度為45°的位置安裝到軸流式聯合收獲機上（如圖5所示），建立了籽粒清選損失監測的數學模型并其通過田間試驗來驗證此模型，結果表明該數學模型可靠，籽粒清選損失監測的最大相對誤差為3.26%。魏純才［27］提出在油菜聯合收獲機振動篩后方橫向布置一體多塊式清選損失監測傳感器，通過壓電原理計數損失籽粒，以監測量和籽粒損失量作為自變量建立清選損失數學模型，可以實時獲取清選損失量。

通過以上研究可知，許多學者不斷探究籽粒損失監測裝置的新技術和新方法，設計優化清選監測裝置結構，實現對清選系統部分結構參數的自動調節，并且結合試驗找到了監測裝置的最佳安裝位置，提高了籽粒損失信號的監測精度和可靠性。

3清選系統自適應控制策略研究現狀

清選裝置自適應控制系統的研發對于清選系統智能化有著重要意義，在國外，隨著清選監測裝置商品化的發展，自動化控制技術的日益提高，許多大型農業機械公司都實現了谷物收獲機械的智能化控制，對谷物聯合收獲機清選裝置配備自適應控制系統，以保證收獲機械在工作過程中清選系統適應不同的收獲環境、質量要求以及谷物特性等條件。

紐荷蘭型CX6.80谷物聯合收獲機的清選系統采用了最新的OpiFan風機轉速自動控制系統和Smart Sieve型智能清選篩。可以實現谷物聯合收獲機在田間作業時遇到的不同實際情況，對清選系統內的相關工作部件的作業參數進行調節，從而達到理想的清選要求和效果。LEXION 700系列聯合收獲機［28］配備有CEMOS AUTOMATIC自動匹配功能，該系統可以對清選和分離作業進行實時持續調控，從而使收割機在不同的收割條件下也能很好地進行對谷物的清選，有效提高了谷物收獲過程的清選效率和清選質量，機器會自動設置風機轉速、上篩板開口和下篩板開口等作業參數。Case 4088型聯合收割機裝配有一種新型智能調節控制系統［2930］，可以根據聯合收獲機在田間作業時的實際需求，自動調節風機的轉速和振動篩曲柄轉速，使其作業參數保持在理想值。John Deere L70系列［31］谷物聯合收獲機配備的監測系統可以根據作物各種不同的屬性，自動調節清選裝置參數（風機轉速、篩子開度、振動篩頻率等）。

Omid等［32］設計了一種模糊邏輯控制器（FLC），使收獲機在秸稈行走器和上篩位置檢測籽粒損失，從而對機器的作業速度、風機轉速、脫粒滾筒轉速和凹板篩間隙進行調整，使聯合收獲機作業時達到理想損失效果。Dimitrov 等［33］對聯合收獲機可調作業參數中作業速度、脫粒滾筒轉速和離心風機轉速進行了模糊專家系統建模，構造了隸屬函數，計算了專家模型的一致性指標，并在分析的基礎上選擇了最優模型，研究發現可應用于聯合收獲機復雜多變的田間作業。Tsarev等［34］將電動控制技術應用到聯合收獲機使用的精準農業系統中，使聯合收獲機在田間作業時面對不同工況變化進行自動調節作業參數，實現聯合收獲機的風機轉速、脫粒滾筒轉速和魚鱗篩篩片開度等作業參數的電動和液壓驅動調節。Gundoshmian等［35］提出了一種三層感知器神經網絡，結合反向傳播（BP）訓練算法，建立聯合收獲機性能模型，應用試錯法和不同結構的試驗研究確定了神經網絡的最優結構，利用該模型研究了小麥產量、作物含水率、割臺高度、脫粒滾筒轉速、凹板篩間隙、風機轉速、穎殼篩開度和下篩開度對聯合收獲機性能的影響。

在國內，蔡陽陽［36］設計了一種基于電路設計控制裝置采用ARM S3C2440A處理器和以Linux操作系統為軟件平臺控制的聯合收獲機多功能操控手柄控制裝置，此操縱桿可以對風機、分風板和魚鱗篩等作業部件進行調控。蔣瑞鋒［37］通過對聯合收割機電驅動智能控制系統研究，設計離心風扇模糊控制器，并進行了仿真模型調試，結果表明所設計的控制算法及模糊控制器能根據聯合收割機的不同作業情況及時調整和控制所需的作業參數，使聯合收割機發揮最大工作效率。蘇航［38］構建以聯合收割機關鍵部件脫粒與清選裝置為研究對象的參數匹配技術研究平臺，設計一種基于知識的參數匹配方法，實現脫粒與清選裝置結構參數和工作參數的合理匹配，利用知識庫構建參數化模型，運用二次開發技術實現脫粒與清選裝置模型參數化、模型驅動等設計功能。

張琨［39］以PLC為核心控制器，以電子觸摸屏作為監測和調節界面，設計了一種清選監控系統，如圖6所示，對相關工作部件的作業參數進行實時監測，同時對液壓執行元件的參數根據需要進行調整，通過模糊控制的方法得到作業速度的改變量，達到清選裝置保證可靠性的同時提高工作效率。

唐飛龍［12］設計了一種谷物聯合收獲機清選損失監測系統，能夠及時地反饋谷物聯合收獲機在進行清選作業時產生的損失情況，方便操作人員及時了解收獲的損失狀況，并做出相應的應對措施。也可以通過實時監測系統反饋的數據進行處理，然后對數據進行分析生成控制信號，用來控制聯合收獲機在田間作業時的前進速度、風機轉速、魚鱗篩開度或振動頻率等。從而進一步提高谷物聯合收獲機的自動化，及時降低谷物聯合收獲機的清選損失率。仇解［40］采用一種灰色預測模糊控制模型理論算法，設計了一種清選損失檢測的自適應控制系統，此系統選用單片機為控制器，不僅解決了清選損失自適應系統中的滯后問題，還能及時地對篩子的開度進行控制，使清選損失率達到理想效果。蔣慶等［41］根據仿人智能控制原理，建立了自適應控制策略數學模型算法，構建了清選系統智能調控模式，并利用Matlab對該智能控制算法進行仿真試驗分析。李偉［42］利用一種增量式模糊控制算法模型，基于無人機遙感圖像的智能聯合收獲機清選系統實現了清選系統中風機轉速、分風板和魚鱗篩篩片開度的智能調控。申昊［43］以PLC為關鍵控制器，采用液壓驅動的方式制定了玉米收獲機整機控制系統方案，實現了清選裝置液壓執行元件的實時調控。魯業安等［44］研制了電氣控制的水稻縱軸流收獲機風篩式清選裝置試驗臺，通過計算機進行數據采集與監控，可以對試驗數據進行實時收集以及對篩子振幅、曲柄轉速等作業參數的實時調控。

從以上研究可知，在清選系統智能化技術研究方面，國內學者主要針對清選損失的實時監測和自適應控制策略兩個方面進行研究；清選損失的實時檢測方面，主要是利用相關的傳感器采集清選作業時谷粒撞擊到傳感器上產生的信號，從而實現對收獲機清選過程中的谷物損失率和相關工作結構部件參數的實時監測；清選系統的自適應控制策略方面，主要是指調控風篩式清選裝置關鍵工作部件的作業參數，如風機轉速、篩子開度、振動篩振頻、風門開度等。根據收獲機在田間作業時遇到的不同環境和不同作物的屬性結合信息反饋，進行人工調節，但是人工手動調節參數的精度不夠且勞動強度和難度較大。現階段清選系統作業時的損失率監測和清選作業關鍵部件工作參數的自動調控技術并未得到全國范圍內的推廣和應用。所以應該加大對谷物收獲機自適應控制技術的研發力度，實現清選系統工作參數和清選作業質量的在線監測、清選工作構件作業參數的自動調控，提高清選作業參數調節精度，可以有效提高聯合收獲機的智能化水平，加快促進我國收獲機械行業的技術進步。

4發展趨勢

1） 提高清選系統工作效率。隨著谷物聯合收獲機喂入量不斷增大，清選系統的工作性能不斷提高，伴隨著清選系統智能化技術的發展，對于清選系統的調控更加快速便捷，大大降低人為因素的干擾，實現清選裝置結構工作參數精準優化，使得清選過程高效化。

2） 提高清選系統監測設備通用性。實現谷物實時監測裝置結構通用化，通過更換不同裝置部件和信號處理電路，實現大豆、谷子、小麥、水稻等不同特性谷物清選過程的監測，研制出高精準度谷物監測傳感器，提升清選過程谷物監測的準確性。

3） 提高清選系統的信息化、智能化和自動化程度。建立完善的谷物收獲云端系統，對不同谷物在清選過程中籽粒及其雜物產生的信號頻率實時監測并記錄上傳，實時計算顯示清選過程的損失率和含雜率。研發出完備的清選裝置自動反饋調節系統，通過對清選裝置各部件的作業參數（風機轉速、篩子振幅、魚鱗篩開度和分風板傾角等）實時監測反饋，調節系統自動根據設置的清選損失率和含雜率標準對清選裝置參數進行調節，實現清選過程智能化和自動化。

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