本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機(jī)，特別是一種稻麥聯(lián)合收割機(jī)及其非接觸式割幅檢測裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

目前，聯(lián)合收割機(jī)正朝著大型化、高速化方向發(fā)展，僅用人的視力去識別收獲邊界，保證收割機(jī)作業(yè)時割幅一致性將變得越來越困難。當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)在田間作業(yè)時，通常在滿割幅情況下作業(yè)，已達(dá)到額定的喂入量，獲得較高的生產(chǎn)率，這就要求駕駛員具有較高的駕駛技能，長時間保持全幅跟蹤作業(yè)，駕駛員勞動強(qiáng)度大，并且田間作業(yè)灰塵大，依靠肉眼很難收獲準(zhǔn)確的邊界。聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)需要根據(jù)收割割幅和實際車速來實時計算收獲面積，目前國內(nèi)外聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)還主要靠操作員手動輸入收割幅度，但是實際收割時，很難保證滿幅收割，而是根據(jù)實際情況變割幅作業(yè)。在進(jìn)行聯(lián)合收割機(jī)喂入量的檢測時，也需要根據(jù)割幅、谷草密度、作業(yè)速度來測算得到。聯(lián)合收割機(jī)自動駕駛系統(tǒng)也可以根據(jù)收獲邊界進(jìn)行自動跟蹤駕駛，因此，割幅在線檢測是聯(lián)合收割機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)。近年來，隨著計算機(jī)與傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研究學(xué)者對割幅檢測進(jìn)行許多研究和發(fā)明，可分為接觸法和非接觸法。典型的接觸法是利用彈簧控制探測桿的一端與作物緊密接觸，測角器測量出探測桿的偏轉(zhuǎn)角度，然后根據(jù)三角函數(shù)計算出作物與支撐桿之間的距離。兩個支撐桿安裝在聯(lián)合收割機(jī)割臺的兩個分禾器上，把兩個支撐桿的間距減去作物離開兩個支撐桿的距離就可測量聯(lián)合收割機(jī)的實際收割幅度。此方法機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，但可靠性差，并存在安全隱患。非接觸法主要采用了兩個超聲波傳感器來測量作物離開兩個分禾器的距離，從而計算出實際割幅。但是超聲波測量角度發(fā)散，同時作物的疏密程度會影響超聲波的反射導(dǎo)致測量的誤差。對于分行種植的水稻，超聲波傳感器有時會正好穿過作物的行間而不發(fā)生反射。總體來說對割幅的測量基本處于理論或?qū)嶒炇已芯侩A段，并沒有在田間實現(xiàn)，更沒有達(dá)到可以量產(chǎn)的層次。隨著聯(lián)合收割機(jī)大型化與智能監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，實時監(jiān)測割幅的大小顯的尤為重要，割幅監(jiān)測是聯(lián)合收割機(jī)在線測量技術(shù)中的一個關(guān)鍵參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種稻麥聯(lián)合收割機(jī)割幅檢測方法及裝置，用于解決割幅在線監(jiān)測的問題，為喂入量在線監(jiān)測、自動導(dǎo)航及作業(yè)統(tǒng)計提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種稻麥聯(lián)合收割機(jī)的割幅檢測裝置，其中，包括：

激光傳感器，安裝于稻麥聯(lián)合收割機(jī)的割臺上方，用于獲取所述稻麥聯(lián)合收割機(jī)的收獲區(qū)域與未收獲區(qū)域的邊界，并輸出被測物的距離與角度信息；

信號采集器，安裝在所述稻麥聯(lián)合收割機(jī)上，通過數(shù)據(jù)總線與所述激光傳感器連接，用于獲取并發(fā)送所述激光傳感器輸出的距離與角度信息數(shù)據(jù)；以及

車載監(jiān)控器，安裝在所述稻麥聯(lián)合收割機(jī)上，與所述信號采集器連接，用于完成所述信號采集器發(fā)送的信號處理、分析、顯示和數(shù)據(jù)存儲。

上述的割幅檢測裝置，其中，所述激光傳感器為線掃描方式對扇形區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行循環(huán)探測，所述激光傳感器通過可伸縮支撐桿安裝于所述割臺的左上方或右上方。

上述的割幅檢測裝置，其中，所述信號采集器和所述車載監(jiān)控器安裝在所述稻麥聯(lián)合收割機(jī)的駕駛室內(nèi)。

為了更好地實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種稻麥聯(lián)合收割機(jī)的割幅檢測方法，其中，采用上述的割幅檢測裝置進(jìn)行檢測，包括如下步驟：

S100、通過車載監(jiān)控器設(shè)定激光傳感器的工作參數(shù)，所述激光傳感器按照設(shè)定的工作參數(shù)，對掃描平面內(nèi)的物體進(jìn)行循環(huán)檢測，得到檢測數(shù)據(jù)組(ρ，θ)，其中ρ為所述激光傳感器到被測物的距離，θ為在所述激光傳感器的參考坐標(biāo)系中激光束與Ox軸的夾角，所述激光傳感器的參考坐標(biāo)系為R＝(O,Ox,Oy,Oz)，所述激光傳感器在平面Ozx內(nèi)檢測，Ox軸平行于地面；

S200、信號采集器獲取所述激光傳感器的檢測數(shù)據(jù)組(ρ，θ)，并發(fā)送給所述車載監(jiān)控器；

S300、所述車載監(jiān)控器對所述檢測數(shù)據(jù)組進(jìn)行極坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；

S400、采用移動平均濾波方法對轉(zhuǎn)換后的所述檢測數(shù)據(jù)組進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理；

S500、對濾波處理后的所述檢測數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分計算，將差分結(jié)果與設(shè)定的閾值δ比較，得到大于閾值δ的數(shù)據(jù)點(diǎn)的序號j，由此確定已收割區(qū)域與未收割區(qū)域的分界點(diǎn)，并根據(jù)所述激光傳感器的安裝位置偏差Δx，和所述分界點(diǎn)在軸Ox上的投影x_j和割臺寬度d₀，計算實際割幅d_s為：

上述的割幅檢測方法，其中，所述激光傳感器的工作參數(shù)包括掃描角度、掃描采樣頻率和掃描角度步長。

上述的割幅檢測方法，其中，所述步驟S300中對所述檢測數(shù)據(jù)組進(jìn)行極坐標(biāo)到平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下：

上述的割幅檢測方法，其中，所述步驟S300進(jìn)一步包括：將所述激光傳感器從掃描起始角度到終止角度所獲得的一組傳感器數(shù)據(jù)定義為一幀，一幀的數(shù)據(jù)個數(shù)N由掃描角度范圍和掃描角度步長確定，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式對一幀傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到：

其中k∈[1,N]。

上述的割幅檢測方法，其中，所述步驟S400中的移動平均濾波方法包括：

S401、將連續(xù)采樣數(shù)據(jù)看成一個長度為N的隊列；

S402、在新的一次采樣數(shù)據(jù)得到后，去除上述隊列的首數(shù)據(jù)，其余N-1個數(shù)據(jù)依次前移，并將新的采樣數(shù)據(jù)插入到隊列的尾部；

S403、對整個隊列進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并將其作為本次測量的結(jié)果，計算公式如下：

其中z_k-j為第k-j時刻的激光光束在軸Oz上的投影測量值，為第k時刻的濾波值，N為濾波窗口；

S404、當(dāng)且z_k為錯誤數(shù)據(jù)，進(jìn)行剔除，其中h為稻麥稈高度均值或估算值，α為調(diào)整系數(shù)。

上述的割幅檢測方法，其中，所述步驟S500中對Oz軸方向濾波處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分計算，離散數(shù)據(jù)一階差分定義公式如下：

其中ε_k為第k點(diǎn)數(shù)據(jù)差分值。

為了更好地實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種稻麥聯(lián)合收割機(jī)，其中，包括割幅檢測裝置，所述割幅檢測裝置采用上述的割幅檢測方法進(jìn)行割幅檢測。

本發(fā)明的有益效果在于：

由于聯(lián)合收割機(jī)割臺越來越寬，有經(jīng)驗的駕駛員日益短缺，田間作業(yè)灰塵較大，依靠駕駛員肉眼來判斷收獲邊界將變得困難，收割割幅一致性無法得到保障，聯(lián)合收割機(jī)喂入量波動較大，影響機(jī)器工作性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用非接觸式激光檢測技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、模式識別技術(shù)等，可以實時、準(zhǔn)確獲取聯(lián)合收割機(jī)實際割幅，解決收獲邊界的識別及割幅實時在線監(jiān)測的問題，為喂入量在線監(jiān)測、自動導(dǎo)航及作業(yè)統(tǒng)計提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提高了聯(lián)合收割機(jī)可視化水平，對聯(lián)合收割機(jī)智能監(jiān)控裝備的實際應(yīng)用起到了促進(jìn)作用。

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的稻麥聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例的割幅檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明一實施例的激光傳感器工作原理圖；

圖4為本發(fā)明的割幅推算原理圖。

其中，附圖標(biāo)記

1 割臺

2 支撐桿

3 激光傳感器

31 激光發(fā)射器

32 激光接收器

33 旋轉(zhuǎn)棱鏡

34 固定棱鏡

35 電機(jī)

4 信號采集器

5 車載監(jiān)控器

6 駕駛室

7 未收割區(qū)域

8 已收割區(qū)域

9 被測物

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述：

參見圖1，圖1為本發(fā)明一實施例的稻麥聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的稻麥聯(lián)合收割機(jī)，包括非接觸式割幅檢測裝置，該割幅檢測裝置用于解決割幅在線監(jiān)測的問題，為喂入量在線監(jiān)測、自動導(dǎo)航及作業(yè)統(tǒng)計提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因該聯(lián)合收割機(jī)其他部分的組成、結(jié)構(gòu)、相互位置關(guān)系、連接關(guān)系及功用等均為較成熟的現(xiàn)有技術(shù)，故在此不再贅述，下面僅對本發(fā)明的割幅檢測裝置及其檢測方法予以詳細(xì)說明。

參見圖2，圖2為本發(fā)明一實施例的割幅檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明的割幅檢測裝置，包括：激光傳感器3，安裝于稻麥聯(lián)合收割機(jī)的割臺1上方，用于獲取所述稻麥聯(lián)合收割機(jī)的收獲區(qū)域與未收獲區(qū)域的邊界，并輸出被測物9的距離與角度信息，具有測量精度高、采樣速度快、受環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)；信號采集器4，安裝在所述稻麥聯(lián)合收割機(jī)上，通過數(shù)據(jù)總線與所述激光傳感器3連接，用于獲取并發(fā)送所述激光傳感器3輸出的距離與角度信息數(shù)據(jù)；以及車載監(jiān)控器5，安裝在所述稻麥聯(lián)合收割機(jī)上，通過CAN總線與所述信號采集器4連接，集成有數(shù)據(jù)處理軟件，用于完成所述信號采集器4發(fā)送的信號處理、分析、顯示和數(shù)據(jù)存儲等功能。車載監(jiān)控器5搭配有CAN總線模塊、固態(tài)硬盤儲存器、可觸控的液晶屏及多種串行數(shù)據(jù)接口，直接使用車載24V蓄電池供電。整個檢測裝置采用CAN總線連接，布線簡單，通訊可靠。

其中，所述激光傳感器3為線掃描方式對扇形區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行循環(huán)探測，所述激光傳感器3通過可伸縮支撐桿2安裝于所述割臺1的左上方或右上方，聯(lián)合收割機(jī)一般為順時針收割機(jī)作業(yè)，優(yōu)選將激光傳感器3安裝于割臺1左側(cè)上方。所述信號采集器4和所述車載監(jiān)控器5優(yōu)選安裝在所述稻麥聯(lián)合收割機(jī)的駕駛室6內(nèi)。

參見圖3，圖3為本發(fā)明一實施例的激光傳感器工作原理圖。本實施例中的激光傳感器3主要由激光發(fā)射器31、激光接收器32、棱鏡組(包括旋轉(zhuǎn)棱鏡33和固定棱鏡34)及電機(jī)35，電機(jī)35與旋轉(zhuǎn)棱鏡33連接。激光發(fā)射器31發(fā)射出的探測激光束經(jīng)棱鏡組的鏡面反射后，打到被測物9上。同時，被測物9反射回的激光經(jīng)棱鏡組的鏡面反射被激光接收器32拾取，通過激光光束從發(fā)射到拾取經(jīng)過的時間t和光在空氣中的傳播速度C，可計算得到被測物9與激光傳感器3之間的距離。旋轉(zhuǎn)棱鏡33由電機(jī)35帶動旋轉(zhuǎn)，從而使得激光束可以在一定扇形區(qū)域進(jìn)行循環(huán)掃描。扇形掃描區(qū)域的起始角θ_s和結(jié)束角θ_e可進(jìn)行設(shè)置，通常激光傳感器3掃描的正前方為沿著軸Oz方向，激光傳感器3掃描角θ為在激光傳感器3的參考坐標(biāo)系中激光束與軸Ox的夾角。

參見圖4，圖4為本發(fā)明的割幅推算原理圖。圖中ρ₁表示為打到農(nóng)作物p₁點(diǎn)上的激光光束，ρ₂為打到分割邊界p₂點(diǎn)上的激光光束，ρ₃為打到已收割區(qū)域8的p₃點(diǎn)上的激光光束，激光傳感器3通過收發(fā)這三種典型光束信號，獲取被測區(qū)域中被測物9的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)(ρ，θ)。信號采集器4獲取激光傳感器3的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)組(ρ，θ)，通過CAN總線發(fā)送給車載監(jiān)控器5。車載監(jiān)控器5首先通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將極坐標(biāo)數(shù)據(jù)(ρ，θ)，轉(zhuǎn)換為激光傳感器3平面坐標(biāo)R＝(O,Ox,Oy,Oz)，即(x,y,z)。圖中z₁表示光束ρ₁在軸Oz上的投影，z₂表示光束ρ₂在軸Oz上的投影值，z₃表示光束ρ₃在軸Oz上的投影值。

本發(fā)明的割幅檢測方法，采用上述的割幅檢測裝置進(jìn)行檢測，包括如下步驟：

步驟S100、通過車載監(jiān)控器5設(shè)定激光傳感器3的工作參數(shù)，該工作參數(shù)例如可包括掃描角度、掃描采樣頻率和掃描角度步長等。所述激光傳感器3按照設(shè)定的工作參數(shù)，對掃描平面內(nèi)的物體進(jìn)行循環(huán)檢測，得到檢測數(shù)據(jù)組(ρ，θ)，其中ρ為所述激光傳感器3到被測物9的距離，θ為在所述激光傳感器3的參考坐標(biāo)系中激光束與Ox軸的夾角，所述激光傳感器3的參考坐標(biāo)系為R＝(O,Ox,Oy,Oz)，所述激光傳感器3在平面Ozx內(nèi)檢測，Ox軸平行于地面；

步驟S200、信號采集器4獲取所述激光傳感器3的檢測數(shù)據(jù)組(ρ，θ)，并通過CAN總線發(fā)送給所述車載監(jiān)控器5；

步驟S300、所述車載監(jiān)控器5對所述檢測數(shù)據(jù)組進(jìn)行極坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換公式如下：

所述步驟S300進(jìn)一步包括：將所述激光傳感器3從掃描起始角度到終止角度所獲得的一組傳感器數(shù)據(jù)定義為一幀，一幀的數(shù)據(jù)個數(shù)N由掃描角度范圍和掃描角度步長確定，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式對一幀傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到：

其中k∈[1,N]。

步驟S400、采用移動平均濾波方法對轉(zhuǎn)換后的所述檢測數(shù)據(jù)組進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，根據(jù)激光傳感安裝位置等信息，剔除一些比較明顯的錯誤數(shù)據(jù)(主要是灰塵的錯誤數(shù)據(jù))；包括：

步驟S401、將連續(xù)采樣數(shù)據(jù)看成一個長度為N的隊列；

步驟S402、在新的一次采樣數(shù)據(jù)得到后，去除上述隊列的首數(shù)據(jù)，其余N-1個數(shù)據(jù)依次前移，并將新的采樣數(shù)據(jù)插入到隊列的尾部；

步驟S403、對整個隊列進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并將其作為本次測量的結(jié)果，計算公式如下：

其中z_k-j為第k-j時刻的激光光束在軸Oz上的投影測量值，為第k時刻的濾波值，N為濾波窗口，一般取N>3；

步驟S404、當(dāng)且z_k為錯誤數(shù)據(jù)，進(jìn)行剔除，其中h為稻麥稈高度均值或估算值，α為調(diào)整系數(shù)。

步驟S500、對濾波處理后的所述檢測數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分計算，將差分結(jié)果與設(shè)定的閾值δ比較，得到大于閾值δ的數(shù)據(jù)點(diǎn)的序號j，由此確定已收割區(qū)域8與未收割區(qū)域7的分界點(diǎn)，并根據(jù)所述激光傳感器3的安裝位置偏差Δx，和所述分界點(diǎn)在軸Ox上的投影x_j和割臺1寬度d₀，計算實際割幅d_s為：

所述步驟S500中對Oz軸方向濾波處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分計算，離散數(shù)據(jù)一階差分定義公式如下：

其中ε_k為第k點(diǎn)數(shù)據(jù)差分值。

以上各步可同時進(jìn)行，激光傳感器3的檢測數(shù)據(jù)通過CAN總線實時傳輸，在車載監(jiān)控器5上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計算，推算得到聯(lián)合收割機(jī)的實時割幅值，推算得到的割幅值在車載監(jiān)控器5進(jìn)行實時顯示與存儲。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。