一种玉米收获机低损脱粒控制系统及方法

摘要

本发明涉及一种玉米收获机低损脱粒控制系统及方法，属于农业自动化领域。该系统包括CAN总线、测量变送装置、显示器、按键板、操作手柄、控制器和执行机构；执行机构包括连接有作业速度控制电液比例阀、作业速度控制变量泵的作业速度控制液压马达、脱粒滚筒转速控制调速电机和凹板间隙控制调距电机；测量变送装置包括籽粒破碎检测模块、作业速度传感器、脱粒滚筒转速传感器和凹板间隙传感器。本发明能完成电控手动调节各工作参数，还可以根据玉米收获过程中收获质量、作物状态及机器运转状态做出决策，智能调控脱粒滚筒转速，凹板间隙，作业速度，使各工作参数紧密协调配合，适应收获作业环境，作物状态等影响，提高玉米收获机收获质量和作业效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种玉米收获机低损脱粒控制系统及方法，属于农业自动化领域。

背景技术

我国是一个农业大国，粮食作物面积广，其中玉米种植面积就有3584余万公顷，约占世界玉米总种植面积的1/4。我国是世界上人口最多的国家，对粮食的收获质量和作业效率要求较高。人工收获玉米的劳动强度大、工作效率低、产量损耗大。采用联合收获机进行收获作业，可以降低人员的劳动强度和粮食损耗，还可以提高收获效率和质量。自二十世纪八十年代以来，国外发达国家以全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感系统(RS)、智能农机和农业专家系统等信息技术为基础的“精细农作”在全球农业领域里逐步兴起，而智能化精准农机是“精细农作”的基础，目前我国玉米收获机智能控制装置尚未能完全达到实用化。玉米低损脱粒收获受田间作物密度、作物含水率、甚至地形各种因素影响，保证实时调节玉米收获机工作参数来适应各种影响因素，有利于提高收获质量和作业效率。目前，玉米收获机的控制对象主要是作业速度、凹板间隙、脱粒滚筒转速等，各参数调节基本独立，没有有效地实现各工作参数彼此配合，实现自适应调节。

玉米低损脱粒收获不仅受田间作物密度、作物含水率、甚至地形各种因素影响，而且受玉米收获机工作参数的影响，需要实时调节玉米收获机工作参数达到最优工作范围。而目前玉米收获机控制功能单一，各参数无法联合调控，收获作业时存在籽粒破碎，损失严重的情况。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种玉米收获机低损脱粒控制系统及方法。该系统能完成电控手动调节各工作参数，还可以根据玉米收获过程中收获质量、作物状态及机器运转状态做出决策，智能调控脱粒滚筒转速，凹板间隙，作业速度，使各工作参数紧密协调配合，适应收获作业环境，作物状态等影响，提高玉米收获机收获质量和作业效率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种玉米收获机低损脱粒控制系统，所述玉米收获机包括变速箱41、籽粒升运器44、凹板45、脱粒滚筒46和发动机50，脱粒滚筒46的转轴连接无极变速装置47。该系统包括CAN总线、测量变送装置10、显示器12、按键板13、操作手柄14、控制器20和执行机构30。

所述执行机构30包括连接有作业速度控制电液比例阀31、作业速度控制变量泵32的作业速度控制液压马达33、脱粒滚筒转速控制调速电机34和凹板间隙控制调距电机35。

所述作业速度控制液压马达33与变速箱41连接，用于控制变速箱41的输出转速；所述脱粒滚筒转速控制调速电机34与脱粒滚筒46的无级变速装置47连接，用于控制脱粒滚筒46的转速；所述凹板间隙控制调距电机35与凹板45的间隙调整装置连接，用于调整凹板45间隙。

所述测量变送装置10包括籽粒破碎检测模块11、作业速度传感器15、脱粒滚筒转速传感器16和凹板间隙传感器17。

所述籽粒破碎检测模块11安装于籽粒升运器44出口处，籽粒破碎检测模块11通过图像采集籽粒破碎情况，进而获得籽粒破碎率，并经CAN总线，通过控制器20的CAN通讯端口将籽粒破碎率传到控制器20。

所述作业速度传感器15安装于变速箱41上，用于检测行驶车速；

所述脱粒滚筒转速传感器16安装于脱粒滚筒46的前部，检测脱粒滚筒46的转速。

所述凹板间隙传感器17安装于凹板45中部，检测凹板45的间隙。

所述作业速度传感器15、脱粒滚筒转速传感器16和凹板间隙传感器17与控制器20的信号输入端口连接，控制器20通过信号输入端口分别记录作业速度传感器15、脱粒滚筒转速传感器16的脉冲数和凹板间隙传感器17的电流值。

所述控制器20的信号输出端口分别与作业速度控制电液比例阀31、脱粒滚筒转速控制调速电机34和凹板间隙控制调距电机35相连。

所述按键板13、操作手柄14和显示器12通过CAN总线与控制器20的CAN通讯端口连接通讯。

所述玉米收获机低损脱粒控制系统包括6个CAN节点，分别是：籽粒破碎检测模块11、显示器12、按键板13、操作手柄14、控制器20和发动机50；所述CAN总线的传输路径分为标准帧CAN总线和扩展帧CAN总线两条数据传输路径；按键板13、操作手柄14和控制器20组成标准帧CAN总线；籽粒破碎检测模块11、显示器12、控制器20和发动机模块50组成扩展帧CAN总线。

所述控制器20通过CAN总线获取发动机50的转速信息、按键板13和操纵手柄14的操纵指令，以及籽粒破碎检测模块11的籽粒破碎率数据，并将获取的数据发送至显示器12显示。

一种利用所述的玉米收获机低损脱粒控制系统的玉米收获机低损脱粒控制方法，该控制方法包括如下步骤：

(1)作业速度传感器15实时采集作业速度，脱粒滚筒转速传感器16实时采集脱粒滚筒46的转速，凹板间隙传感器17实时采集凹板45的间隙，将采集到作业速度，脱粒滚筒转速、凹板间隙的信息传给控制器20；籽粒破碎检测模块11收集并处理籽粒破碎信息，得到籽粒破碎率，通过CAN总线发送到控制器20；

(2)控制器20根据作业速度，脱粒滚筒转速、凹板间隙以及籽粒破碎率，比对籽粒破碎当量值，利用设定的籽粒破碎控制策略做出决策，向作业速度控制电液比例阀31、脱粒滚筒转速控制调速电机34和凹板间隙控制调距电机35发出控制信号；

(3)控制器20通过不同电流信号控制作业速度控制电液比例阀31的阀口开度，使得作业速度控制变量泵32输出不同的流量，进而控制作业速度控制液压马达33调控变速箱41输出不同转速，从而实现玉米收获机不同速度的行走；控制器20通过控制脱粒滚筒转速控制调速电机34的得电时间长短来改变无级变速装置47的传动比，进而控制脱粒滚筒46的转速；控制器20通过控制凹板间隙控制调距电机35的得电时间长短来控制凹板45的间隙调整装置，进而调整凹板45的间隙，最终实现籽粒损失自适应调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的控制系统实现了手动控制与自动控制的结合，操作方便，能够根据驾驶员需求实时调整工作部件的参数，工作可靠。

(2)本发明的控制系统采用CAN总线集成技术，基于CAN总线，集成玉米收获质量参数在线检测与传感信息处理、故障诊断系统，保证了控制系统信息传输的实时性和可靠性。

(3)本发明的控制系统实现了工作部件电控驱动，驾驶员可以在驾驶室内实现各工作部件参数的调整，方便快捷。

(4)本发明的控制系统通过脱粒滚筒转速、凹板间隙和作业速度等参数对籽粒损伤的影响机理，制定了多参数联合调控策略，实现玉米低损脱粒自适应调控，降低玉米脱粒损失率，提高作业质量。

附图说明

图1为本发明的玉米收获机低损脱粒控制系统的网络拓扑结构图；

图2为本发明的玉米收获机低损脱粒控制系统的组成示意图；

图3为本发明的玉米收获机低损脱粒控制系统的安装位置示意图；

图4为按键板与操作手柄结构示意图；

图5为低损脱粒控制流程图。

其中的附图标记为：

10测量变送装置 11籽粒破碎检测模块

12显示器 13按键板

14操作手柄 15作业速度传感器

16脱粒滚筒转速传感器 17凹板间隙传感器

20控制器 30执行机构

31作业速度控制电液比例阀 32作业速度控制变量泵

33作业速度控制液压马达 34脱粒滚筒转速控制调速电机

35凹板间隙控制调距电机 41变速箱

42驾驶室 43驾驶座椅

44籽粒升运器 45凹板

46脱粒滚筒 47无级变速装置

50发动机

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

玉米收获机包括设有驾驶座椅43的驾驶室42、变速箱41、籽粒升运器44、凹板45、脱粒滚筒46和发动机50。脱粒滚筒46的转轴连接无极变速装置47。

如图1和图2所示，一种玉米收获机低损脱粒控制系统，包括CAN总线、测量变送装置10、显示器12、按键板13、操作手柄14、控制器20和执行机构30。

所述执行机构30包括连接有作业速度控制电液比例阀31、作业速度控制变量泵32的作业速度控制液压马达33、脱粒滚筒转速控制调速电机34和凹板间隙控制调距电机35。

所述作业速度控制液压马达33与变速箱41连接，用于控制变速箱41的输出转速；所述脱粒滚筒转速控制调速电机34与脱粒滚筒46的无级变速装置47连接，用于控制脱粒滚筒46的转速；所述凹板间隙控制调距电机35与凹板45的间隙调整装置连接，用于调整凹板45间隙。

所述测量变送装置10包括籽粒破碎检测模块11、作业速度传感器15、脱粒滚筒转速传感器16和凹板间隙传感器17。

所述籽粒破碎检测模块11安装于籽粒升运器44出口处，籽粒破碎检测模块11通过图像采集籽粒破碎情况，进而获得籽粒破碎率，并经CAN总线，通过控制器20的CAN通讯端口将籽粒破碎率传到控制器20。

所述作业速度传感器15安装于变速箱41上，用于检测行驶车速。

所述脱粒滚筒转速传感器16安装于脱粒滚筒46的前部，用于检测脱粒滚筒46的转速。

所述凹板间隙传感器17安装于凹板45中部，用于检测凹板45的间隙。

所述作业速度传感器15、脱粒滚筒转速传感器16和凹板间隙传感器17与控制器20的信号输入端口连接，控制器20通过信号输入端口分别记录作业速度传感器15、脱粒滚筒转速传感器16的脉冲数和凹板间隙传感器17的电流值。

所述控制器20的信号输出端口分别与作业速度控制电液比例阀31、脱粒滚筒转速控制调速电机34和凹板间隙控制调距电机35相连。

控制器20通过不同电流信号控制作业速度控制电液比例阀31的阀口开度，不同的阀口开度使得作业速度控制变量泵32输出不同的流量，进而控制作业速度控制液压马达33调控变速箱41输出不同转速，从而实现玉米收获机不同速度的行走。控制器20通过控制脱粒滚筒转速控制调速电机34的得电时间长短来改变无极变速装置47的传动比，进而控制脱粒滚筒46的转速。控制器20通过控制凹板间隙控制调距电机35的得电时间长短来控制凹板45的间隙调整装置，进而调整凹板45的间隙。

显示器12、按键板13和操作手柄14安装于驾驶室42内，方便驾驶员观察与操作。按键板13和操作手柄14的机构如图3所示。所述按键板13和操作手柄14通过CAN总线与控制器20的CAN通讯端口连接通讯。其中，按键板13用于进行驻车模式、道路模式和作业模式共三种行车模式，以及手动控制和自动控制两种收获模式的选择。按键板13还用于手动控制模式下进行凹板间隙控制和脱粒滚筒转速控制。操作手柄14用于玉米收获机前进、倒车、驻车、加速、减速，实现手动控制模式下的作业速度控制。所述显示器12通过CAN总线与控制器20的CAN通讯端口连接通讯。

如图4所示，所述玉米收获机低损脱粒控制系统采用CAN总线进行数据的实时传输，该系统共有6个CAN节点，分别是：籽粒破碎检测模块11、显示器12、按键板13、操作手柄14、控制器20和发动机50。所述CAN总线的传输路径分为标准帧CAN总线和扩展帧CAN总线两条数据传输路径，按键板13、操作手柄14和控制器20组成标准帧CAN总线；籽粒破碎检测模块11、显示器12、控制器20和发动机模块50组成扩展帧CAN总线。

显示器12用于玉米收获机道路行驶和收获作业过程中的常规车电和工作参数的显示，也用于工作参数设定，工作部件的调节，报警信息显示，故障诊断等，方便驾驶员查看玉米收获机情况并及时处理故障，实现人机交互。

所述控制器20通过CAN总线获取发动机50的转速信息，判断当前发动机转速是否满足玉米收获作业条件。控制器20通过标准帧CAN总线获取按键板13和操纵手柄14的操纵指令，进行模式选择以及凹板间隙控制、脱粒滚筒转速控制和作业速度控制。控制器20通过扩展帧CAN总线获取籽粒破碎检测模块11的籽粒破碎率数据。控制器20将获取的数据(包括发动机转速、作业速度、凹板间隙、脱粒滚筒转速和籽粒破碎率)发送至显示器12显示。

本发明提供一种玉米收获机低损脱粒控制方法，能够实现玉米收获机在脱粒过程中的多参数自适应控制，该控制方法包括如下具体步骤：

1、作业速度传感器15实时采集作业速度，脱粒滚筒转速传感器16实时采集脱粒滚筒46的转速，凹板间隙传感器17实时采集凹板45的间隙，将采集到作业速度，脱粒滚筒转速、凹板间隙的信息传给控制器20；籽粒破碎检测模块11收集并处理籽粒破碎信息，得到籽粒破碎率，通过CAN总线发送到控制器20；

2、控制器20根据作业速度，脱粒滚筒转速、凹板间隙以及籽粒破碎率，比对籽粒破碎当量值，利用设定的籽粒破碎控制策略做出决策，向作业速度控制电液比例阀31、脱粒滚筒转速控制调速电机34和凹板间隙控制调距电机35发出控制信号；

3、控制器20通过不同电流信号控制作业速度控制电液比例阀31的阀口开度，使得作业速度控制变量泵32输出不同的流量，进而控制作业速度控制液压马达33调控变速箱41输出不同转速，从而实现玉米收获机不同速度的行走；控制器20通过控制脱粒滚筒转速控制调速电机34的得电时间长短来改变无级变速装置47的传动比，进而控制脱粒滚筒46的转速；控制器20通过控制凹板间隙控制调距电机35的得电时间长短来控制凹板45的间隙调整装置，进而调整凹板45的间隙，最终实现籽粒损失自适应调控。

所述籽粒破碎当量值为预设的籽粒破碎率的允许值。

步骤2中所述籽粒破碎控制策略为根据各传感器采集的数据，制定的速度控制电液比例阀31、脱粒滚筒转速控制调速电机34和凹板间隙控制调距电机35的相应动作，以最佳参数组合作业达到最小籽粒破碎。

如图5所示，本发明的工作过程如下：

驾驶员可以通过按键板13选择驻车模式、道路模式和作业模式三种行车模式，以及手动控制模式和自动控制模式两种收获模式。

驻车模式下，发动机50处于怠速，脱粒滚筒转速、凹板间隙和作业速度不可调节且脱粒滚筒转速为零、凹板间隙处于停车前的开度、作业速度为零。

道路模式下，脱粒滚筒转速和凹板间隙状态与驻车模式下相同，作业速度可以调节，通过加减油门可以实现作业速度的加减。

作业模式下，脱粒滚筒转速、凹板间隙和作业速度均可调节，此时收获模式可以通过按键板13的手动与自动控制按键分为手动控制和自动控制两种收获模式。

手动控制模式：

籽粒破碎检测模块11收集并处理籽粒破碎信息通过CAN总线发送到显示器12上，驾驶员观察显示器12上显示的籽粒破碎率。

当籽粒破碎率过高时，驾驶员设置按键板13上的凹板间隙开度控制按键，凹板间隙控制信号通过CAN总线传输给控制器20，控制器20对凹板间隙控制调距电机35进行控制，实现调整凹板间隙开度，凹板间隙传感器17将凹板间隙位移信号传给控制器20，控制器20进行数据分析与处理，将凹板间隙通过CAN总线传给显示器12，实时显示当前的凹板间隙，实现人机交互；

当籽粒破碎过高时，驾驶员设置按键板13上的脱粒滚筒转速控制加减按键，脱粒滚筒转速控制信号通过CAN总线传输给控制器20，控制器20对脱粒滚筒转速控制调速电机34进行控制，实现脱粒滚筒转速加减，脱粒滚筒转速传感器16将脱粒滚筒转速脉冲信号传给控制器20，控制器20进行数据分析与处理，将脱粒滚筒转速通过CAN总线传给显示器12，实时显示当前的脱粒滚筒转速，实现人机交互；

当籽粒破碎过高时，驾驶员设置操纵手柄14，作业速度控制信号通过CAN总线传输给控制器20，控制器20对作业速度控制电液比例阀31、作业速度控制变量泵32、作业速度控制液压马达33进行控制，实现调整作业速度大小，作业速度传感器15将作业速度脉冲信号传给控制器20，控制器20进行数据分析与处理，将作业速度通过CAN总线传给显示器12，实时显示当前的作业速度，实现人机交互。

自动控制模式：

籽粒破碎检测模块11收集并处理籽粒破碎信息通过CAN总线发送到控制器20上，作业速度传感器15、脱粒滚筒转速传感器16、凹板间隙传感器17将采集到的作业速度，脱粒滚筒转速、凹板间隙的信息传给控制器20，控制器20根据当前的作业速度、脱粒滚筒转速、凹板间隙和籽粒破碎率的信息，比较上述信息设定的当量值利用设定好的低损脱粒控制策略进行决策，发出控制信号。若籽粒破碎率不超过设定的当量值，玉米收获机保持当前的工作状态继续作业，当籽粒破碎率超过设定的当量值时，低损脱粒控制系统根据设定好的低损脱粒控制策略进行决策，发出控制信号，以籽粒破碎率为反馈，进行周期性调节，单个调节周期内，凹板间隙控制调距电机35根据设定好的凹板间隙调节值进行凹板间隙增大，脱粒滚筒转速控制调速电机34根据设定好的脱粒滚筒转速调节值进行脱粒滚筒转速减小，作业速度控制电液比例阀31、作业速度控制变量泵32、作业速度控制液压马达33根据设定好的作业速度调节值进行作业速度的减小，该周期调节完成后，再次进行籽粒破碎率与设定的当量值比较，若籽粒破碎率不超过设定的当量值，玉米收获机保持当前工作状态继续作业，若籽粒破碎率超过设定的当量值，玉米收获机重复上一个调节周期的调节过程，当凹板间隙、脱粒滚筒转速、作业速度达到调节设置的极限位置时或者籽粒破碎率满足设定要求时，玉米收获机调节完成，保持当前工作状态继续作业，实现多参数自适应调控，显示器12显示当前籽粒破碎率、脱粒滚筒转速、凹板间隙、作业速度，实现人机交互。通过上述措施的实时调控，实现玉米收获机低损脱粒的智能控制，降低籽粒破碎率。所述调节周期为玉米收获机两次调节间隔的时间。所述凹板间隙调节值、脱粒滚筒转速调节值、作业速度调节值为一个调节周期内预设的凹板间隙、脱粒滚筒转速、作业速度增大量或者减小量。