一种联合收获机割台高度实时监测装置及方法

1.本发明涉及农业机械领域，具体地，涉及一种联合收获机割台高度实时监测装置及方法。


背景技术：

2.当前随着农业机械化的不断普及，联合收获机作为一种重要的农业机械设备在谷物收获中得到了越来与越广泛的应用。其中割台作为联合收获机的关键部件，为了提高谷物收获质量，在收获过程中需要对割台高度进行实时监测并将其显示出来。目前的割台高度监测方法为在控制割台升降的液压油缸上布置拉线传感器或推杆传感器，经过计算，反应出割台的离地高度。这种监测方法的缺陷在于传感器安装在液压缸上并不能直观的反应割台的离地高度，且对于不同厂家的油缸在零位时，与水平面的角度不同，计算割台高度时的比例参数不同，因此需要进行割台初始位置的标定和校对，该过程存在人为误差且操作较为繁琐，同时传感器布置在液压缸附近容易损坏。
3.因此，一种直观可靠，实时性好的联合收获机割台高度监测装置及方法是目前市场所迫切需要的，该装置和方法需能实时监测并显示割台离地高度，以便驾驶员观测和调控。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于为了克服上述问题或至少部分解决上述问题而提供一种直观可靠，实时性强的联合收获机割台高度监测装置及方法。
5.本发明通过以下技术方案来实现上述目的。
6.一种联合收获机割台高度实时监测装置，该装置包括：地面高度变化感知模块，应变信号采集模块，数据处理模块，数据显示模块：其中，所述地面高度变化感知模块包括柔性仿形臂，用于实时感知地面的高度变化并产生相应的形变；所述应变信号采集模块包括电阻应变片传感器，用于实时采集柔性仿形臂特定部位的应变信号；所述数据处理模块包括plc控制器，用于对设定割台目标高度值，接收数据采集模块采集的应变信号作分析计算处理，得到割台实时高度值及割台高度变化值，并将这三个值传递至数据显示模块；所述数据显示模块与数据处理模块之间通信，接收数据处理模块传递来的割台目标高度值，割台实时高度值，割台高度变化值，并将这三个值通过显示器实时显示出来供驾驶员查看。
7.进一步的，所述的一种联合收获机割台割台高度实时监测装置，所述柔性仿形臂固定端固定在安装基座上，所述安装基座包括连接底板，角度调节支座。
8.进一步的，所述的一种联合收获机割台高度实时监测装置，所述角度调节支座包
括调节孔阵及安装孔，所述连接臂一端与所述角度调节支座固定角度连接，连接臂另一端与所述柔性仿形臂固定连接，其中所述固定角度为可调角度，通过调节连接臂安装孔在角度调节支座中的不同安装位置进行安装角度调节。
9.进一步的，所述的一种联合收获机割台高度实时监测装置，其中所述数据处理模块与数据显示模块，均安装在驾驶室内。
10.一种联合收获机割台高度实时监测方法，包括以下步骤：s1地面高度变化感知模块感知地面的高低起伏变化，将地面高度变化信号实时转变为柔性仿形臂特定部位的应变信号；s2应变信号采集模块采集柔性仿形臂特定部位的应变信号，将应变信号实时传递至数据处理模块；s3数据处理模块计算处理应变信号，根据所述柔性仿形臂特定部位的应变信号与柔性仿形臂触地端挠度变化值之间的实验标定关系实时得到仿形臂触地端的挠度变化值。根据所述柔性仿形臂触地端的挠度变化值与割台的高度变化值的定量关系可进一步得到割台的实时高度值；s4数据显示模块与数据处理模块之间通信，将割台实时高度通过显示模块直观的显示出来。
11.进一步的，所述的联合收获机割台高度实时监测方法，所述步骤s1中地面高度变化感知模块包括所述柔性仿形臂，所述柔性仿形臂触地端与地面始终保持接触，通过所述柔性仿形臂特定部位的形变来响应地面高度变化；其中所述柔性仿形臂的特定部位与柔性仿形臂固定端的距离可调，所述柔性仿形臂固定端通过安装基座固定在割台上。
12.进一步的，所述的联合收获机割台高度实时监测方法，所述步骤s2中应变信号采集模块通过电阻应变片式传感器采集所述柔性仿形臂的特定部位的应变信息。
13.进一步的，所述的联合收获机割台高度实时监测方法，所述步骤s3中，包括：第一步：通过实验标定所述柔性仿形臂的特定部位的应变信号与所述柔性仿形臂触地端的挠度值之间的关系；通过如下公式表征所述标定关系：wb＝f(εx)；其中wb为所述柔性仿形臂触地端的挠度值，εx为所述柔性仿形臂特定部位的应变；第二步：基于柔性仿形臂的特定部位的应变信号与所述柔性仿形臂触地端的挠度值之间的标定关系分别计算设定割台目标高度处对应的柔性仿形臂触地端的挠度值，以及处于收割作业过程中某一时刻的柔性仿形臂触地端挠度值，通过所述数据处理模块计算处理得到柔性仿形臂触地端的挠度变化值；通过如下公式表征所述柔性仿形臂触地端挠度变化值:w
b0
＝f(εx0)；w
bt
＝f(εx
t
)；δw＝w
bt-w
b0
；其中εx0表示设定割台目标高度处对应柔性仿形臂的特定部位处的应变值，εx
t
表示收割作业过程中某一时刻柔性仿形臂特定部位处的应变值，δw为所述柔性仿形臂触地
端挠度变化值，w
bt
为工作状态中某一时刻柔性仿形臂触地端挠度值，w
b0
为设定割台目标高度处对应的仿形臂触地端的挠度值；第三步：所述柔性仿形臂触地端的挠度变化值与割台的高度变化值的定量关系基于所述柔性仿形臂触地端挠度变化值以及所述柔性仿形臂固定端在竖直方向的安装角的正弦值确定；通过如下公式表征所述定量关系：δh＝δh；其中，δh为柔性仿形臂在竖直方向的高度变化值，δw为所述柔性仿形臂触地端挠度变化值，为所述柔性仿形臂固定端在竖直方向安装角的正弦值，δh为割台在竖直方向的离地高度变化值。
14.本发明的有益效果在于：
15.1、本发明的地面高度变化感知模块通过柔性仿形臂的形变实时的感知地面高度变化，经过计算处理可以直接得到割台离地高度变化，避免了以往使用在割台油缸附件布置拉线传感器间接测量割台离地高度时需要标定校对割台初始位置的繁琐步骤及产生的误差。
16.2、本发明通过设置数据显示模块，将目标割台高度、割台实时高度，割台高度变化值直观清晰的显示出来，为驾驶员对割台高度的调控提供参考。
17.3、本发明包括了一种可调角度的柔性仿形臂安装基座，可根据实际作业时的不同作物或割台要求的割台离地高度，选取合适的柔性仿形臂安装角度，而不必更换不同长度的仿形臂，能满足各类作物的收割要求，因此可以将本发明广泛应用于各类需要测定割台高度的收割机上，市场前景广阔。
附图说明
18.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
19.在附图中：图1示出了根据本发明的一种联合收获机割台高度实时监测装置结构示意图；图2示出了根据本发明的一种联合收获机割台高度实时监测装置安装示意图；图3示出了根据本发明的一种联合收获机割台高度实时监测方法流程图；图4示出了根据本发明的一种联合收获机割台离地高度变化值计算方法原理示意图。
具体实施方式
20.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
21.如图1、图2所示，图1提供了根据本发明实施例的一种联合收获机割台高度实时监测装置结构示意图，图2提供了根据本发明的一种联合收获机割台高度实时监测装置安装示意图。
22.安装基座2包括连接底板21、角度调节支座22，连接底板21包括两组对称布置的安装孔211，通过螺栓与割台1固定连接。角度调节支座22两侧边形状为一四分之一的圆弧形状，在角度调节支座22边缘附近布置了两两相对的调节孔阵221，并在调节孔阵221所对应的圆心部位布置一组相对的安装孔222。连接臂3两侧面布置了两组螺纹孔，两组螺纹孔之间的中心距离与角度调节支座22上布置的调节孔阵221至安装孔222之间的距离一致，安装时靠近连接臂3端部的一组螺纹孔31与角度调节支座22上布置的安装孔222通过螺栓固定连接，连接臂3侧面上的另一组螺纹孔32可根据实际割台目标离地高度设定要求与调节孔阵221中的其中一组调节孔固定连接。当割台目标离地高度设置的较低时，应选择调节孔阵221中与调节孔222的连线与竖直方向夹角较大的一组调节孔与连接臂3上的螺纹孔32连接，这有利于保护柔性仿形臂4，使其在工作过程中避免形变量过大而损坏，当割台目标离地高度设置的较高时，应选择调节孔阵221中与安装孔222的连线与竖直方向夹角较小的一组调节孔与连接臂3上的螺纹孔32连接，这有利于保证工作过程中柔性仿形臂4与地面始终保持接触并随着地面起伏产生相应的变形量。
23.连接时连接臂3应置于角度调节支座的两侧板的内部，连接臂3的两侧面分别与角度调节支座22的两侧边内表面接触，限制连接臂3的的侧向位移。
24.柔性仿形臂4的固定端41布置了两个螺纹孔，与连接臂3通过螺栓固定连接，柔性仿形臂4的触地端42与地面6始终保持接触。
25.电阻应变片传感器5布置在柔性仿形臂的特定部位43处，其中特定部位43处为柔性仿形臂4中距离其固定端41长度为l0处的位置。在本发明实施例中对距离l0不做具体限定，即特定部位43处与柔性仿形臂4固定端41之间的距离设置为可调，l0的设定应使得特定部位43处在柔性仿形臂4触地端42与地面接触受力产生形变时该处能产生一个较大的形变信号，进而使得安装在特定部位43处的电阻应变片传感器产生一个较大的应变信号，便于后续模块对信号的处理，设定柔性仿形臂3未发生形变时其固定端41与触地端42之间的距离为l。本发明实施例对电阻应变片传感器布置在柔性仿形臂4特定部位43处的具体部位及具体布置方式均不做限定。
26.如图3所示，本发明实施例提供了一种联合收获机割台高度实时监测方法，包括：
27.s1地面高度变化感知模块感知地面的高低起伏变化，将地面高度变化信号实时转变为柔性仿形臂特定部位的应变信号；
28.s2应变信号采集模块采集柔性仿形臂特定部位的应变信号，将应变信号实时传递至控制器；
29.s3数据处理模块计算处理应变信号，根据所述柔性仿形臂的特定部位的应变信号与柔性仿形臂触地端挠度变化值之间的实验标定关系实时得到仿形臂触地端的挠度变化值。根据所述柔性仿形臂触地端的挠度变化值与割台的离地高度变化值的定量关系可进一步得到割台的实时离地高度变化值及割台实时离地高度值；
30.s4数据显示模块与数据处理模块之间通信，将割台目标离地高度值，割台实时离地高度值及割台离地高度变化值显示出来。
31.在采用本发明实施例中提供的一种联合收获机割台高度实时监测方法监测割台1的高度时，割台高度设定为柔性仿形臂4固定端41在割台的安装面与地面之间的距离。收割作业开始前，驾驶员首先根据作业要求通过安装在驾驶室内的数据处理模块设定割台的目
标离地高度h0，割台动作至目标高度h0处。
32.如图4所示出的是根据本发明的割台离地高度变化值计算方法原理示意图，当设定割台动作至目标高度h0时对应确定柔性仿形臂4的初始形变状态，图4中通过ab段表示柔性仿形臂4对应割台目标高度处的初始形变状态，ac段表示收割作业过程中某一时刻当地面高度下降时柔性仿形臂4的形变状态；ad段表示收割作业过程中某一时刻当地面高度升高时柔性仿形臂4的形变状态；ae段表示柔性仿形臂4未发生形变时的状态，其中a点表示柔性仿形臂4的固定端41的固定点，b点表示柔性仿形臂4触地端42在初始变形状态时的触地点，c点表示某一时刻当地面高度下降时柔性仿形臂4触地端42的触地点，d点表示某一时刻当地面高度上升时柔性仿形臂4触地端42的触地点，e点设定为柔性仿形臂4的预期触地点，需要说明的是b点c点d点e点只是不同时刻柔性仿形臂4触地端42与地面的接触点，这四点在柔性仿形臂4触地端42上为同一点。如图4中通过ao段表示柔性仿形臂4固定端41在割台的安装面,随后收割机向前行进进行收割作业，割台高度实时监测装置开始执行监测步骤s1,地面高度变化感知模块感知地面6的高低起伏变化，将地面6高度变化信号实时转变为柔性仿形臂特定部位43处的应变信号；其中柔性仿形臂4可选择由合成橡胶，天然橡胶，纤维增强塑料等可弹性变形材料制成，本发明实施例对此不做具体限定。
33.接着执行步骤s2,应变信号采集模块采集柔性仿形臂特定部位的应变信号，将应变信号实时传递至数据处理模块；其中应变信号采集模块本发明实施例采用电阻应变片传感器5，数据处理模块采用plc控制器。随后执行监测步骤s3,数据处理模块计算处理应变信号，根据所述柔性仿形臂特定部位43处的应变信号与柔性仿形臂触地端42处挠度值之间的实验标定关系实时得到仿形臂触地端42的挠度变化值。根据所述柔性仿形臂触地端42的挠度变化值与割台1的离地高度变化值的定量关系可进一步得到割台的实时离地高度变化值及割台实时离地高度值；
34.所述柔性仿形臂特定部位43处的应变信号与柔性仿形臂触地端42处挠度定量关系通过实验进行标定，通过如下公式表征所述标定关系：wb＝f(εx)；其中wb为所述柔性仿形臂触地端的挠度值，εx为所述柔性仿形臂特定部位43处的应变值；f为实验标定的所述柔性仿形臂的特定部位的应变信号与所述柔性仿形臂触地端的挠度值之间的关系。
35.基于柔性仿形臂特定部位43处的应变信号与所述柔性仿形臂触地端42的挠度值之间的标定关系，分别计算设定割台目标高度处对应的柔性仿形臂触地端42的挠度值w
b0
及处于工作状态中某一时刻的柔性仿形臂触地端42挠度值w
bt
，通过所述plc控制器计算处理得到柔性仿形臂触地端的挠度变化值；通过如下公式表征所述柔性仿形臂触地端挠度变化值:w
b0
＝f(εx0)；w
bt
＝f(εx
t
)；δw＝w
bt-w
b0
；其中εx0表示设定割台目标高度处对应柔性仿形臂特定部位43处的应变值，εx
t
表示收割作业过程中某一时刻柔性仿形臂特定部位43处的应变值，δw为所述柔性仿形臂触地端挠度变化值，w
bt
为收割作业过程中某一时刻柔性仿形臂触地端挠度值，w
b0
为设定割台
目标高度处对应的仿形臂触地端的挠度值；
36.所述柔性仿形臂触地端42的挠度变化值δw与割台的高度变化值δh的定量关系基于所述柔性仿形臂触地端挠度变化值δw以及所述柔性仿形臂固定端在竖直方向的安装角的正弦值确定；通过如下公式表征所述定量关系：δh＝δh；其中，δh为柔性仿形臂3在竖直方向的高度变化值，δw为柔性仿形臂触地端挠度变化值，为所述柔性仿形臂固定端在竖直方向的安装角的正弦值，δh为割台在竖直方向的离地高度变化值。
37.如图4仅对柔性仿形臂4分别处于ad段与ab段的形变状态时的挠度变化值与割台高度变化值给出了示意说明。柔性仿形臂4的安装角通过调节连接臂3在安装基座2的角度调节支座22中的安装位置进行确定。此时bd段表示柔性仿形臂4触地端42的挠度变化值δw，由几何关系bd段与过b点作的水平线夹角为柔性仿形臂4的安装角柔性仿形臂4在竖直方向的高度变化值δh为挠度变化值δw乘上安装角的正弦值由于柔性仿形臂4固定端41通过连接臂3及安装基座2固定安装在割台1上，柔性仿形臂4在竖直方向的变化高度δh即为割台在竖直方向的高度变化值δh。
38.最后执行监测步骤s4,数据显示模块与数据处理模块之间通信，将割台目标离地高度值h0，割台实时离地高度值h1及割台离地高度变化值δh直观清晰的显示出来，方便驾驶员实时观测。其中所述数据显示模块包括安装在收割机驾驶室的显示器，显示器与数据处理模块包括的plc控制器通信，通信方式采用基于控制器局域网总线的通信协议进行。
39.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种联合收获机割台高度实时监测装置，其特征在于，该装置包括：地面高度变化感知模块，应变信号采集模块，数据处理模块，数据显示模块：其中，所述地面高度变化感知模块具体包括柔性仿形臂，用于实时感知地面的高度变化并产生相应的形变；所述应变信号采集模块具体包括电阻应变片传感器，用于实时采集柔性仿形臂特定部位的应变信息；所述数据处理模块包括plc控制器，用于设定割台目标离地高度值，接收数据采集模块采集的应变信号并作分析计算处理，得到割台实时离地高度值及割台离地高度变化值，并将这三个值传递至数据显示模块；所述数据显示模块与数据处理模块之间通信，接收数据处理模块传递来的割台目标离地高度值，割台实时离地高度值，割台离地高度变化值，并将这三个值通过显示器实时显示出来供驾驶员查看。2.根据权利要求1所述的一种联合收获机割台高度实时监测装置，其特征在于，所述柔性仿形臂固定端通过连接臂固定在安装基座上，安装基座固定安装在割台上，所述安装基座包括连接底板，角度调节支座。3.根据权利要求2所述的一种收割机割台高度实时监测装置，其特征在于，所述角度调节支座包括调节孔阵及安装孔，所述连接臂一端与所述角度调节支座固定角度连接，连接臂另一端与所述柔性仿形臂固定连接，其中所述固定角度为可调角度，通过调节连接臂安装孔在角度调节支座中的不同安装位置进行安装角度调节。4.根据权利要求1所述的一种联合收获机割台高度实时监测装置，其特征在于，其中所述数据处理模块与数据显示模块，均安装在驾驶室内。5.一种联合收获机割台高度实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1地面高度变化感知模块感知地面的高低起伏变化，将地面高度变化信号实时转变为柔性仿形臂特定部位的应变信号；s2应变信号采集模块采集柔性仿形臂特定部位的应变信号，将应变信号实时传递至数据处理模块；s3数据处理模块计算处理应变信号，根据所述柔性仿形臂特定部位的应变信号与柔性仿形臂触地端挠度变化值之间的实验标定关系实时得到柔性仿形臂触地端的挠度变化值，根据所述柔性仿形臂触地端的挠度变化值与割台的离地高度变化值的定量关系可进一步得到割台的实时离地高度变化值及割台实时离地高度值；s4数据显示模块与数据处理模块之间通信，将割台目标离地高度值h0，割台实时离地高度值h1及割台离地高度变化值δh显示出来。6.根据权利要求5所述的一种联合收获机割台高度实时监测方法，其特征在于，所述步骤s1中地面高度变化感知模块包括所述柔性仿形臂，所述柔性仿形臂触地端与地面始终保持接触，通过所述柔性仿形臂特定部位的形变来响应地面高度变化；其中所述柔性仿形臂的特定部位与柔性仿形臂固定端的距离可调，所述柔性仿形臂固定端通过连接臂固定在安装基座上。7.根据权利要求5所述的一种联合收获机割台高度实时监测方法，其特征在于，所述步骤s2中应变信号采集模块通过电阻应变片式传感器采集所述特定部位的应变信息。
8.根据权利要求5所述的一种联合收获机割台高度实时监测方法，其特征在于，所述步骤s3中，包括：第一步：通过实验标定所述柔性仿形臂特定部位的应变信号与所述柔性仿形臂触地端的挠度值之间的关系；通过如下公式表征所述关系：w
b
＝f(εx)；其中w
b
为所述柔性仿形臂触地端的挠度值，εx为所述柔性仿形臂特定部位的应变；f为实验标定的所述柔性仿形臂特定部位的应变信号与所述柔性仿形臂触地端的挠度值之间的函数关系；第二步：基于柔性仿形臂特定部位的应变信号与所述柔性仿形臂触地端的挠度值之间的定量关系分别计算设定割台目标高度处对应的柔性仿形臂触地端的挠度值及处于工作状态中某一时刻的柔性仿形臂触地端挠度值，通过所述控制器计算处理得到柔性仿形臂触地端的挠度变化值；通过如下公式表征所述柔性仿形臂触地端挠度变化值:w
b0
＝f(εx0)；w
bt
＝f(εx
t
)；δw＝w
bt-w
b0
其中，εx0表示设定割台目标高度处对应柔性仿形臂特定部位处的应变值，εx
t
表示收割作业过程中某一时刻柔性仿形臂特定部位处的应变值，δw为所述柔性仿形臂触地端挠度变化值，w
bt
为工作状态中某一时刻柔性仿形臂触地端挠度值，w
b0
为设定割台目标高度处对应的仿形臂触地端的挠度值；第三步：所述柔性仿形臂触地端的挠度变化值与割台的高度变化值的定量关系基于所述柔性仿形臂触地端挠度变化值以及所述柔性仿形臂固定端在竖直方向的安装角的正弦值确定；通过如下公式表征所述定量关系：δh＝δh；其中，δh为柔性仿形臂在竖直方向的高度变化值，δw为所述柔性仿形臂触地端挠度变化值，为所述柔性仿形臂固定端在竖直方向的安装角的正弦值，δh为割台在竖直方向的离地高度变化值。9.根据权利要求5所述的一种联合收获机割台高度实时监测方法，其特征在于，所述步骤s4中割台目标离地高度通过所述步骤s3中的数据处理模块设定。

技术总结
本发明公开了一种联合收获机割台高度实时监测装置及方法。首先利用地面高度变化感知模块感知地面的高度变化，将地面高度变化信号实时转变为柔性仿形臂特定部位的应变信号，随后利用应变信号采集模块采集所述应变信号并将其实时传递至数据处理模块，接着所述数据处理模块对应变信号进行计算处理得到柔性仿形臂触地端的挠度变化值，基于所述触地端挠度变化值与割台的高度变化值之间的定量关系可得到割台的实时高度值，最后数据显示模块与所述数据处理模块之间通信，将割台实时高度通过显示模块直观的显示出来，方便驾驶员观测和调控，本发明克服了现有技术中在割台油缸附近布置拉线传感器间接获取割台高度过程中实时性不足且精度不高的缺陷。不足且精度不高的缺陷。不足且精度不高的缺陷。


技术研发人员：黄毅 周涛 任子誉 邓磊 舒勤 汤麒英 郭金梦 胡明
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/16