谷物聯合收獲機自動測產系統設計—基于變權分層激活擴散模型

楊春華，楊　玲

(保山學院，云南 保山　678000)

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谷物聯合收獲機自動測產系統設計—基于變權分層激活擴散模型

楊春華，楊玲

(保山學院，云南 保山678000)

摘要：為了使聯合收割機具有自動測產功能，提出了一種基于變權分層激活擴散的產量預測誤差剔除模型，并使用單片機設計了聯合收獲機測產系統。測產系統的主要功能是：在田間進行作業時，收割機可以測出當前的運行速度、收獲面積及谷物的總體產量。數據的采集使用霍爾傳感器和電容壓力傳感器，具有較高的精度。模擬信號的處理選用了ADC0804差分式A/D轉換芯片，可以有效地克服系統誤差，數據傳送到單片機處理中心，對每一次轉換都進行一次判斷，利用變權分層激活擴散模型剔除誤差較大的數據，通過計算將數據最終在LCD顯示屏進行顯示。將系統應用在了收割機上，通過測試得到了谷物產量的測量值，并與真實值進行比較，驗證了系統的可靠性。

關鍵詞：聯合收割機；測產系統；變權分層；激活擴散

0引言

隨著農業機械自動化水平的提高，我國傳統農業得到了飛躍式的發展，農業智能化水平也有了顯著提高。糧食生產與國家經濟命脈息息相關，對國家的政治和經濟都會產生非常大的影響，因此對于糧食產量的預測具有重要的意義。聯合收割機在收獲過程中，可以在收割機上安裝傳感器等數據采集儀器，通過對結構的改進，設計出糧食的產量預測系統。本文通過對現有測產系統的改進，提出了一種基于變權分層激活擴散的產量預測誤差剔除模型，并使用單片機設計了聯合收獲機測產系統，是一種糧食總體產量的預測的新方法。

1聯合收獲機自動測產裝置機械結構

谷物聯合收割機自動測產裝置主要分布在糧倉位置，使用傳感器對糧食產量信息進行采集。糧食經過卸糧槽從糧倉卸下，糧倉內的糧食在流出時利用刮板刮平，使糧食在充滿整個糧槽的寬度方向流出。當糧食流動時，計量刮板在糧食的作用下擺動，其擺動的角度α利用角度傳感器可以測量。自動測產裝置總體機械原理結構如圖1所示。

1.卸糧槽　2.導糧板　3.轉角傳感器　4.連桿　5.測速輪

利用自動測產計量裝置可以實時計算出糧食流出時的厚度，其表達式為

h=H-Lcosα

(1)

其中，H為卸糧槽的垂直于糧食流的高度；L為導糧板的長度；α為導糧板的擺動角度。糧食的流出速度v可以利用測速輪測量，最終糧食瞬時流量可以表示為

Q=hvB

(2)

其中，B為卸糧槽的寬度。假設糧食的密度為ρ，則糧食流量的瞬時表達式為

w=Qρ

(3)

通過對時間積分，即可以得到卸糧的質量，則

W=∫wdt

(4)

計算得到糧食的質量后，測量出糧食的面積，便可以計算糧食的具體產量。面積與割幅寬度和行駛距離有關，割幅寬度可以通過超聲傳感器進行測量，其原理如圖2所示。

1.植株叢邊緣　2.發射波　3.回聲　4.傳感器　5.分禾器

超聲波傳感器的測量精度較高，用在割幅的測量上較為理想。傳感器安裝在分禾器上，可以測量麥叢邊緣到分禾器的距離，其測量原理是傳感器發出超聲波之后，超聲波遇到障礙物后反射回來；超聲波反射回來后被傳感器接收，通過折返的時間延遲可以計算出障礙物到收割機的距離。超聲波的測量頻率為1次/s，可以計算出實時的收割寬度，利用公式最終計算出收割面積。

收割面積的表達式為

為驗證模型和模擬結果的準確性，根據文獻[29]設置初始條件，經模擬得到的合成氣成分與文獻值比較，結果見圖2。可知模擬值與文獻值幾乎一致，該模擬較準確地的反映了合成氣的組成，搭建的模型可較好地對聯合 CO2捕集的生物質化學鏈氣化制備合成氣過程進行熱力學平衡分析。

S=Nc1c2D

(5)

其中，N為收割寬度；c1為地輪轉過的脈沖數；c2為脈沖常數；D為地輪當量直徑。糧食產量的測量時會存在誤差，本研究利用變權分層激活擴散的方法對誤差進行剔除，其流程如圖3所示。

1.植株叢邊緣　2.發射波　3.回聲　4.傳感器　5.分禾器

當傳感器完成數據采集后，將采集的信息在保存前進行誤差判斷，判斷方法為變權分層激活擴散方法，對合理的數據進行保存；如果數據不合理，則對數據進行二次判斷，對二次判斷后合理的數據進行保存，對仍然不合理的數據進行剔除。

2變權分層激活擴散模型

為了提高糧食計量的精確性，在測量糧食流量時，可以通過神經網絡方法對記錄數據進行誤差校準，及時進行誤差補償。在糧食流量的測量過程中，其數值是不斷更新的，因此關系權值wij可以使用動態更新權值，其表達式為

(6)

其中，wij(n)為關系權值的平均值；wij(n+1)為根據新的計量數值記錄得到的更新權值。變權分層擴散的基層激活原理圖如圖4所示。

圖4　層次激活擴散過程基層激活原理圖

分層激活擴散過程分為基層激活和擴散層激活，Ra和Rb表示初始激活的計量誤差節點。根節點pr為其他有關系的根節點傳遞激活值之和，其表達式為

(7)

其中，pi為當前節點的初始激活產量記數值誤差；pj為與根節點聯系的節點激活誤差值；wij為二者的權值關系；cs為傳遞過程的衰減系數。

(8)

其中，pu為當前層節點和上層節點相關的計數激活值；pj為節點在同一層相關的誤差激活值；wuf和wij分別表示二者的權值關系；cd為衰減系數，擴散的層數越多，cd的值越小。

圖5　擴散層激活原理圖

3硬件和軟件部分設計

根據自動測產裝置的設計需求，利用變權分層激活擴散模型對硬件和軟件部分進行設計。在硬件部分的設計過程中，采用模塊化設計，主要包括測速電路、主控器、信號采集和放大電路、A/D 轉換電路和液晶顯示電路等，其組成如圖6所示。

圖6　系統硬件設計圖

信號的采集電路選用霍爾傳感器，安裝在收割機測速輪上，當檢測到磁場變化時，霍爾傳感器輸出1個高電平脈沖信號，其結構如圖7所示。

圖7　霍爾傳感器結構圖

霍爾傳感器的工作基于磁效應原理，本次設計的霍爾傳感器體積較小，有3個引腳，包括電源、信號輸出引腳和接地端，如圖8所示。

圖8　傳感器結構原理圖

為了提高谷物聯合收割機的測產系統精度，使用傳感器測重的方法輸出谷物質量，和流量計量方法進行對比，測產系統的精度主要取決于傳感器的精度。傳感器選用壓力傳感器，壓力傳感器在選用時需要考慮精度、靈敏度和安裝環境等一系列因素。綜合考慮，選擇電容傳感器作為稱重傳感器，其軟件流程如圖9所示。

圖9　軟件部分設計流程

軟件部分主要包括I/O端口的初始化、定時計數器初始化及外部程序的開啟，完成數據采集后判斷數據采集是否結束。如果采集結束，則在LCD輸出數據結果。

4聯合收獲機自動測產性能測試

收獲機自動測產系統的性能可以通過設計樣機進行測試，在普通聯合收割機上，按照本文的原理設計測產系統后，利用單片機技術對系統進行控制，并通過軟件編程引入變權分層激活擴散模型。測試樣機如圖10所示。

圖10　收割機測試過程示意圖

利用測產系統的傳感器可以采集得到產量的模擬信號，模擬信號經過A/D轉換可以直接輸出數字信息，數字信息由LCD顯示屏讀出。A/D轉換的過程如圖11所示。

圖11　A/D轉換流程圖

為了使傳感器輸出計算機可以直接處理數據，需要對模擬數據進行A/D轉換，對每一次轉換都進行一次判斷，利用變權分層激活擴散模型剔除誤差較大的數據，然后完成對數據的存儲。

表1為利用聯合收獲機進行測產得到的測試結果。由表1可以看出：預測值和真實值的結果比較接近，說明變權分層激活擴散模型在測產過程中對誤差的判斷較為準確，從而提高了裝置的可靠性。

表1　聯合收獲機測產系統測試結果

5結論

1)基于變權分層激活擴散誤差剔除理論，采用單片機、霍爾傳感器和電容壓力傳感器，設計了一種新的谷物聯合收割機測產系統，并將其裝載到了聯合收割機上；使用ADC0804差分式A/D轉換芯片設計了模數轉換器，并設計了數據結果輸出的LCD顯示屏。

2)在普通的聯合收割機上裝載了測產系統，對谷物的實際產量進行了測試，并將測試結果和實際值進行了對比。由結果對比可以看出：測產系統得到的測試值和實際值基本吻合，從而驗證了測產系統的可靠性。

參考文獻：

[1]嚴雋薇,黃勛,劉敏,等.基于本體用戶興趣模型的個性化推薦算法[J].計算機集成制造系統,2010, 16(12):2757-2762.

[2]樂承毅,代風,吉祥,等.基于流程驅動的領域知識主動推送研究[J]. 計算機集成制造系統,2010, 16(12):2720-2727.

[3]石美紅,王婷,陳永當,等.基于業務過程和知識需求的知識推送系統[J].計算機集成制造系統,2011, 17(4): 882-887.

[4]廖開際,葉東海,席運江.基于相關反饋的個性化知識服務模型研究[J].圖書情報工作,2010(8): 103-107.

[5]介戰.我國谷物隨機損失率測試展望[J]. 農機化研究,2009,31(7):5-9.

[6]周利明,張小超,劉陽春,等.聯合收獲機谷物損失測量 PVDF 陣列傳感器設計與試驗[J].農業機械學報,2010,41(6):167-171.

[7]李俊峰,介戰. 聯合收割機谷物損失測試研究探討[J].農機化研究,2007(12):248-250.

[9]梁振偉,李耀明,趙湛,等.切縱流聯合收獲機夾帶損失監測方法[J].農業工程學報,2012,28(S2):179-183.

[10]李耀明,梁振偉,趙湛,等.聯合收獲機谷物損失實時監測系統研究[J]. 農業機械學報,2011,42(S1):99-102.

[11]徐立章,李耀明,李洪昌,等.縱軸流脫粒分離-清選試驗臺設計[J]. 農業機械學報,2009,40(12):76-79.

[12]唐忠,李耀明,趙湛,等.夾帶損失傳感器不同安裝位置對籽粒檢測精度的影響[J].農業工程學報,2012,28(10):46-52.

[13]張玉龍,歐陽斌林,等.基于GPS技術的收獲機監測系統的研究[J].農機化研究,2010,32(1):37-39.

[14]周賢龍,朱瑞祥,周賢娟,等.基于傳感器技術的谷物聯合收獲機清選損失監測系統[J].農機化研究,2012,34(2):85-87.

[15]仇華錚,陳樹人,張林林.谷物產量智能測產監測器的設計與試驗[J].農機化研究,2013,35(2):130-133.

[16]周俊,劉成良.平行梁沖量式谷物質量流量傳感器信號處理方法[J].農業工程學報,2008,24(1): 183-187.

[17]陳樹人,楊洪博,李耀明,等.雙板差分沖量式谷物流量傳感器性能試驗[J].農業機械學報,2010,41(8):171-174.

[18]黃小英,陳樹人.基于GPS技術的聯合收割機測速探索[J].農機化研究,2009,31(12):155-157.

[19]劉麗,王翔.基于MCS-51單片機的轉速測量系[J].測量測試技術,2007,34(3):58-60.

[20]范傳陽,聶詩良.基于單片機的轉速測量及輸出4～20mA電流的系統設計[J].西南科技大學學報, 2012,27(1):74-76.

[21]張小超,胡小安,張愛國,等.基于稱重法的聯合收獲機測產方法[J].農業工程學報, 2010,26(3):125 -129.

[22]高建民,李揚波,郝磊斌,等.壓電式谷物質量流量傳感器設計及試驗[J].江蘇大學學報,2011, 32(2):129-133.

[23]王薄,李民贊,張成龍,等.沖擊式谷物流量傳感器設計與性能試驗[J].農業機械學報,2009,40(S1):52-56.

[24]陳樹人,仇華錚,李耀明,等.谷物流量傳感器試驗臺的設計與試驗[J].農業工程學報,2012,28(16):41-46.

[25]程偉,劉國璧.灰色系統理論在糧食產量預測中的應用[J].湖南工程學院學報,2008,18(3):64-66.

[26]郭慶春,何振芳,李力.基于BP神經網絡的糧食產量預測模型[J] .湖南農業科學,2011(17):136-138.

[27]周永生,肖玉歡,黃潤生.基于多元線性回歸的廣西糧食產量預測[J].南方農業學報,2011,42(9):1165-1167.

Automatic Test Design for Production System of Grain Combine Harvester—Based on Variable Weight Stratified Activation Diffusion Model

Yang Chunhua,Yang Ling

(Baoshan University, Baoshan 678000 , China)

Abstract：In order to make the combine harvester with automatic measurement and production function, a new output forecasting error eliminating model is proposed based on variable weight stratified activation diffusion. The main function of the measuring system is that the harvester can measure the current operating speed, harvest area and the total output of grain, when the machine works in the field. Datas are collected by using a Holzer sensor and a capacitive pressure sensor, which has a higher accuracy. ADC0804 differential A/D conversion chip is selected, which can effectively overcome the system error, the data is transmitted to the processing center of single chip microcomputer. The data is used to determine the error of the variable weight stratified activation diffusion model, and the data will be displayed in the LCD display.The system was applied to the harvester,and the measured value of grain output was obtained by test.The reliability of the system was verified by comparing with the real value.

Key words：combine harvester; measuring system; variable weight slicing; activation and diffusion

中圖分類號：S225.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0232-05

作者簡介：楊春華(1973-)，男，云南施甸人，副教授，碩士。通訊作者：楊玲(1976-)，女，云南大理人，副教授，碩士，(E-mail)yangling1976@qq.com。

基金項目：云南省自然科學基金項目(2014FB040)

收稿日期：2015-09-11