谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

王 帥，郁志宏，張文杰，楊麗芳，張澤鑫，敖日格樂(lè)

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

0 引 言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是基于現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)最新成就發(fā)展起來(lái)的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，其本質(zhì)是基于農(nóng)田作物生長(zhǎng)環(huán)境和產(chǎn)量差異性的變量管理理念，實(shí)現(xiàn)利用最少的資源消耗獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。在農(nóng)作物種植生產(chǎn)管理過(guò)程中，以在線、實(shí)時(shí)、有效的方法獲取農(nóng)田作物產(chǎn)量分布信息是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要起點(diǎn)[3-4]，是完善精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系、推廣智慧農(nóng)業(yè)的首要任務(wù)。

傳統(tǒng)的糧食作物產(chǎn)量獲取方法是通過(guò)人工抽樣估產(chǎn)或直接裝袋稱(chēng)量，這類(lèi)方法用于大面積種植的農(nóng)田，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且只能得到地塊的平均產(chǎn)量[1]，不滿(mǎn)足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施前提；也有采用建立生長(zhǎng)條件模型或運(yùn)用遙感技術(shù)估測(cè)產(chǎn)量[5-6]，但存在模型所需參數(shù)數(shù)量多且獲取難度大、推廣到其他區(qū)域或作物具有一定的局限性等問(wèn)題[7]。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量在線實(shí)時(shí)測(cè)量，推進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進(jìn)程，同時(shí)伴隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化、傳感器智能化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，農(nóng)作物產(chǎn)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已逐漸發(fā)展為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系的關(guān)鍵技術(shù)手段。農(nóng)作物在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)通過(guò)安裝于聯(lián)合收獲機(jī)的測(cè)產(chǎn)傳感器、水分傳感器、定位裝置等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田糧食產(chǎn)量分布信息的在線實(shí)時(shí)獲取，農(nóng)民可根據(jù)產(chǎn)量分布情況為下一季的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理制定種植、施肥、噴藥等定量決策、變量投入、定位實(shí)施的計(jì)劃[1]。

因此，著力開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)、快速、方便、精準(zhǔn)的聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在收獲過(guò)程中對(duì)作物產(chǎn)量及其空間分布差異性信息的在線實(shí)時(shí)獲取，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備智能化發(fā)展的重要保障。在利用在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行谷物產(chǎn)量信息采集與處理方面，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量的相關(guān)研究，運(yùn)用不同的傳感器測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了谷物產(chǎn)量的獲取。為了科學(xué)全面地總結(jié)梳理有關(guān)谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外谷物產(chǎn)量信息采集技術(shù)成果進(jìn)行歸納，綜述了谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了當(dāng)前測(cè)產(chǎn)技術(shù)所存在的局限性，探討了適合我國(guó)谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的方向，為今后進(jìn)一步開(kāi)展農(nóng)情信息采集技術(shù)和智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究提供有益參考。

1 谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)

1992年，Ag Leader公司創(chuàng)始人首次將谷物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)器成功推向市場(chǎng)[8]，迄今，國(guó)外谷物測(cè)產(chǎn)技術(shù)成熟，已累積了大量研究成果并開(kāi)發(fā)了數(shù)款商業(yè)化谷物產(chǎn)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3,9]（表1）。目前，美國(guó)90%以上的谷物聯(lián)合收獲機(jī)都安裝有產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程信息管理服務(wù)平臺(tái)，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化水平較高，能夠在收割作物的同時(shí)準(zhǔn)確采集作物產(chǎn)量信息，并繪制產(chǎn)量分布圖[9-12]，有助于農(nóng)田管理者合理制定精準(zhǔn)的種植生產(chǎn)管理方案。

表1 國(guó)外部分商品化農(nóng)作物產(chǎn)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Table 1 Some foreign commercial online monitoring system for crop yield

在中國(guó)，谷物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用較少，基本沒(méi)有商品化的測(cè)產(chǎn)裝置，國(guó)內(nèi)相關(guān)高校、學(xué)者正大力開(kāi)展研究[13]。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外獲取谷物產(chǎn)量信息的方法主要包括：動(dòng)態(tài)稱(chēng)量測(cè)量、體積測(cè)量、沖擊力測(cè)量、射線測(cè)量和其他測(cè)量方法。1987－2019年具有代表性的谷物在線測(cè)產(chǎn)方法如表2所示。

表2 谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)方法的分類(lèi)Table 2 Classification of online yield measurement methods for grain combine harvester

1.1 動(dòng)態(tài)稱(chēng)量測(cè)量方法

動(dòng)態(tài)稱(chēng)量測(cè)量方法主要是基于谷物流量與質(zhì)量的關(guān)系，以稱(chēng)量測(cè)量為核心技術(shù)，通過(guò)電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)重傳感器），對(duì)糧倉(cāng)或工作狀態(tài)下的輸糧部件稱(chēng)量，以得到谷物產(chǎn)量。Colvin[42]將收獲機(jī)糧箱懸掛在2個(gè)稱(chēng)重桿上以獲得谷物的質(zhì)量，其中稱(chēng)重桿的載荷端懸掛糧箱，另一端固定在機(jī)器上。李長(zhǎng)占等[6]和Iida等[43]將稱(chēng)重傳感器安裝于收獲機(jī)糧箱底部以確定谷物的總質(zhì)量。肖兵兵[44]基于稱(chēng)重傳感器開(kāi)發(fā)了聯(lián)合收獲機(jī)玉米稱(chēng)量系統(tǒng)，繪制了玉米棒穗的產(chǎn)量分布圖。王志全等[45]設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)秤系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差在±5%以?xún)?nèi)。于小娟[14]利用稱(chēng)重傳感器對(duì)糧箱稱(chēng)量，基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）的小波閾值去噪算法分析信號(hào)，田間試驗(yàn)測(cè)產(chǎn)平均誤差為1.9%。因直接對(duì)糧箱稱(chēng)量，故糧箱需與收獲機(jī)結(jié)構(gòu)獨(dú)立，且在收獲機(jī)行走顛簸時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。目前，美國(guó)HarvestMaster公司的H2 Classic系統(tǒng)裝有稱(chēng)重傳感器，并采用稱(chēng)重補(bǔ)償技術(shù)提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度[46]。

Wagner等[15,47]將稱(chēng)重傳感器安裝于螺旋輸送絞龍出料端進(jìn)行稱(chēng)量，螺旋輸送絞龍的重量與通過(guò)螺旋輸送絞龍的谷物流量成正比，田間試驗(yàn)精度在3%之內(nèi)，該系統(tǒng)最大的應(yīng)用限制是聯(lián)合收獲機(jī)的安裝空間有限。張小超等[16]采用螺旋推進(jìn)稱(chēng)質(zhì)量式技術(shù)，通過(guò)單點(diǎn)懸掛稱(chēng)重傳感器獲取絞龍筒的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了收獲作物產(chǎn)量流量測(cè)量，室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)架累計(jì)試驗(yàn)誤差小于2%，但傳感器安裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。苑嚴(yán)偉等[48]以螺旋推進(jìn)稱(chēng)質(zhì)量式產(chǎn)量流量計(jì)為核心開(kāi)發(fā)了測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，能在線實(shí)時(shí)顯示谷物產(chǎn)量波形曲線和產(chǎn)量分布圖、聯(lián)合收獲機(jī)的收割面積和行走軌跡等。Schrock等[17]對(duì)三角形結(jié)構(gòu)的水平升運(yùn)器稱(chēng)量，一端作為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，另一端安裝在稱(chēng)重傳感器上，當(dāng)試驗(yàn)谷物為2 097 kg時(shí)最大誤差為5%，但改裝工作量較大。李偉等[18]應(yīng)用稱(chēng)重傳感器對(duì)水平皮帶輸送器實(shí)時(shí)流過(guò)的谷物進(jìn)行稱(chēng)量測(cè)量，田間測(cè)產(chǎn)相對(duì)誤差小于3%。

1.2 體積測(cè)量方法

針對(duì)具有刮板式升運(yùn)器輸糧結(jié)構(gòu)的聯(lián)合收獲機(jī)，獲取谷物質(zhì)量可利用體積測(cè)量方法。體積測(cè)量的基本原理是已知谷物密度，通過(guò)測(cè)量谷物體積，最終確定谷物的質(zhì)量。谷物體積測(cè)量可分為兩種方式，測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)的谷物體積和記錄積累一定谷物體積所需的時(shí)間[49]，分別通過(guò)光電傳感器、圖像傳感器和葉輪式容積傳感器實(shí)現(xiàn)谷物體積的在線測(cè)量。光電傳感器和圖像傳感器通過(guò)測(cè)量刮板式升運(yùn)器每一刮板上的谷物厚度計(jì)算出谷物的體積，是一種非接觸式的谷物流量測(cè)量技術(shù)。光電傳感器由光發(fā)射器和光接收器組成，分為對(duì)射式光電傳感器和漫反射式光電傳感器。

1.2.1 對(duì)射式光電傳感器

對(duì)射式光電傳感器的光發(fā)射器和光接收器處于同一軸線上分別安裝于刮板式升運(yùn)器的兩側(cè)，且軸線垂直于升運(yùn)器中谷物的輸送方向，使光束橫穿升運(yùn)器[20]，如圖1a所示[50]。通常，光發(fā)射器為紅外發(fā)光二極管，光接收器為光敏三極管，當(dāng)谷物通過(guò)傳感器的光路時(shí)，光路被阻斷或衰減，使光接收器輸出電壓發(fā)生高低電平的變化[51]。因此，通過(guò)記錄光電傳感器輸出脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間以確定刮板上谷物的厚度，根據(jù)刮板底面積和谷物密度最終完成谷物體積的測(cè)量[52-53]。

目前，基于對(duì)射式光電傳感器開(kāi)發(fā)的測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)包括，美國(guó)Raven公司的Smart Yield Pro系統(tǒng)、英國(guó)RDS Technology公司的Ceres系統(tǒng)、加拿大Farm TRX公司的Precision yield monitor & automated yield maps系統(tǒng)等。Strubbe等[19]在刮板的長(zhǎng)軸方向和短軸方向分別放置2組光電傳感器，其中豎直方向的2組傳感器對(duì)稱(chēng)放置于升運(yùn)器驅(qū)動(dòng)鏈條兩側(cè)，其測(cè)產(chǎn)最大誤差為9%。Hanigan[50]為提高近紅外光電傳感器的測(cè)產(chǎn)精度，利用單刮板式升運(yùn)器試驗(yàn)臺(tái)確定了傳感器的最佳安裝位置和采樣頻率，并對(duì)刮板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1993年，王要武等[20]率先在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了谷物流量動(dòng)態(tài)在線測(cè)量方法的研究，首次提出聯(lián)合收獲機(jī)在收獲過(guò)程中獲取谷物產(chǎn)量的重要性。利用一組對(duì)射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)了小麥產(chǎn)量的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室相對(duì)誤差小于3%，但未考慮刮板式升運(yùn)器轉(zhuǎn)速的變化。雷朝鵬[54]以紅外激光源和硅光電池作為傳感器的發(fā)射器和接收器，室內(nèi)試驗(yàn)表明，當(dāng)谷物流量為1.8 kg/s時(shí)，測(cè)量相對(duì)誤差為2.05%。趙湛等[55]基于近紅外光電效應(yīng)的谷物厚度測(cè)量方法研究結(jié)果表明，當(dāng)紅外線波長(zhǎng)為940 nm時(shí)，水稻籽粒厚度測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差小于6.5%。王坤[29]沿升運(yùn)器刮板側(cè)壁對(duì)角線均勻安裝了5組對(duì)射式激光傳感器，將各路測(cè)量區(qū)域谷物體積求和實(shí)現(xiàn)了谷物體積流量的測(cè)量。韓帥軍[21]選用6組對(duì)射式激光傳感器構(gòu)成的二維陣列設(shè)計(jì)了谷物流量傳感器，刮板的長(zhǎng)軸方向放置4組光電傳感器，短軸方向放置2組光電傳感器，室內(nèi)小麥流量試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差小于等于4%。因發(fā)射器與接收器安裝時(shí)需對(duì)準(zhǔn)于同一軸線上，進(jìn)而加大了安裝難度。

1.2.2 漫反射式光電傳感器

漫反射式光電傳感器的光發(fā)射器和光接收器集于一體，安裝于刮板式升運(yùn)器的側(cè)壁上，如圖1b所示[29]。當(dāng)升運(yùn)器刮板輸送的谷物經(jīng)過(guò)漫反射式光電傳感器時(shí)，光發(fā)射器發(fā)射的光被谷物反射回光接收器中，使光接收器接收到光信號(hào)并產(chǎn)生脈寬信號(hào)，脈寬信號(hào)的持續(xù)時(shí)間與刮板上谷物厚度成正比，同理可計(jì)算出刮板上谷物的體積。

付興蘭等[22,56]自主設(shè)計(jì)了基于光電漫反射原理的谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)，可對(duì)谷物產(chǎn)量、收獲機(jī)行進(jìn)速度和位置等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量、顯示和遠(yuǎn)程通訊。小麥田間試驗(yàn)表明，系統(tǒng)誤差最大為3.51%。安曉飛等[57]基于光電漫反射原理，建立了分段式光電信號(hào)與收獲機(jī)谷物產(chǎn)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，谷物產(chǎn)量計(jì)量模型驗(yàn)證誤差小于3.5%。該測(cè)量方法要求傳感器探頭應(yīng)時(shí)刻保持清潔干凈，避免灰塵干擾測(cè)產(chǎn)精度[58]。此外由于機(jī)器振動(dòng)、顛簸，谷物可能從刮板上掉落誤觸光電傳感器。同時(shí)，刮板式升運(yùn)器轉(zhuǎn)速的變化和刮板上谷物的不均勻性會(huì)降低測(cè)產(chǎn)精度。

1.2.3 圖像傳感器

為解決光電傳感器存在的誤觸發(fā)問(wèn)題，楊剛等[13]設(shè)計(jì)了基于圖像傳感器的谷物測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)（圖1c），通過(guò)接近開(kāi)關(guān)觸發(fā)相機(jī)對(duì)刮板上的谷物拍照，利用修正的結(jié)構(gòu)光測(cè)量模型測(cè)量谷物厚度，根據(jù)谷物容重和體積模型計(jì)算出谷物質(zhì)量。室內(nèi)測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)測(cè)產(chǎn)誤差在4.27%以?xún)?nèi)，但系統(tǒng)成本較高。

1.2.4 葉輪式容積傳感器

利用容積式測(cè)量方法獲取谷物質(zhì)量，主要通過(guò)葉輪式容積傳感器實(shí)現(xiàn)。葉輪式容積傳感器位于刮板式升運(yùn)器出糧口后方，安裝于升運(yùn)器出糧口和螺旋輸送絞龍、糧箱之間，由料位傳感器和葉輪組成，如圖2所示[3]。谷物離開(kāi)升運(yùn)器進(jìn)入葉輪單元格，逐漸填充到一定體積時(shí)觸發(fā)料位傳感器，驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)繼續(xù)填充下一單元格[9]。根據(jù)每一葉輪單元格的已知體積、填充時(shí)間和葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，可計(jì)算出谷物的流量和體積。Searcy等[23]使用葉輪式容積傳感器生成了產(chǎn)量圖，1.3 hm2土地的總產(chǎn)量誤差為7.1%。由于葉輪式容積傳感器需較大的安裝空間，且安裝改造過(guò)程繁瑣復(fù)雜、測(cè)量的不連續(xù)性[9]限制了其近些年的研究應(yīng)用和推廣。

1.3 沖擊力測(cè)量方法

基于傳統(tǒng)壓力傳感器衍生出谷物沖擊力測(cè)量技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于沖量原理的谷物流量傳感器，主要由沖擊板和壓力傳感器組成，且兩者剛性固定為一體，安裝于刮板式升運(yùn)器頂部的出口處，升運(yùn)器拋出的谷物周期性地碰撞在沖量式谷物流量傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)沖量式傳感器）的沖擊板上如圖3所示[59]。

沖量定理如式（1）和式（2）所示[60]：

式中Δt為谷物離開(kāi)升運(yùn)器刮板運(yùn)動(dòng)到?jīng)_擊板的時(shí)間，s；F(t)為Δt時(shí)間內(nèi)谷物作用于壓力傳感器的沖擊力，N；Δm(t)為Δt時(shí)間內(nèi)與沖擊板發(fā)生碰撞的谷物質(zhì)量，kg；Δv為谷物流碰撞沖擊板前后水平方向速度的變化量，m/s；q為谷物質(zhì)量流量，kg/s。已知谷物流碰撞沖擊板前的水平方向速度v為升運(yùn)器速度，假設(shè)碰撞到?jīng)_擊板后的速度v0近似為0，則速度的變化量Δv可近似為升運(yùn)器速度v。因此，可通過(guò)測(cè)量谷物沖擊前后動(dòng)量變化所產(chǎn)生的力實(shí)現(xiàn)谷物質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)測(cè)量[61-63]。

因沖量式谷物流量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本較低等特點(diǎn)，目前國(guó)外大多數(shù)商品化產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用該谷物流量傳感器，如美國(guó)Ag Leader公司的PF advantage系統(tǒng)、美國(guó)凱斯（Case IH）公司的先進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（Advanced Farming System，AFS）、美國(guó)約翰迪爾（John Deere）公司的綠色之星（Green Star）系統(tǒng)、美國(guó)Micro-Trak公司的Grain-Trak系統(tǒng)、美國(guó)愛(ài)科（AGCO）公司的農(nóng)田之星（Field Star）產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和德國(guó)Deutz-Fahr公司的Teris系統(tǒng)等[9,50]。PF advantage系統(tǒng)沖量式谷物流量傳感器安裝于刮板式升運(yùn)器的出口處如圖4所示[64]。

有研究表明[65-66]，商品化測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中測(cè)量精度不穩(wěn)定且測(cè)量誤差較大，存在產(chǎn)量空間分辨率不高、系統(tǒng)通用性不強(qiáng)等問(wèn)題。Kormann等[67]對(duì)美國(guó)Ag Leader公司的谷物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)器進(jìn)行了多年的田間測(cè)產(chǎn)研究，其測(cè)量相對(duì)誤差在5.37%～10.11%之間，低于Ag Leader 公司給出的測(cè)量精度。Arslan等[68]在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試了Ag Leader 產(chǎn)量監(jiān)測(cè)儀，最大測(cè)量誤差為9.17%。Taylor等[69]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，并控制恒定的谷物流量，可提高測(cè)產(chǎn)精度。中國(guó)學(xué)者張漫等[70-72]引進(jìn)美國(guó)凱斯（CASE IH）公司的先進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（Advanced Farming System，AFS）繪制了小麥等農(nóng)作物產(chǎn)量分布圖，系統(tǒng)標(biāo)定后的相對(duì)誤差為1.32%。

目前，沖量式谷物流量傳感器根據(jù)核心元件不同分為兩類(lèi)，包括壓電沖量式谷物流量傳感器和應(yīng)變沖量式谷物流量傳感器。其中，應(yīng)變沖量式谷物流量傳感器根據(jù)壓力傳感器個(gè)數(shù)不同，分為應(yīng)變單臂沖量式谷物流量傳感器和應(yīng)變雙臂沖量式谷物流量傳感器。

1.3.1 壓電沖量式谷物流量傳感器

壓電沖量式谷物流量傳感器的感應(yīng)元件一般為壓電薄膜和壓電陶瓷，其測(cè)量原理是壓電效應(yīng)。當(dāng)壓電陶瓷、壓電晶體、高分子壓電材料受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生與應(yīng)力成比例的電荷。因此，可根據(jù)電荷量判定材料所受外力的大小[73]。

Schrock等[24]將壓電薄膜置于刮板式升運(yùn)器保護(hù)罩內(nèi)壁，根據(jù)谷物對(duì)貼有壓電薄膜保護(hù)罩的沖擊，建立了水稻沖擊力與水稻質(zhì)量流量的數(shù)學(xué)模型，決定系數(shù)為0.98。但壓電薄膜長(zhǎng)時(shí)間受谷物沖擊會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的磨損，需頻繁更換新的壓電薄膜傳感器。2001年，孫宇瑞等[25]首次在國(guó)內(nèi)運(yùn)用基于沖量原理的谷物測(cè)產(chǎn)技術(shù)，利用壓電陶瓷基片作為傳感器的核心元件自主研制了沖量式谷物流量傳感器，裝置在引入外部機(jī)械振動(dòng)的情況下，測(cè)量誤差的絕對(duì)值小于8%。高建民等[26,74]設(shè)計(jì)了一種具有3個(gè)壓電陶瓷和1個(gè)補(bǔ)償壓電陶瓷的沖量式谷物流量傳感器，田間水稻測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)誤差平均值約為3%。王剛等[75]將2塊壓電陶瓷固焊在薄鋼板上，并將鋼板采用懸臂梁結(jié)構(gòu)方式安裝于刮板式升運(yùn)器出糧口以攔截谷物流，在線測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)誤差在5%以?xún)?nèi)。

1.3.2 應(yīng)變單臂沖量式谷物流量傳感器

Borgelt等[76]研發(fā)了基于應(yīng)變片的單臂沖量式傳感器，利用應(yīng)變式壓力傳感器采集運(yùn)動(dòng)著的谷物對(duì)沖擊板形成的沖擊力，而實(shí)現(xiàn)谷物質(zhì)量的計(jì)算。Iida等[77]對(duì)單臂沖量式傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，傳感器輸出信號(hào)與小麥和水稻流量的決定系數(shù)分別為0.95和0.99。Strubbe[78]在聯(lián)合收獲機(jī)谷物脫粒分離部分安裝了單臂沖量式傳感器，以估算脫粒谷物的質(zhì)量。周俊等[27,60,79-80]利用貼有電阻應(yīng)變片的懸臂梁壓力傳感器和谷物沖擊板自主設(shè)計(jì)了單臂沖量式谷物流量傳感器，并利用高分子阻尼材料裹住懸臂梁以消除振動(dòng)的影響，其傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5a所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥田間測(cè)產(chǎn)誤差小于10%。張鳳傳等[81]在傳感器受力懸臂上安裝了一個(gè)面積較大的沖擊板，以接受盡可能多的谷物沖擊，該傳感器測(cè)量相對(duì)誤差不大于6%。陳巡洲[62]采用具有較強(qiáng)抗干擾能力的雙孔平行梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了單臂沖量式傳感器，室內(nèi)和田間結(jié)果表明，沖量式傳感器測(cè)產(chǎn)誤差在6～10%之內(nèi)。王琦[82]基于控制器局域網(wǎng)總線（Controller Area Network，CAN）通訊方式設(shè)計(jì)了以單臂沖量式谷物流量傳感器為核心可人機(jī)交互的聯(lián)合收獲機(jī)谷物流量智能監(jiān)視器。陳樹(shù)人等[83-84]在刮板式升運(yùn)器出糧口頂部安裝了導(dǎo)流板，導(dǎo)流板與流量傳感器彈性元件相切，可提高沖量式谷物流量傳感器的輸出電壓信號(hào)強(qiáng)度約30%。姜國(guó)微等[28]設(shè)計(jì)了一種具有導(dǎo)流板和橡膠減震器結(jié)構(gòu)的單臂沖量式谷物質(zhì)量流量測(cè)量裝置如圖5b所示，聯(lián)合收獲機(jī)靜止時(shí)測(cè)量誤差平均值為4.29%。仇華錚等[85]基于自主研制的具有導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的GSM-1型單板沖量式谷物流量傳感器，測(cè)量誤差小于等于5.4%。張成龍[86]和王薄等[63,87]設(shè)計(jì)了帶有4個(gè)靶條的單臂沖量式谷物流量傳感器，但靶條的間隙會(huì)流失很多谷物，增大了測(cè)量誤差，且傳感器沖擊板較寬，易與刮板式升運(yùn)器壁發(fā)生摩擦。Kargarpour等[88]利用懸臂梁壓力傳感器和弧形沖擊板組成單臂沖量式谷物流量傳感器，安裝于刮板式升運(yùn)器頂部以獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并結(jié)合全球定位系統(tǒng)（GPS）生成了產(chǎn)量圖，試驗(yàn)最大誤差為9.98%。王坤[29]針對(duì)攪龍式輸糧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了具有弧形導(dǎo)流板、弧形沖擊板結(jié)構(gòu)的單臂沖量式谷物流量傳感器如圖5c所示。田間水稻收割試驗(yàn)中，系統(tǒng)測(cè)量平均相對(duì)誤差為4.6%，但當(dāng)谷物流量較大時(shí)，傳感器標(biāo)定曲線擬合系數(shù)低，測(cè)量誤差較大。王吉中等[30]和張偉[89]采用弧形沖擊板與懸臂梁壓力傳感器組合設(shè)計(jì)了單臂沖量式谷物流量傳感器如圖5d所示，并開(kāi)發(fā)了谷物測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，田間水稻收獲試驗(yàn)測(cè)量誤差在8%以?xún)?nèi)，但可靠性較低，所需安裝空間較大。

1.3.3 應(yīng)變雙臂沖量式谷物流量傳感器

胡均萬(wàn)等[31]在聯(lián)合收獲機(jī)的出糧口安裝了具有導(dǎo)流作用的雙臂沖量式谷物流量傳感器（圖 6a）并設(shè)計(jì)了差分消振電路，該傳感器由2個(gè)懸臂梁力壓傳感器和2塊沖擊板組合而成，其中1個(gè)懸臂梁壓力傳感器和1塊沖擊板組合用于測(cè)量谷物的沖擊力和機(jī)器的振動(dòng)，另1個(gè)懸臂梁壓力傳感器和另1塊沖擊板組合用于感受機(jī)器的振動(dòng)，隨后通過(guò)差分消振電路，消除了車(chē)身振動(dòng)對(duì)測(cè)產(chǎn)精度的影響，田間水稻測(cè)產(chǎn)誤差小于5%。陳樹(shù)人等[32]對(duì)雙臂沖量式谷物流量傳感器（圖6b）的靜態(tài)受力特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明傳感器的輸出信號(hào)與靜態(tài)力作用點(diǎn)的位置無(wú)關(guān)，且田間水稻測(cè)產(chǎn)精度誤差小于3.8%，但谷物流量大于2 kg/s時(shí)，測(cè)產(chǎn)誤差將增大。韋瑋[90]利用雙臂沖量式谷物流量傳感器開(kāi)發(fā)了聯(lián)合收獲機(jī)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，田間水稻測(cè)產(chǎn)相對(duì)誤差在8%以?xún)?nèi)。劉成良等[33]設(shè)計(jì)的雙懸臂梁谷物流量傳感器如圖6c所示，測(cè)量懸臂梁上固定有沖擊板，參考懸臂梁上無(wú)沖擊板固定，其田間水稻測(cè)產(chǎn)誤差小于4%。李新成等[34,59,91]和吳關(guān)[92]設(shè)計(jì)了2個(gè)弧形沖擊板的雙臂沖量式谷物流量傳感器（圖6d），并開(kāi)發(fā)了谷物智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，田間小麥測(cè)產(chǎn)最小誤差為2.03%。

沖量式谷物流量傳感器測(cè)量精度易受多種因素影響，如傳感器安裝角度[9,93-94]、刮板式升運(yùn)器速度[72]、收獲機(jī)振動(dòng)[25]、谷物含水率[19]、田間坡度[95]和谷物流量的不穩(wěn)定性[9]，其中聯(lián)合收獲機(jī)的振動(dòng)影響最為顯著[96-97]，最重要的是當(dāng)谷物流量較大時(shí)，谷物流量與谷物沖擊力呈非線性關(guān)系[98]。

1.4 射線測(cè)量方法

射線測(cè)量方法利用射線強(qiáng)度的衰減程度表征刮板式升運(yùn)器拋出的谷物質(zhì)量流量，通過(guò)射線傳感器實(shí)現(xiàn)。射線傳感器由射線源和射線檢測(cè)器組成，射線源的輻射與射線檢測(cè)器對(duì)準(zhǔn)，分別安裝于升運(yùn)器的出口處如圖7所示[3]。檢測(cè)器探測(cè)到的射線強(qiáng)度越弱，說(shuō)明流經(jīng)射線源和檢測(cè)器之間的谷物質(zhì)量流量越大[63]。應(yīng)用于谷物流量測(cè)量的射線傳感器主要有γ射線傳感器和X射線傳感器。美國(guó)愛(ài)科（AGCO）公司1993年己成功將γ射線傳感器測(cè)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用于康拜因收獲機(jī)的谷物流量測(cè)量中，實(shí)現(xiàn)了商品化[11]。張惠莉等[35]率先在國(guó)內(nèi)將γ射線傳感器用于農(nóng)業(yè)裝備測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)研究中，實(shí)驗(yàn)室大豆產(chǎn)量測(cè)量精度在2%以?xún)?nèi)。Arslan等[36]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了玉米質(zhì)量流量與檢測(cè)的X射線強(qiáng)度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，決定系數(shù)為0.99。國(guó)外研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，使用γ射線和X射線傳感器測(cè)量精度最高，且具有其它測(cè)量方法所難以替代的不受機(jī)器振動(dòng)和粉塵污染影響的優(yōu)點(diǎn)，但由于其制造成本高，且使用電磁輻射有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)對(duì)操作者及周?chē)h(huán)境造成潛在的危害，因此未被普遍推廣應(yīng)用[2]。

1.5 其他測(cè)量方法

在谷物質(zhì)量的其他測(cè)量方法中，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過(guò)監(jiān)測(cè)聯(lián)合收獲機(jī)主要部件工作參數(shù)，提出了根據(jù)部件工作參數(shù)計(jì)算谷物產(chǎn)量的研究方法。監(jiān)測(cè)裝置主要包括扭矩傳感器、張力傳感器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。

Loghavi等[37]運(yùn)用扭矩傳感器發(fā)現(xiàn)刮板式升運(yùn)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功耗與升運(yùn)器輸送的谷物質(zhì)量?jī)烧哂休^強(qiáng)的相關(guān)性，決定系數(shù)為0.99。Veal等[38]利用張力傳感器研究發(fā)現(xiàn)刮板式升運(yùn)器驅(qū)動(dòng)鏈上的張力與喂入谷物的質(zhì)量有關(guān)，決定系數(shù)為0.79。趙晨等[39,99]運(yùn)用電流傳感器建立了螺旋升運(yùn)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作電流與谷物產(chǎn)量瞬時(shí)變化的關(guān)系，室內(nèi)玉米測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量誤差小于等于3.56%，但獲取的升運(yùn)器參數(shù)不能實(shí)時(shí)計(jì)算出谷物產(chǎn)量。Shoji等[40]通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器獲取螺旋輸送絞龍的轉(zhuǎn)速來(lái)確定每次釋放出的谷物質(zhì)量，測(cè)量誤差小于3.5%。路昌華[41]利用轉(zhuǎn)速傳感器研究了卸糧筒轉(zhuǎn)速與谷物瞬時(shí)流量的關(guān)系，設(shè)計(jì)了基于水平定量螺旋輸送技術(shù)的谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)，在大田動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，系統(tǒng)整體誤差小于5.8%，但通用性較低。

2 討 論

目前，谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)主要包括動(dòng)態(tài)稱(chēng)量測(cè)量方法、體積測(cè)量方法、沖擊力測(cè)量方法、射線測(cè)量方法和其他測(cè)量方法。綜上所述，在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)用于聯(lián)合收獲機(jī)時(shí)存在的局限如下：

1）可行性：螺旋輸送絞龍稱(chēng)量、主要部件工作參數(shù)確定產(chǎn)量等方式所需安裝空間較大，改裝過(guò)程復(fù)雜繁瑣且工作量大，但聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，使得測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)安裝應(yīng)用不切實(shí)際；同時(shí)考慮測(cè)產(chǎn)時(shí)可能造成的人身傷害，降低了射線測(cè)量方法的適用性；沖力測(cè)量方法雖應(yīng)用廣泛，但尚未考慮谷物與沖擊板碰撞對(duì)谷物造成的機(jī)械損傷，而損傷后的谷物在貯存過(guò)程中更容易發(fā)生霉變，一定程度上降低了種子的發(fā)芽率，并影響了糧食加工后的品質(zhì)和等級(jí)。

2）通用性：收獲對(duì)象的多樣性，決定了聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)的差異性。由于不同收獲作物的理化特性各異，以及凈糧輸送結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致產(chǎn)量測(cè)量方法、傳感器安裝方式和位置會(huì)有所不同。目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多應(yīng)用于輸送結(jié)構(gòu)為刮板式升運(yùn)器或螺旋輸送絞龍的谷物聯(lián)合收獲機(jī)，且僅局限于小麥、水稻、玉米等普通農(nóng)作物的產(chǎn)量測(cè)量，尚未探索應(yīng)用于其他輸送結(jié)構(gòu)或經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高農(nóng)作物的聯(lián)合收獲機(jī)測(cè)產(chǎn)方法。

3）穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性：谷物聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中，機(jī)器自身的基礎(chǔ)振動(dòng)、田間地面不平造成的顛簸、傾斜或地頭調(diào)頭、緊急剎車(chē)等特殊工況下，谷物由于慣性作用，采用糧箱動(dòng)態(tài)稱(chēng)量和刮板上谷物體積測(cè)量方法測(cè)產(chǎn)時(shí)，其質(zhì)量和體積在糧箱、刮板上易出現(xiàn)較劇烈的變化。同時(shí)受農(nóng)作物品種、密度、含水率等的影響，實(shí)際測(cè)產(chǎn)精度較低。因此，僅通過(guò)測(cè)產(chǎn)傳感器較難獲取準(zhǔn)確的農(nóng)作物產(chǎn)量。

3 結(jié)論與展望

在部分發(fā)達(dá)國(guó)家，聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，谷物聯(lián)合收獲機(jī)基本都裝備了智能化測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，運(yùn)用不同的測(cè)量方法完成田間谷物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)，生成產(chǎn)量空間分布圖，為實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了豐富、準(zhǔn)確的信息。在中國(guó)，受土地分散經(jīng)營(yíng)、農(nóng)機(jī)具保有量較低、農(nóng)民對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)認(rèn)識(shí)淺薄、經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱等影響，中國(guó)智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械剛剛起步，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施力度不強(qiáng)，谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)相對(duì)滯后、不夠成熟，多處于試驗(yàn)研究發(fā)展階段，尚未實(shí)現(xiàn)商品化推廣。

因此，結(jié)合中國(guó)國(guó)情和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，對(duì)比發(fā)達(dá)國(guó)家在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備智能化進(jìn)程，在未來(lái)農(nóng)作物產(chǎn)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究中，建議從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)突破：

1）合理改革農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，提高農(nóng)業(yè)管理者和從業(yè)者對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的認(rèn)識(shí)。中國(guó)幅員遼闊，不同的地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平和技術(shù)水平差異巨大。如北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以小規(guī)模分散經(jīng)營(yíng)方式為主，經(jīng)濟(jì)條件落后、農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較低，這種比較粗放的管理模式，制約了中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。應(yīng)鼓勵(lì)農(nóng)民推行大規(guī)模集約化經(jīng)營(yíng)方式，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的規(guī)模化作業(yè)水平，加強(qiáng)廣大農(nóng)戶(hù)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用意識(shí)，實(shí)現(xiàn)信息、農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝相融合，為農(nóng)作物產(chǎn)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用創(chuàng)造必要的條件。

2）全面立足中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備發(fā)展階段，深入提升測(cè)產(chǎn)傳感器可行性、通用性、穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性的技術(shù)。針對(duì)不同聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)、不同收獲作物，應(yīng)以不造成作物機(jī)械損傷為前提，采用統(tǒng)一、簡(jiǎn)單、便捷的傳感器安裝方式，設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感技術(shù)的低成本、高精度智能測(cè)產(chǎn)傳感器，重點(diǎn)攻關(guān)減少因收獲機(jī)振動(dòng)、顛簸引起測(cè)量誤差的關(guān)鍵技術(shù)難題，以加速推進(jìn)中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系的發(fā)展。

3）積極引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，研發(fā)功能強(qiáng)大的聯(lián)合收獲機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。借鑒國(guó)外開(kāi)發(fā)的聯(lián)合收獲機(jī)智能在線監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化遠(yuǎn)程在線服務(wù)與管理技術(shù)進(jìn)行引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，以進(jìn)一步優(yōu)化中國(guó)現(xiàn)有測(cè)產(chǎn)研究技術(shù)，著力研發(fā)具有測(cè)產(chǎn)功能、在線實(shí)時(shí)顯示收獲機(jī)地理位置功能、生成產(chǎn)量分布圖功能，以及農(nóng)機(jī)具狀態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)調(diào)度等功能的聯(lián)合收獲機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并以田間應(yīng)用為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)商品化。