楊春華，楊　玲

(保山學(xué)院，云南 保山　678000)

?

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自動測產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計—基于變權(quán)分層激活擴(kuò)散模型

楊春華，楊玲

(保山學(xué)院，云南 保山678000)

摘要：為了使聯(lián)合收割機(jī)具有自動測產(chǎn)功能，提出了一種基于變權(quán)分層激活擴(kuò)散的產(chǎn)量預(yù)測誤差剔除模型，并使用單片機(jī)設(shè)計了聯(lián)合收獲機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)。測產(chǎn)系統(tǒng)的主要功能是：在田間進(jìn)行作業(yè)時，收割機(jī)可以測出當(dāng)前的運行速度、收獲面積及谷物的總體產(chǎn)量。數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換芯片，可以有效地克服系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)處理中心，對每一次轉(zhuǎn)換都進(jìn)行一次判斷，利用變權(quán)分層激活擴(kuò)散模型剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，通過計算將數(shù)據(jù)最終在LCD顯示屏進(jìn)行顯示。將系統(tǒng)應(yīng)用在了收割機(jī)上，通過測試得到了谷物產(chǎn)量的測量值，并與真實值進(jìn)行比較，驗證了系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī)；測產(chǎn)系統(tǒng)；變權(quán)分層；激活擴(kuò)散

0引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化水平的提高，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)得到了飛躍式的發(fā)展，農(nóng)業(yè)智能化水平也有了顯著提高。糧食生產(chǎn)與國家經(jīng)濟(jì)命脈息息相關(guān)，對國家的政治和經(jīng)濟(jì)都會產(chǎn)生非常大的影響，因此對于糧食產(chǎn)量的預(yù)測具有重要的意義。聯(lián)合收割機(jī)在收獲過程中，可以在收割機(jī)上安裝傳感器等數(shù)據(jù)采集儀器，通過對結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)計出糧食的產(chǎn)量預(yù)測系統(tǒng)。本文通過對現(xiàn)有測產(chǎn)系統(tǒng)的改進(jìn)，提出了一種基于變權(quán)分層激活擴(kuò)散的產(chǎn)量預(yù)測誤差剔除模型，并使用單片機(jī)設(shè)計了聯(lián)合收獲機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)，是一種糧食總體產(chǎn)量的預(yù)測的新方法。

1聯(lián)合收獲機(jī)自動測產(chǎn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

谷物聯(lián)合收割機(jī)自動測產(chǎn)裝置主要分布在糧倉位置，使用傳感器對糧食產(chǎn)量信息進(jìn)行采集。糧食經(jīng)過卸糧槽從糧倉卸下，糧倉內(nèi)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(dāng)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(chǎn)裝置總體機(jī)械原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.卸糧槽　2.導(dǎo)糧板　3.轉(zhuǎn)角傳感器　4.連桿　5.測速輪

利用自動測產(chǎn)計量裝置可以實時計算出糧食流出時的厚度，其表達(dá)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(dǎo)糧板的長度；α為導(dǎo)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(shè)糧食的密度為ρ，則糧食流量的瞬時表達(dá)式為

w=Qρ

(3)

通過對時間積分，即可以得到卸糧的質(zhì)量，則

W=∫wdt

(4)

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

1.植株叢邊緣　2.發(fā)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(fā)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(jī)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(dá)式為

為驗證模型和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)文獻(xiàn)[29]設(shè)置初始條件，經(jīng)模擬得到的合成氣成分與文獻(xiàn)值比較，結(jié)果見圖2?？芍M值與文獻(xiàn)值幾乎一致，該模擬較準(zhǔn)確地的反映了合成氣的組成，搭建的模型可較好地對聯(lián)合 CO2捕集的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化制備合成氣過程進(jìn)行熱力學(xué)平衡分析。

S=Nc1c2D

(5)

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

1.植株叢邊緣　2.發(fā)射波　3.回聲　4.傳感器　5.分禾器

當(dāng)傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，將采集的信息在保存前進(jìn)行誤差判斷，判斷方法為變權(quán)分層激活擴(kuò)散方法，對合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；如果數(shù)據(jù)不合理，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次判斷，對二次判斷后合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，對仍然不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

2變權(quán)分層激活擴(kuò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校準(zhǔn)，及時進(jìn)行誤差補(bǔ)償。在糧食流量的測量過程中，其數(shù)值是不斷更新的，因此關(guān)系權(quán)值wij可以使用動態(tài)更新權(quán)值，其表達(dá)式為

(6)

其中，wij(n)為關(guān)系權(quán)值的平均值；wij(n+1)為根據(jù)新的計量數(shù)值記錄得到的更新權(quán)值。變權(quán)分層擴(kuò)散的基層激活原理圖如圖4所示。

圖4　層次激活擴(kuò)散過程基層激活原理圖

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

(7)

其中，pi為當(dāng)前節(jié)點的初始激活產(chǎn)量記數(shù)值誤差；pj為與根節(jié)點聯(lián)系的節(jié)點激活誤差值；wij為二者的權(quán)值關(guān)系；cs為傳遞過程的衰減系數(shù)。

(8)

其中，pu為當(dāng)前層節(jié)點和上層節(jié)點相關(guān)的計數(shù)激活值；pj為節(jié)點在同一層相關(guān)的誤差激活值；wuf和wij分別表示二者的權(quán)值關(guān)系；cd為衰減系數(shù)，擴(kuò)散的層數(shù)越多，cd的值越小。

圖5　擴(kuò)散層激活原理圖

3硬件和軟件部分設(shè)計

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

圖6　系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

信號的采集電路選用霍爾傳感器，安裝在收割機(jī)測速輪上，當(dāng)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(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　霍爾傳感器結(jié)構(gòu)圖

霍爾傳感器的工作基于磁效應(yīng)原理，本次設(shè)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(jié)構(gòu)原理圖

為了提高谷物聯(lián)合收割機(jī)的測產(chǎn)系統(tǒng)精度，使用傳感器測重的方法輸出谷物質(zhì)量，和流量計量方法進(jìn)行對比，測產(chǎn)系統(tǒng)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(huán)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(shè)計流程

軟件部分主要包括I/O端口的初始化、定時計數(shù)器初始化及外部程序的開啟，完成數(shù)據(jù)采集后判斷數(shù)據(jù)采集是否結(jié)束。如果采集結(jié)束，則在LCD輸出數(shù)據(jù)結(jié)果。

4聯(lián)合收獲機(jī)自動測產(chǎn)性能測試

收獲機(jī)自動測產(chǎn)系統(tǒng)的性能可以通過設(shè)計樣機(jī)進(jìn)行測試，在普通聯(lián)合收割機(jī)上，按照本文的原理設(shè)計測產(chǎn)系統(tǒng)后，利用單片機(jī)技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行控制，并通過軟件編程引入變權(quán)分層激活擴(kuò)散模型。測試樣機(jī)如圖10所示。

圖10　收割機(jī)測試過程示意圖

利用測產(chǎn)系統(tǒng)的傳感器可以采集得到產(chǎn)量的模擬信號，模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換可以直接輸出數(shù)字信息，數(shù)字信息由LCD顯示屏讀出。A/D轉(zhuǎn)換的過程如圖11所示。

圖11　A/D轉(zhuǎn)換流程圖

為了使傳感器輸出計算機(jī)可以直接處理數(shù)據(jù)，需要對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對每一次轉(zhuǎn)換都進(jìn)行一次判斷，利用變權(quán)分層激活擴(kuò)散模型剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，然后完成對數(shù)據(jù)的存儲。

表1為利用聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行測產(chǎn)得到的測試結(jié)果。由表1可以看出：預(yù)測值和真實值的結(jié)果比較接近，說明變權(quán)分層激活擴(kuò)散模型在測產(chǎn)過程中對誤差的判斷較為準(zhǔn)確，從而提高了裝置的可靠性。

表1　聯(lián)合收獲機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)測試結(jié)果

5結(jié)論

1)基于變權(quán)分層激活擴(kuò)散誤差剔除理論，采用單片機(jī)、霍爾傳感器和電容壓力傳感器，設(shè)計了一種新的谷物聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)，并將其裝載到了聯(lián)合收割機(jī)上；使用ADC0804差分式A/D轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計了模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并設(shè)計了數(shù)據(jù)結(jié)果輸出的LCD顯示屏。

2)在普通的聯(lián)合收割機(jī)上裝載了測產(chǎn)系統(tǒng)，對谷物的實際產(chǎn)量進(jìn)行了測試，并將測試結(jié)果和實際值進(jìn)行了對比。由結(jié)果對比可以看出：測產(chǎn)系統(tǒng)得到的測試值和實際值基本吻合，從而驗證了測產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)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(jī)集成制造系統(tǒng),2010, 16(12):2757-2762.

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

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

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

[5]介戰(zhàn).我國谷物隨機(jī)損失率測試展望[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(7):5-9.

[6]周利明,張小超,劉陽春,等.聯(lián)合收獲機(jī)谷物損失測量 PVDF 陣列傳感器設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2010,41(6):167-171.

[7]李俊峰,介戰(zhàn). 聯(lián)合收割機(jī)谷物損失測試研究探討[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(12):248-250.

[9]梁振偉,李耀明,趙湛,等.切縱流聯(lián)合收獲機(jī)夾帶損失監(jiān)測方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(S2):179-183.

[10]李耀明,梁振偉,趙湛,等.聯(lián)合收獲機(jī)谷物損失實時監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)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(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)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(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(10):46-52.

[13]張玉龍,歐陽斌林,等.基于GPS技術(shù)的收獲機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機(jī)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(shù)的谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選損失監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(2):85-87.

[15]仇華錚,陳樹人,張林林.谷物產(chǎn)量智能測產(chǎn)監(jiān)測器的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(2):130-133.

[16]周俊,劉成良.平行梁沖量式谷物質(zhì)量流量傳感器信號處理方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2010,41(8):171-174.

[18]黃小英,陳樹人.基于GPS技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)測速探索[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(12):155-157.

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

[20]范傳陽,聶詩良.基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量及輸出4～20mA電流的系統(tǒng)設(shè)計[J].西南科技大學(xué)學(xué)報, 2012,27(1):74-76.

[21]張小超,胡小安,張愛國,等.基于稱重法的聯(lián)合收獲機(jī)測產(chǎn)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010,26(3):125 -129.

[22]高建民,李揚波,郝磊斌,等.壓電式谷物質(zhì)量流量傳感器設(shè)計及試驗[J].江蘇大學(xué)學(xué)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(shè)計與性能試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)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(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(16):41-46.

[25]程偉,劉國璧.灰色系統(tǒng)理論在糧食產(chǎn)量預(yù)測中的應(yīng)用[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報,2008,18(3):64-66.

[26]郭慶春,何振芳,李力.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的糧食產(chǎn)量預(yù)測模型[J] .湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),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(chǎn)量預(yù)測[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)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(xiàn)標(biāo)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(xué)基金項目(2014FB040)

收稿日期：2015-09-11