魏　純，李　明，余良俊，朱　莉

(1.武漢東湖學院 電子信息工程學院，武漢　430212；2.空軍預警學院 信息管理中心，武漢　430010；3.武漢工程科技學院，武漢　430200；4.湖北工業(yè)大學 太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢　430068)

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基于Kalman濾波的聯(lián)合收獲機籽粒清選損失監(jiān)測研究

魏純1，李明2，余良俊3，朱莉4

(1.武漢東湖學院 電子信息工程學院，武漢430212；2.空軍預警學院 信息管理中心，武漢430010；3.武漢工程科技學院，武漢430200；4.湖北工業(yè)大學 太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430068)

摘要：為了解決谷物籽粒撞擊信號碼間串擾問題，實現(xiàn)聯(lián)合收獲機工作過程中谷物損失量的實時監(jiān)測，并提高監(jiān)測的精度，設計了一種新的籽粒清選監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Kalman濾波的方法縮短了籽粒撞擊板信號的衰減時間，從而可以有效地降低信號的碼間串擾。為了驗證系統(tǒng)的有效性和可靠性，對籽粒清選系統(tǒng)進行了測試，選取了兩組飽滿程度不同的籽粒作為研究對象，通過測試得到了兩組籽粒的撞擊電壓響應曲線，并分別對比了Kalman濾波和未濾波的信號衰減曲線和籽粒的清選誤差。由對比結果可以發(fā)現(xiàn)：Kalman濾波能明顯地縮短信號的衰減時間，降低了籽粒間碼間串擾對系統(tǒng)監(jiān)測精度的影響及清選誤差，大大提高了籽粒損失監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率，為聯(lián)合收割機的優(yōu)化設計提供了理論參考。

關鍵詞：聯(lián)合收獲機；碼間串擾；籽粒清選；衰減時間；Kalman濾波

0引言

聯(lián)合收獲機在田間作業(yè)時，不可避免地會產生籽粒清選損失，損失率是衡量聯(lián)合收獲機作業(yè)性能的重要技術指標，也是聯(lián)合收獲機工作參數(shù)調整的主要依據。實現(xiàn)聯(lián)合收獲機工作過程中籽粒清選損失監(jiān)測的核心問題就是研制籽粒監(jiān)測系統(tǒng)，而傳感器籽粒信號存在衰減問題，如果單籽粒的衰減時間過長，會產生籽粒間信號的碼間串擾問題。因此，要提高籽粒清選的精度，必須把籽粒間的碼間串擾的影響降到最低。

Kalman濾波的實質是由量測值重構系統(tǒng)的狀態(tài)向量，它以“預測—實測—修正”的順序遞推，根據系統(tǒng)的量測值來消除隨機干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據系統(tǒng)的量測值從被污染的系統(tǒng)中恢復系統(tǒng)的本來面目。本文在聯(lián)合收割機的籽粒清選信號濾波的過程中引入了該種濾波方法，從縮短信號的衰減時間入手，降低了籽粒間碼間串擾的影響，從而提高籽粒清選系統(tǒng)的監(jiān)測精度。

1聯(lián)合收獲機籽粒清選監(jiān)測及碼間串擾

聯(lián)合收獲機籽粒的損失率和谷物產量與清選損失質量有關。單位時間內，聯(lián)合收獲機作業(yè)面積的谷物產量為聯(lián)合收獲機作業(yè)幅寬、作業(yè)速度和單位面積產量三者之積，單位時間內的清選損失質量，可以通過累計清選損失谷物籽粒數(shù)的方法獲得。清選監(jiān)測系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1　監(jiān)測總體設計

在聯(lián)合收獲機籽粒的清選過程中，每個籽粒撞擊傳感器應變片后會產生一個脈沖信號，但這個脈沖信號存在較長時間的衰減過程。當多個籽粒落下的時間間距較短時，前一個籽粒的信號衰減會影響后一個信號的判別，其原理如圖2所示。

圖2　籽粒撞擊信號碼間串擾示意圖

在最后一個時刻，第1信號碼元、第2信號碼元、第3號碼元等的值還沒有消失，勢必影響第4個碼元的判決。前一個信號的衰減波形會串到下一個時刻信號中，影響信號的采集。

圖3　Kalman濾波過程示意圖

為了解決籽粒間信號的碼間串擾問題，本文在監(jiān)測系統(tǒng)中引入了卡爾曼濾波方法。該方法可以有效的縮短信號的衰減時間，降低碼間串擾，最終輸出比較準確的籽粒撞擊應變片的信號。

2籽粒清選系統(tǒng)Kalman濾波原理

在聯(lián)合收割機籽粒清選的過程中，為了對籽粒信號碼間串擾進行數(shù)學分析，首先假設籽粒撞擊產生的信號為為單位沖激序列δ(t)，于是發(fā)送濾波器的輸入信號可以表示為

(1)

其中，ak表示第k個碼元，Ts表示信號周期，則信號響應方程可以表示為

(2)

其中，nR(t)是濾波之后的輸出噪聲，h(t)是H(w)的傅里葉反變換，其表達式為

(3)

(4)

當j=k時，有

y(t0+jTs)=ajh(t0)+

(5)

其中，ajh(t0)是輸出籽粒信號的第j個碼元在抽樣瞬間t=t0+jTs所取得的值，是aj的依據；而第2項對aj的判決其干擾作用。為了降低碼間串擾的影響，引入Kalman濾波算法，首先設計一個離散控制過程系統(tǒng)，其表達式是一個線性隨機微分方程，有

X(k)=A·X(k-1)+B·U(k)+W(k)

(6)

其中，Xk是k時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，A和B是系統(tǒng)參數(shù)，U(k)是k時刻對系統(tǒng)的控制量，其表達式為

(7)

再加上系統(tǒng)的測量值，有

Z(k)=H·X+V(k)

(8)

其中， Zk是k時刻的測量值；H是測量系統(tǒng)的參數(shù)，對于多測量系統(tǒng)，H為矩陣；W(k)和V(k)分別表示過程噪聲和測量噪聲。首先利用系統(tǒng)的過程模型，來預測下一狀態(tài)的系統(tǒng)。假設現(xiàn)在的系統(tǒng)狀態(tài)是k，根據系統(tǒng)的模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預測出現(xiàn)在狀態(tài)，則有

(9)

3聯(lián)合收獲機籽粒清選監(jiān)測系統(tǒng)測試

為了驗證籽粒清選監(jiān)測信號Kalman濾波方法的有效性和可靠性，本研究對籽粒清選系統(tǒng)進行了測試，包括飽滿籽粒和非飽滿籽粒的響應及籽粒撞擊信號的衰減。傳感器應變片的布置如圖4所示。

圖4　傳感器感應片示意圖

當谷物的籽粒撞擊到感應層時，感應層會隨之產生相應的形變，這時兩層感應器片在撞擊力的作用下閉合；當籽粒與感應片分離時，感應器片分開，最終形成脈沖電路。

如圖5所示，為了驗證本文設計的濾波系統(tǒng)的有效性與可靠性，本次測試中選用了飽滿籽粒和非飽滿籽粒兩種樣品作為測試對象，通過測試得到了兩組不同的電壓信號響應曲線。

圖5　測試樣品

圖6為單顆飽滿籽粒撞擊的電壓響應曲線。由圖6可以看出：在籽粒撞擊后，電壓產生最大值，并逐漸衰減。為了進一步驗證系統(tǒng)的可靠性，對非飽滿籽粒也做了測試，其結果如圖7所示。

圖6　飽滿籽粒電壓響應圖

圖7　非飽滿籽粒響應圖

由圖7可以看出：在籽粒撞擊后，電也從最大值逐漸衰減，但電壓的最大值明顯小于飽滿顆粒的。這是由于非飽滿顆粒產生的撞擊力小，因此應變片變形小，從而產生了較低的電壓，與理論意義相符合，從而驗證了系統(tǒng)的可靠性。

圖8為未濾波之前的衰減曲線。從圖8可以看出：信號衰減時間較長，這對籽粒間信號的串擾產生了較大的影響，會降低系統(tǒng)的測試精度。通過Kalman濾波后得到了如圖9所示的信號衰減曲線。

圖8　未濾波信號衰減曲線

圖9　Kalman濾波后信號衰減曲線

由圖9可知：通過Kalman濾波后，信號衰減時間有所縮短，可以有效地降低籽粒間信號的碼間串擾問題。

為了進一步測試系統(tǒng)的有效性，對濾波和未濾波的進行了多組測試，得到了如表1所示的結果。

對系統(tǒng)進行了8次測試，得到了8組籽粒清選的誤差結果。由表1可以看出：使用Kalman濾波方法可以有效地提高籽粒清選的準確性，降低系統(tǒng)誤差，是一種可靠的籽粒清選監(jiān)測信號的濾波方法。

表1　籽粒清選監(jiān)測結果誤差測試

4結論

1)依據卡爾曼濾波原理，設計了一種新的聯(lián)合收獲機籽粒清選監(jiān)測系統(tǒng)，結合碼間串擾的基本理論，引入了一種可以有效縮短籽粒撞擊信號衰減時間的方法，并對該方法和系統(tǒng)進行了測試和驗證。

2)設計了傳感器應變片布置的基本形式，選取了兩種不同飽滿程度的籽粒，對籽粒撞擊板過程的電壓信號響應和信號衰減進行了測試，對籽粒清選誤差進行了8組實驗，得到了誤差監(jiān)測結果。

3)通過對比使用和未使用卡爾曼濾波系統(tǒng)測試的結果發(fā)現(xiàn)，在聯(lián)合收獲機籽粒清選系統(tǒng)中使用卡爾曼濾波后，可以有效地縮短信號衰減的時間，提高籽粒清選監(jiān)測結果準確度。

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Research on Loss Monitoring of Grain Cleaning in Combine Harvester Based on Kalman Filter

Wei Chun1, Li Ming2, Yu Liangjun3, Zhu Li4

(1.School of Electronic and Information Engineering,Wuhan Donghu University, Wuhan 430212, China; 2.Information Management Center, Air Force Early Warning Academy of PLA, Wuhan 430010, China; 3.Wuhan University of Engineering Science,Wuhan 430200, China; 4.Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Abstract：In order to reduce the impact of interference signal code of cereal grains, achieve real-time monitoring work combine harvester process quantity, and improve the monitoring accuracy, it designs a new seed sorting and monitoring system.The system uses the method of Kalman filtering to shorten the decay time of the impact plate grain collision signal, which can effectively reduce the interference problem between signal code. In order to verify the validity and reliability of the system, the grain cleaning system has been tested by choosing two groups of different grain plumpness degree as the research objects. Through the test has been bombarding voltage response curves of two groups of grain. Finally, respectively Kalman filter and the unfiltered signal attenuation curve and grain cleaning error, by contrast the results,it can be found that Kalman filter can shorten the signal decay time obviously, which reduces the influence among grain inter symbol interference on the system monitoring precision, and reduces the cleaning error.And it greatly improves the grain loss monitor of the working efficiency in the system, which provides the theory reference for optimization design of combine harvester.

Key words：combine harvester; inter symbol interference; grain cleaning; decay time; Kalman filter

文章編號：1003-188X(2016)03-0023-05

中圖分類號：S225.3

文獻標識碼：A

作者簡介：魏純(1983-)，女，武漢人, 講師，碩士。通訊作者：朱莉(1982-)，女，武漢人，講師，博士，(E-mail)zhulizhuli1982@163.com。

基金項目：湖北省自然科學基金計劃面上項目(2013CFB418);太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心項目(HBSKFMS2014032)

收稿日期：2015-02-14