本發(fā)明涉及農業(yè)機械領域，具體地說，涉及了一種聯合收割機谷物含水率在線檢測裝置及方法。

背景技術：

糧食是人類必不可少的生存基礎，糧食安全是與民生安全有著密不可分的聯系。在我國，糧食收獲后經加工、運輸、貯藏、消費等環(huán)節(jié)后，由于糧食含水率不符合貯藏標準，損失率達到18％，遠遠超過國際上所規(guī)定的5％的標準值。糧食含水率檢測技術不完善、檢測精度不高是造成這一現象的主要原因之一。因此糧食中的含水率是影響糧食質量的重要因素，它也是國內外糧食部門嚴格控制的一項重要的質量指標。

同時在運用聯合收割機對谷物收割過程中，為獲得較準確的產量信息以及全面分析谷物的損失率，要求對谷物的含水率在收割過程中進行實時的檢測，只有將聯合收割機檢測到的產量信息折算到一個固定統一含水率的谷物重量時，所檢測產量才具有實際意義，才能更加全面的分析出損失率產生的原因。

現階段，谷物含水率裝置大多應用于谷物收割后，用來檢測干燥前后的谷物含水率，以便達到最佳貯藏狀態(tài)。其大多為取樣靜態(tài)檢測裝置，不能滿足實時檢測的要求。美國CASE公司研制的谷物含水率在線檢測裝置已投入到聯合收割機上進行使用，此款含水率檢測裝置采用電容式檢測原理，將取樣裝置安裝在糧箱內的輸糧攪龍底部，并在將輸糧攪龍的管壁上開一個口，使部分糧食落入取樣通道中完成檢測。其測量誤差可達到1％以內，但是其價格昂貴，引進成本較高。

我國在谷物含水率在線測量運用在聯合收割機上的研究起步較晚,還停留在技術研究、理論分析階段。在谷物含水率的檢測過程中受到環(huán)境溫度以及谷物密度的影響較大，較難獲得較為準確的測量值?，F階段國內將含水率檢測運用在聯合收割機上，并能夠進行實時檢測的，有北京農業(yè)大學的方建卿。其采用電容式檢測原理，在收割機的輸糧攪龍上開一個取樣口，使部分糧食通過取樣口經過取樣通道落入檢測裝置中進行檢測，當檢測裝置中的傳感器檢測到糧食達到一定高度時，通過螺旋輸送器將糧食強行排出，實現糧食的不斷更新。但是其只考慮到了環(huán)境溫度因素對檢測值影響，不能更加精確的測量出谷物含水率。

技術實現要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種聯合收割機谷物含水率在線檢測裝置及方法，采用如下技術方案：

一種聯合收割機谷物含水率在線檢測裝置，包括谷物取樣裝置和含水率測量裝置；

所述谷物取樣裝置包括取樣盒和取樣控制機構；所述取樣盒包括盒體、位于盒體上面的上薄板和位于盒體下面的下薄板；所述取樣控制機構包括伺服電機A和伺服電機B、曲柄連桿機構A和曲柄連桿機構B；所述曲柄連桿機構A的兩端分別連接所述上薄板和所述伺服電機A；所述伺服電機A正轉時能夠通過所述曲柄連桿機構A帶動所述上薄板閉合，反轉時帶動所述上薄板移開；所述曲柄連桿機構B的兩端分別連接所述下薄板和所述伺服電機B；所述伺服電機B正轉時能夠通過所述曲柄連桿機構B帶動所述下薄板閉合，反轉時帶動所述下薄板移開；

所述含水率測量裝置包括傳感器單元和單片機，所述傳感器單元與所述單片機相連；所述傳感器單元布置在所述取樣盒內部，包括溫度傳感器、壓力傳感器、含水率傳感器和物位傳感器；所述單片機一方面通過電機控制系統控制所述伺服電機A和所述伺服電機B轉動，另一方面接收傳感器單元的信號并進行處理得出谷物含水率。

進一步，本發(fā)明檢測裝置還包括機座，所述機座為一體化的水平板和垂直板；所述取樣盒通過螺栓固定在所述水平板上；所述伺服電機A、所述伺服電機B、以及所述電機控制系統和所述單片機均固定在所述垂直板上。

進一步，所述取樣盒的前后面板內側的上下位置分別開一字槽，所述上薄板、所述下薄板在曲柄連桿機構的作用下能夠在所述一字槽內進行直線抽拉式運動；所述上薄板的板面設置為弧形，當上薄板閉合時出糧口輸出的糧食順著弧形面落入糧箱中，不在上薄板上堆積；所述電機控制系統為伺服驅動器。

進一步，所述物位傳感器設置在距離取樣盒底部3/4位置處；所述壓力傳感器設置在所述下薄板上；所述溫度傳感器設置在所述取樣盒內壁；所述含水率傳感器設置在所述取樣盒內壁。

進一步，本發(fā)明檢測裝置還包括顯示屏，所述顯示屏與所述單片機相連，用于實時顯示處理結果；所述顯示屏安裝在駕駛室內。

進一步，所述檢測裝置通過所述機座側面的垂直板固定在收割機糧箱內壁并使得出糧口對準所述取樣盒。

根據上述的聯合收割機谷物含水率在線檢測裝置，本發(fā)明還提出了一種檢測方法，包括如下步驟：

S1：將檢測裝置通過機座的側面垂直板與糧箱的內壁固定，安裝在糧箱中靠近出糧口的位置，使得谷物從出糧口輸出落入到取樣盒中；當谷物高度達到距取樣盒底端3/4處時，啟動伺服電機A，伺服電機A正轉，使取樣盒的上薄板閉合，電容式含水率傳感器、溫度傳感器以及壓力傳感器開始進行測量，并將測量信號輸出給單片機進行數據處理，并將處理結果通過顯示屏顯示。

S2：單片機處理結束后，啟動伺服電機B，伺服電機B反轉，使取樣盒的下薄板移開，取樣盒中的谷物利用自身重力下落；延時一段時間后，接著控制伺服電機B正轉使下薄板合上、控制伺服電機A反轉使上薄板移開，進行下一次取樣檢測，以此反復。

進一步，所述步驟S1中所述的單片機進行數據處理的方法為：

采集溫度傳感器、壓力傳感器和含水率傳感器所檢測到的信號，利用數據融合技術中的模糊神經網絡預測算法對數據進行處理；具體處理過程如下：

S1.1：網絡初始化、模糊神經網絡訓練；

所述網絡初始化包括：建立樣本數據庫、設置網絡結構、初始化模糊神經網絡參數、初始化模糊隸屬度參數、對樣本數據進行歸一化處理；

所述模糊神經網絡訓練包括：在歸一化的數據樣本中提取訓練樣本、對輸入參數進行模糊化處理、計算每個參數的模糊隸屬度、輸出計算、對模糊隸屬度函數寬度修正值進行計算、對模糊隸屬度函數中心修正值進行計算、最后得到最終修正的隸屬度參數；

S1.2：用訓練好的模糊神經網絡對谷物含水率進行檢測，其過程包括：輸入數據歸一化處理、對輸入參數進行模糊化處理、網絡隸屬度參數計算、根據隸屬度參數得到含水率。

進一步，所述模糊神經網絡的結構中輸入節(jié)點個數設為3，輸出節(jié)點個數設為1，隸屬度函數的個數設為6，采用3-6-1的神經網絡結構。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明采用多信息融合技術，排除在檢測過程中受到環(huán)境溫度及谷物堆密度的影響，提高了含水率檢測的可靠性。

2、所檢測到的含水率通過數據傳輸能夠在駕駛室內的觸摸顯示屏上進行顯示及存儲，便于后期數據信息處理。

3、本發(fā)明在運用聯合收割機對谷物收割過程中，為獲得較準確的產量信息以及全面分析谷物的損失率提供了依據。

附圖說明

圖1是聯合收割機谷物糧箱內含水率在線檢測裝置結構及安裝示意圖。

圖2是聯合收割機谷物糧箱內含水率在線檢測裝置俯視圖。

圖3是含水率測量裝置硬件電路組成框圖。

圖中標記說明：1-機座，2-取樣盒，3-物位傳感器，4-曲柄連桿機構A，5-曲柄連桿機構B，6-伺服電機A，7-伺服電機B，8-電機控制系統，9-含水率傳感器，10-溫度傳感器，11-壓力傳感器，12-控制系統，13-顯示屏，14-上薄板，15-下薄板，16-螺栓。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1和圖2所示聯合收割機糧箱內谷物含水率在線檢測裝置結構及安裝圖，本發(fā)明的檢測裝置包括谷物取樣裝置和含水率測量裝置；所述谷物取樣裝置包括取樣盒2和取樣控制機構；所述取樣盒2包括盒體、位于盒體上面的上薄板14和位于盒體下面的下薄板15；所述取樣控制機構包括伺服電機A6和伺服電機B7、曲柄連桿機構A4和曲柄連桿機構B5；所述曲柄連桿機構A4的兩端分別連接所述上薄板14和所述伺服電機A6；所述伺服電機A6正轉時能夠通過所述曲柄連桿機構A4帶動所述上薄板14閉合，反轉時帶動所述上薄板14移開；所述曲柄連桿機構B5的兩端分別連接所述下薄板15和所述伺服電機B7；所述伺服電機B7正轉時能夠通過所述曲柄連桿機構B5帶動所述下薄板15閉合，反轉時帶動所述下薄板15移開；

所述含水率測量裝置包括傳感器單元和控制系統12，所述控制系統為單片機及其外圍電路，所述傳感器單元與所述單片機相連；所述傳感器單元布置在所述取樣盒2內部，包括溫度傳感器10、壓力傳感器11、含水率傳感器9和物位傳感器3；所述單片機一方面通過電機控制系統8控制所述伺服電機A6和所述伺服電機B7轉動，另一方面接收傳感器單元的信號并進行處理得出谷物含水率。

本發(fā)明的檢測裝置還包括機座1和顯示屏13，所述機座1為一體化的水平板和垂直板；所述取樣盒2通過螺栓16固定在所述水平板上；所述伺服電機A6、所述伺服電機B7、以及所述電機控制系統8和所述單片機均固定在所述垂直板上。所述顯示屏13與所述單片機相連，用于實時顯示處理結果。

取樣盒2的前后面板內側的上下位置分別開一字槽，使上薄板、下薄板在曲柄連桿機構的作用下，在一字槽內進行直線抽拉式運動。所述上薄板的板面為弧形，當上薄板14閉合時，由出糧口輸出的谷物直接從上薄板14上面滑落至糧箱，不會堆積在薄板上。所述電機控制系統采用伺服驅動器。

所述物位傳感器設置在距離取樣盒底部3/4位置處；所述壓力傳感器設置在所述下薄板上；所述溫度傳感器設置在所述盒體內壁；所述含水率傳感器設置在取樣盒內壁。

本發(fā)明的檢測裝置通過所述機座1的側面垂直板固定在收割機糧箱內壁并使得出糧口對準所述取樣盒2。

所述含水率測量裝置的硬件電路組成框圖如圖3所示，主要由高頻電容式含水率傳感器9、溫度傳感器10、壓力傳感器11、物位傳感器3、信號調理電路、STM32單片機、觸摸顯示屏13以及電源模塊組成。高頻電容式含水率傳感器9根據不同物質的介電常數不同的原理來進行工作。常溫下，水的介電常數遠遠大于谷物的介電常數(水為81，干燥谷物約為2)。隨著谷物含水量的不斷增加，其介電常數也相應的不斷增大。因此，若通過電容式含水率傳感器間接檢測出谷物的介電常數，就可以推導出谷物的含水率。溫度傳感器10主要用于采集取樣盒2中環(huán)境溫度。壓力傳感器11主要用于測量谷物的重力，由于取樣盒2中的容積保持不變，根據谷物的重力和谷物體積即可計算出谷物堆密度。

信號調理電路包括振蕩電路、頻率/電壓轉換電路、放大電路、濾波電路。高頻電容式含水率傳感器通過振蕩電路將電容極板之間介電常數的變化轉為頻率的變化，輸出的頻率信號通過頻率/電壓轉換電路將頻率信號轉為電壓信號供后續(xù)電路處理。放大電路將溫度傳感器、壓力傳感器、頻率/電壓轉換電路輸出的3路電壓信號進行放大，放大后的電壓信號通過濾波電路去除噪聲信號供單片機進行后續(xù)的數據處理。

本發(fā)明檢測裝置的工作過程和原理如下：

S1：將檢測裝置通過機座1的側面垂直板與糧箱的內壁固定，安裝在糧箱中靠近出糧口的位置，谷物從出糧口輸出落入到取樣盒2中，當谷物高度達到距取樣盒底端3/4處(即物位傳感器3接收到物位信號時)，啟動伺服電機A6，伺服電機A6正轉，使取樣盒的上薄板14合上(初始時，上薄板移開，下薄板閉合)，電容式含水率傳感器、溫度傳感器10以及壓力傳感器11開始進行測量，并將測量信號輸出給后續(xù)單片機進行數據處理。

S2：數據處理結束后，啟動伺服電機B7，伺服電機B7反轉，使取樣盒的下薄板15移開，取樣盒2中的谷物利用自身重力下落。利用單片機程序進行軟件延時10s后，接著控制伺服電機B正轉使下薄板15合上、控制伺服電機A反轉使上薄板14移開，進行下一次取樣并檢測，以此重復，從而實現實時在線檢測。

其中，數據處理方法為：采集三類傳感器(溫度傳感器、壓力傳感器和含水率傳感器)所檢測到的電壓信號，利用數據融合技術中的模糊神經網絡預測算法對數據進行處理。在整個算法中經過濾波電路濾除信號后的3路電壓信號作為算法的輸入，數據處理后的含水率作為輸出。由于輸入維數為3，輸出數據維數為1，確定神經網絡結構中輸入節(jié)點個數為3，輸出節(jié)點個數為1，根據輸入輸出結點個數擬定隸屬度函數個數為6，所以采用3-6-1的網絡結構。數據處理的具體過程包括：

網絡初始化、模糊神經網絡訓練。其中網絡初始化包括：建立樣本數據庫、設置網絡結構、初始化模糊神經網絡參數、初始化模糊隸屬度參數、對樣本數據進行歸一化處理。模糊神經網絡訓練包括：從已經歸一化的數據樣本中提取訓練樣本、對輸入參數進行模糊化處理、計算每個參數的模糊隸屬度、輸出計算、對模糊隸屬度函數寬度修正值進行計算、對模糊隸屬度函數中心修正值進行計算、最后得到最終修正的隸屬度參數。用訓練好的模糊神經網絡對谷物含水率進行檢測，其過程包括：輸入數據歸一化處理、對輸入參數進行模糊化處理、網絡隸屬度參數計算、根據隸屬度參數得到含水率，將谷物含水率在觸摸屏上進行實時顯示。

上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。