传感器在谷物联合收获机中的应用进展及发展方向

总结，并在此基础上，提出了传感器技术在农业机械中的发展方向和重点，以期为我国农业机械智能化技术的研究和发展提供点滴参考。

关键词：谷物联合收获机;传感器技术;自动控制;精准农业;自动导航

中图分类号： S225.3  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）22-0023-07

根据国标GB/T 7665—2005《传感器通用术语》，传感器的定义为能感受规定的被测量，并按照一定规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。联合收割机作为一种复杂的农业机械，通过传感器技术的应用实现自动化和智能化，从而提高作业效率和作业质量，减少故障发生，国外已广泛应用，取得显著成效[1-2]。例如，依靠高度自动化的农业装备技术，德国不到2%的农业从业人员对国内生产总值（GDP）的贡献率超过7%，而中国农业从业人员为70%，对GDP的贡献率为10%左右。我国联合收割机自动化及智能化水平较低，且工况恶劣，工作时负荷波动大，故障率高。与国外相比，我国稻麦联合收割机自动化程度落后30年以上。据农业部调查统计，1999年我国联合收割机平均无故障工作时间不足9 h;2000年跟踪调查3家质量较好的企业，无故障工作时间也仅为19.1 h[3]。此外，国内联合收获机还普遍存在工作效率低、损失大等问题，如大豆联合收获总损失率为9.8%～19.3%，油菜联合收获总损失率为12%～15%[4-5]。因此，通过智能化技术提升我国谷物联合收割机的可靠性，减少收获损失，提高作业质量已成为当务之急[6-7]。

1 传感器技术在国内外谷物联合收割机中的应用

20世纪70年代，苏联就将传感器技术应用于收获损失率监测。与此同时，美国、英国以及德国等也开始研究传感器在收获机械中的应用[7]。如今，传感器技术在国外被广泛地应用于谷物流量监测、速度自动控制、安全报警系统、割台高度自动控制等环节中，图1为安装有各种传感器的谷物联合收割机。英国Massey Ferguson公司的收获机械装有自主研发的农田之星系统，该系统可实现机器故障的自动报警，降低了机器故障率，提高了工作效率[8-9]。图2为约翰迪尔新研发的S700系列谷物联合收割机检测及控制系统显示屏，该款产品应用了更多的智能技术，该机可通过自动校正技术完成作业边界的自动调整。此外，驾驶员可通过驾驶室的显示屏实时观测谷物收获过程中的抛洒和清选效果。目前，我国传感器在谷物收获机械收获过程实时监测及重要工作部件的自动控制方面应用很少，基本没有商品化的产品，但国内相关工作人员也在这些方面做了相应研究。

1.1 谷物自动测产

谷物自动测产系统是精细农业关键技术之一，也是实施农田精细管理的基础。目前，美国90%以上的联合收获机都安装有谷物流量监测系统[10]。测产方式主要有冲量式、光电容积式、γ射线式和称质量式等[11-12]。美国Micro Track公司的Grain-Track系统、Ag Leader公司的PF advantage系统和CASE IH公司的AFS系统都是基于冲量式流量测量原理[13]。目前，市场上的产品在实际应用过程中还是存在测量误差较大、产量空间分辨率不高和通用性不强等问题[14]。

国外对测产系统的研究主要有2个方面，一方面是对谷物流量传感器结构原理、信号处理方法及产量模型的研究;另一方面是对产量图的误差分析和时空变异性研究[15]。为提高测产精度，Reinke等利用离散元模型仿真手段，通过研究谷物联合收割机工作特性、谷物物理特性及两者之间相互作用机制，建立了谷物流量与其动量、摩擦系数及密度等各参数之间的非线性模型，采用该模型在试验平台上的最大测量误差为4.02%，其测产精度不稳定[16-17]。Shoji等建立了一种适合日本谷物联合收割机的非线性谷物流量模型，经测产试验，当升运器速度稳定时，其相对均方根误差是4.4%[18-19]。在国内，中国农业大学首先对γ射线式和冲量式谷物流量传感器技术进行了研究，但仍处于试验阶段[20]。为解决国外谷物测产系统存在的精度以及稳定性等问题，国内也有人做了改进研究。为解决冲量式谷物质量流量传感器测量精度易受收获机基础振动的影响，周俊等提出了通过动力消振原理增加弹性元件阻尼的方法，并针对阻尼处理前后的弹性元件，做了冲击响应试验[21];胡均万等设计了一种双板冲量式谷物流量传感器及其差分消振电路，其结构如图3所示[22]。

1.1.1 冲量式谷物流量传感器结构及特点 冲量式谷物流量传感器的工作原理是基于电阻应变式传感器的，其结构如图4所示。该传感器安装在联合收割机升运器出口处，当谷物被升运器刮板推出升运器出口时，抛出的谷物撞击在弹性受力板上，使其发生变形，使传感器中的电阻应变片输出的电阻发生变化，进而导致传感器转换电路输出电压发生变化。具体为谷物流量越大，对弹性元件冲击变形越大，使输出电压越大;谷物流量越小，对弹性元件的冲击越小，输出电压也越小。通过标定使输出电压信号转变为谷物质量流量值来完成联合收割机出粮口的谷物流量测量。该传感器的优点是技术成熟、成本较低、使用安全、应用广泛，但其敏感元件易受收割机振动及外界噪声、搅龙速度、谷物品种以及谷物含水量等的影响[23]。此外，其存在结构复杂，且安装调试困难等缺点。

1.1.2 γ射线式谷物流量传感器基本结构及特点 γ射线传感器由γ射线源和射线检测装置构成（图5）。其基本原理是γ射线射到某种物质时辐射强度会减弱，且服从指数衰减规律，衰减公式如下：

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