机身倾斜导致谷物流量传感器零点漂移的补偿

２００９年９月农业机械学报第４０卷增刊机身倾斜导致谷物流量传感器零点漂移的补偿胡均万１，２罗锡文１陈树人３李耀明３杨洪博３（１华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州５１０６４２；２嘉应学院电子信息工程学院，梅州５１４０１５；３江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，镇江２１２０１３）【摘要】当联合收获机倾斜时谷物流量传感器因发生严重的零点漂移而导致较大的测量误差。通过对单板冲击式谷物流量传感器的倾斜试验发现，传感器的零点电压与联合收获机的倾斜角度成线性关系，当联合收获机左右倾斜１５°时，零点漂移电压达２５４犿犞，可能导致－８３％～２８％的测量误差。为了消除倾斜导致的零点漂移，在单板冲击式流量传感器后面增加一个与冲击板结构相同的参考检测板，构成双板差分冲击式谷物流量传感器。倾斜试验发现，在联合收获机左右倾斜１５°范围内，冲击板和参考板的零点电压的变化一致，使用差分算法补偿后的零点漂移从２５４犿犞降低到１犿犞。关键词：冲击式谷物流量传感器倾斜零点漂移补偿中图分类号：犛１２６；犛２３７文献标识码：犃犣犲狉狅犱狉犻犳狋犆狅犿狆犲狀狊犪狋犻狅狀狅犳犐犿狆犪犮狋犫犪狊犲犱犌狉犪犻狀犉犾狅狑犛犲狀狊狅狉犳狅狉犜犻犾狋犲犱犆狅犿犫犻狀犲犎犪狉狏犲狊狋犲狉犎狌犑狌狀狑犪狀１，２犔狌狅犡犻狑犲狀１犆犺犲狀犛犺狌狉犲狀３犔犻犢犪狅犿犻狀犵３犢犪狀犵犎狅狀犵犫狅３（１犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犓犲狔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔狅狀犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犕犪犮犺犻狀犲犪狀犱犈狇狌犻狆犿犲狀狋，犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀，犛狅狌狋犺犆犺犻狀犪犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犌狌犪狀犵狕犺狅狌５１０６４２，犆犺犻狀犪２．犛犮犺狅狅犾狅犳犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮牔犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犑犻犪狔犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犕犲犻狕犺狅狌５１４０１５，犆犺犻狀犪３犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犕狅犱犲狉狀犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犈狇狌犻狆犿犲狀狋犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀，犑犻犪狀犵狊狌犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犣犺犲狀犼犻犪狀犵２１２０１３，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋犣犲狉狅犱狉犻犳狋狅犳狋犺犲犵狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉犾犲犪犱狊狋狅犪狊犻犵狀犻犳犻犮犪狀狋犲狉狉狅狉狑犺犲狀狋犺犲犮狅犿犫犻狀犲犺犪狉狏犲狊狋犲狉狋犻犾狋犲犱．犜犺犲狆狌狉狆狅狊犲狅犳狋犺犻狊狆犪狆犲狉犻狊狋狅狊狋狌犱狔狋犺犲犲犳犳犲犮狋狊狅犳犮狅犿犫犻狀犲犺犪狉狏犲狊狋犲狉狋犻犾狋狅狀狋犺犲狕犲狉狅犱狉犻犳狋狅犳狋犺犲犻犿狆犪犮狋犫犪狊犲犱犵狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉，犪狀犱狆狉狅狆狅狊犲犪狀犻狀狀狅狏犪狋犲犱犵狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉狋犺犪狋犮犪狀狊狋犪犫犻犾犻狕犲狕犲狉狅犱狉犻犳狋狑犺犲狀犮狅犿犫犻狀犲犺犪狉狏犲狊狋犲狉狋犻狋犾犲犱．犠犻狋犺狋犺犲狊犻狀犵犾犲狆犾犪狋犲犻犿狆犪犮狋犫犪狊犲犱犵狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉犳犻狓犲犱犻狀犪犮狅犿犫犻狀犲犺犪狉狏犲狊狋犲狉，狋犺犲狕犲狉狅犱狉犻犳狋狏狅犾狋犪犵犲狅犳狋犺犲犵狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉犻狊狉犲犮狅狉犱犲犱狑犺犻犾犲狋犺犲犮狅犿犫犻狀犲犺犪狉狏犲狊狋犲狉狋犻犾狋犲犱犫犲狋狑犲犲狀－１５°犪狀犱１５°．犜犺犲狋犲狊狋狉犲狊狌犾狋狊犺狅狑狊狋犺犪狋狋犺犲狉犲犻狊犪犾犻狀犲犪狉狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀狋犺犲狕犲狉狅犱狉犻犳狋犪狀犱狋犺犲狅犫犾犻狇狌犻狋狔，犪狀犱狋犺犲狕犲狉狅犱狉犻犳狋狏狅犾狋犪犵犲犻狊２５４犿犞狑犺犲狀狋犺犲犮狅犿犫犻狀犲犺犪狉狏犲狊狋犲狉狋犻犾狋犲犱犪狋１５°．犃犱狌犪犾狆犾犪狋犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻犪犾犻犿狆犪犮狋犫犪狊犲犱犵狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉犻狊犱犲狏犲犾狅狆犲犱狋狅犮狅犿狆犲狀狊犪狋犲狋犺犲狕犲狉狅犱狉犻犳狋．犜犺犲狋犻犾狋犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狋犺犲狕犲狉狅犱狉犻犳狋狅犳狋犺犲狋狑狅狆犾犪狋犲狊犪狉犲犮狅狀狊犻狊狋犲狀狋犲犪犮犺狅狋犺犲狉，犪狀犱狋犺狌狊狋犺犲狅狏犲狉犪犾犾狕犲狉狅犱狉犻犳狋狏狅犾狋犪犵犲狅犳狋犺犲狊犲狀狊狅狉犻狊狉犲犱狌犮犲犱犳狉狅犿２５４犿犞狋狅１犿犞．犓犲狔狑狅狉犱狊犐犿狆犪犮狋，犌狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉，犜犻犾狋，犣犲狉狅犱狉犻犳狋，犆狅犿狆犲狀狊犪狋犻狅狀收稿日期：２００９０６３０修回日期：２００９０７１８国家“８６３”高技术研究发展计划资助项目（２００６犃犃１０犃３０７）和“十一五”国家科技支撑计划资助项目（２００６犅犃犇１１犃０３）作者简介：胡均万，博士生，嘉应学院实验师，从事农业电气化与自动化研究，犈犿犪犻犾：犺狌犼狌狀狑犪狀＠狋狅犿．犮狅犿通讯作者：罗锡文，教授，博士生导师，从事农业电气化与自动化研究，犈犿犪犻犾：狓狑犾狌狅＠狊犮犪狌．犲犱狌．犮狀引言谷物联合收获机测产系统测量小区作物产量的空间差异，用于反馈本季精准作业的效果并为下一季变量作业提供决策依据。其中，谷物流量传感器是测产系统的核心部件，其测量精度、抗干扰性能对产量图的准确性有决定性的意义［１］，但是当联合收获机车身倾斜时测产系统的测量误差高达６％～６０７％［２～６］。为此，美国农业工程学会精细农业委员会制定了一个测产系统的检验标准犛５７８，该标准规定必须对测产系统进行左右倾斜和前后俯仰测试，俯仰测试的角度范围应尽量达到０°～１０°，倾斜测试的角度范围应尽量达到０°～７°［７～８］。为了研究联合收获机姿态影响规律，在保证联合收获机不发生侧翻的情况下，测试的角度范围可以大于该标准的要求，一般取－１５°～１５°。为了减少联合收获机倾斜带来的误差，犆狅犾狏犻狀等［９］提出了一种用倾斜传感器测量联合收获机姿态的方法消除倾斜产生的误差，犉狌犾狋狅狀等［１０］对犑狅犺狀犱犲犲狉测产系统进行倾斜和俯仰试验发现，测产系统的误差与联合收获机的倾斜和俯仰角度成线性关系，使用倾角传感器修正后，系统产生倾斜误差显著降低，但是误差与倾角的线性相关系数犚２随流量大小变化显著。通过对犉犻犲犾犱狊狋犪狉谷物测产系统倾斜特性的研究，犔狅犵犺犪狏犻等［１１～１２］发现测产系统产生误差的原因，即倾斜导致谷物流量传感器产生了显著的零点漂移，在斜坡上重新校准零点可以减少倾斜误差，但是当联合收获机处于水平后需要重新调节零点。周俊等［１３］提出了一种动态零点算法，以解决平行梁冲量式谷物流量传感器的零点漂移问题，使田间实际测产的相对误差接近１０％。本文通过研究联合收获机姿态变化对冲击式谷物流量传感器零点漂移的影响规律，利用双板差分方法设计一种不受姿态影响的谷物流量传感器。１倾斜对流量传感器零点电压的影响１１试验设备图１单板冲击式谷物流量传感器犉犻犵．１犛犻狀犵犾犲狆犾犪狋犲犻犿狆犪犮狋犫犪狊犲犱犵狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉１．冲击板２．弹性梁３．应变片４．支架试验设备包括单板冲击式谷物流量传感器、信号调理电路、联合收获机、数字万用表和数字罗盘等。单板冲击式谷物流量传感器如图１所示。信号调理电路如图２所示，由仪表放大芯片犃犇６２３及其外围电路构成，放大倍数由犚犠１调节为５００倍，零点电压由犚犠２调节为１犞。谷物流量传感器安装在久保田４８１型半喂入式联合收获机上。数字万用表为犉犾狌狉犮犽，测量电压的分辨率为１犿犞。电子罗盘采用犎狅狀犲狔狑犲犾犾公司生产的犎犕犚３０００型组合数字罗盘，该罗盘内两轴倾斜传感器可以测量±４０°范围内的俯仰和倾斜，分辨率为０１°。将电子罗盘水平安装在联合收获机的驾驶台上，犡方向指向联合收获机的右侧，犢方向指向联合收获机车头方向，可以同时测量联合收获机左、右倾斜和前、后俯仰的角度。图２信号调理电路图犉犻犵．２犐狀狊狋狉狌犿犲狀狋犪犿狆犾犻犳狔犮犻狉犮狌犻狋１２试验方法为了分析左、右倾斜导致零点漂移的规律，首先将联合收获机开到不同坡度的斜坡上，使收获机在±１５°内左、右倾斜（此时前、后俯仰不超过１°），测量不同倾斜角度时传感器的零点电压。然后调整车身姿态，使联合收获机在±１５°范围内俯仰（此时左、右倾斜不超过１°）。测量并记录传感器的零点电压，以分析前、后俯仰对传感器零点电压的影响。１３试验结果与分析试验数据表明，零点漂移主要由联合收获机车身左、右倾斜引起，与车身的俯仰无关。车身左、右倾斜时，谷物流量传感器的零点电压变化如图３所示。图３零点电压与倾角关系图犉犻犵．３犣犲狉狅狆狅犻狀狋狏狅犾狋犪犵犲狏狊狉狅犾犾犱犲犵狉犲犲零点电压与倾斜角度的回归方程为犝０＝１＋０００１６９５θ（１）其中θ＝－１５°～１５°当联合收获机处于水平状态时，谷物流量传感器的零点为１犞。当联合收获机右倾时，零点电压大于１犞，如果系统仍以初始零点计算，则漂移的电压将被误认为是谷物冲击信号；当车身右倾１５°时，８５农业机械学报２００９年零点漂移２５４犿犞，与谷物流量为０５６犽犵／狊的冲击信号的平均电压相当，按满量程２犽犵／狊估算，相对误差达２８％。当联合收获机左倾时，漂移后的零点电压低于系统默认的零点电压，导致谷物冲击信号失真，被截去的冲击信号约占真实冲击信号的１／１２，可能导致－８３％的测量误差。２双板差分冲击式谷物流量传感器原理图４双板差分冲击式谷物流量传感器犉犻犵．４犇狌犪犾狆犾犪狋犲犵狉犪犻狀犳犾狅狑狊犲狀狊狅狉１．支架２．冲击板３．参考板为了消除联合收获机倾斜导致的零点漂移，在单板冲击式谷物流量传感器的基础上增加了一个与冲击板结构完全相同的参考板，构成了如图４所示的双板差分冲击式谷物流量传感器。安装在前面的冲击板用于检测谷物冲击信号，安装在冲击板后面的参考板用于检测联合收获机的振动干扰和倾斜干扰。振动试验表明，该传感器抗振动性能优良［１４］。传感器采用如图５所示的双通道数据采集电路，包括两个仪表放大器和一个单片机。两个通道的仪表放大器均采用犃犇６２３，放大倍数５００倍，放大后的信号分别输入到犆８０５１犉０４０单片机的犃犇犆０和犃犇犆１，然后通过软件算法完成差分过程。分别调整犚犠１和犚犠２，使冲击板对应的仪表放大电路的静态电压为１犞，参考板对应的仪表放大器静态电压为０８犞。图５双通道数据采集电路犉犻犵．５犇狌犪犾犆犎犱犪狋犪犪犮狇狌犻狉犻狀犵犮犻狉犮狌犻狋犃犇犆０通道采集的冲击板的电压信号包括谷物冲击信号、振动干扰、倾斜漂移等。犃犇犆１通道采集参考板的电压信号包括振动干扰和倾斜漂移。振动试验表明，两个通道的振动干扰是同相等幅的，可以通过差分的方法消除［１４］，如果能证明两个通道的倾斜零点漂移规律具有一致性，则可以采用差分的方法消除车身倾斜的影响。３双板差分倾斜试验试验目的是分析两个通道零点漂移与车身倾斜的关系，并检验双板差分冲击式谷物流量传感器的抗倾斜性能。３１试验设备与方法将前述试验设备中的单板冲击式传感器改为双板差分冲击式谷物流量传感器，将单通道的信号调理电路换成双通道数据采集电路，其余设备不变。试验方法和过程同上，当联合收获机左、右倾斜时，同时记录倾斜角度和与倾斜角度对应的犃、犅通道的零点电压，以对比冲击板和参考板的零点漂移规律。按等比例计算差分后的零点电压，以对比差分前、后的零点漂移。３２试验结果与分析犃、犅两个通道的零点电压及差分后的零点电压与联合收获机倾角的关系如图６所示。图６差分前后零点漂移图犉犻犵．６犣犲狉狅狆狅犻狀狋犱狉犻犳狋犫犲犳狅狉犲犪狀犱犪犳狋犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻犪犾当联合收获机左、右倾斜时，犃通道和犅通道的零点漂移回归方程分别为犝犃０＝１＋０００１６９５θ（２）犝犅０＝０８＋０００１６１９θ（３）将两通道的信号等比例差分后，得到谷物流量传感器的零点电压为犝０＝０２＋０００００７２θ（４）根据式（４）计算差分后的零点漂移电压，当联合收获机倾斜１５°时，差分后的零点漂移最大为１犿犞，差分后的零点漂移约为差分前的