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CN110235601A - 联合收获机割茬高度自动调控系统及调控方法 - Google Patents

联合收获机割茬高度自动调控系统及调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了联合收获机割茬高度自动调控系统及调控方法，包括机械接触式传感器、超声波传感器、用于调节割茬高度的液压系统和控制器。机械接触式传感器和超声波传感器组合检测割台离地高度，以提高检测的准确性、降低单一传感器检测时的误差。其中机械接触式传感器通过仿形板带动角度传感器转动，进而计算出离地高度，并且机械接触式传感器在联合收获机倒退和转向时可实现转动，从而保证仿形板不会卡死折断。机械接触式传感器和超声波传感器检测信号后传输给控制器，控制器运算处理后通过比例阀调节液压缸伸缩使割台进行升降，最终确保割茬高度保持在一定范围内。

Description

联合收获机割茬高度自动调控系统及调控方法
技术领域
本发明属于农业机械自动化领域，具体地涉及联合收获机割茬高度自动调控系统及调控方法。
背景技术
我国联合收获机产量大但自动化水平不高，近年来我国联合收获机自动化正在不断发展。实现联合联合收获机割茬高度自动调控确保获得稳定留茬将有利于获得稳定的喂入量减少粮食损失，也方便下一次耕作。目前割茬高度的调控主要是通过驾驶员根据经验手动操作来完成的，驾驶员劳动强度大。现有技术中，有利用仿形板来控制割茬高度的装置，但仿形板在柔软的水田里易下陷，遇到秸秆时会产生较大误差，且在收割机转弯时仿形板受到侧向力影响仿形板性能；也存在利用超声波传感器来控制割茬高度的系统，但超声波传感器易受秸秆、土块等杂物的影响。所以使用单一传感器来检测割茬高度存在较大误差且可靠度低，目前没有一套可靠的系统来调控割茬高度。
发明内容
本发明的目的是提供联合收获机割茬高度自动调控系统及调控方法，以解决当前单一传感器对割茬高度控制的可靠性差的问题，减轻驾驶员的作业强度，提高割茬高度控制的准确性。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
联合收获机割茬高度自动调控系统，包括超声波传感器、机械接触式传感器、液压系统以及控制器，机械接触式传感器安装于联合收获机割台两侧，且位于割刀的后方，超声波传感器安装于联合收获机两边的分禾器内部，超声波传感器和机械接触式传感器将采集的信息传输给控制器，控制器通过液压系统调整割台高度。
上述方案中，所述机械接触式传感器包括仿形板、角度传感器，仿形板一端套在角度传感器的传感轴上，角度传感器安装在连接件的薄板上，连接件的阶梯轴安装于壳体上，壳体安装在安装支架上，薄板远离阶梯轴的一侧设有方杆，壳体与安装支架前后侧面之间设有复位扭簧，角度传感器的传感轴上套有扭簧。
上述方案中，所述壳体前后端设两根第一圆柱体，安装支架前后端设有第二圆柱体，复位扭簧中间安装在第二圆柱体上，两端卡在壳体的第一圆柱体上。
上述方案中，所述扭簧下端卡在仿形板上表面，两末端卡在连接件的阶梯轴上。
上述方案中，所述仿形板为弓形的曲面窄薄板。
联合收获机割茬高度自动调控方法，超声波传感器和机械接触式传感器检测自身离地高度，并输送给控制器，控制器将接收的信号转换为留茬高度值，计算有效数据的平均值作为当前留茬高度，判断当前留茬高度是否在设定留茬高度范围内，如果不在，控制器由当前留茬高度值计算出液压缸伸缩量，通过调节比例阀驱动液压缸控制割台升降。
进一步，所述机械接触式传感器检测的结果转换为留茬高度的公式为：H＝S*cosα-h，其中α为角度传感器测出的角度值，H为割刀离地高度，h为机械接触式传感器安装位置距割刀垂直距离，S为机械接触式传感器上传感轴的旋转中心到仿形板与地面接触点的距离。
进一步，所述液压缸伸缩量的公式为：其中L为液压缸伸缩量，A为割台回转中心到割刀位置的距离，B为割台回转中心到液压缸与割台接触点的距离，C为割台回转中心到液压缸回转中心的距离，D为割台回转中心与地面的垂直距离，E为液压缸初始位置的长度，γ为割刀位置到割台回转中心的连线和液压缸与割台接触点到割台回转中心的连线之间的夹角，θ为液压缸与割台接触点到割台回转中心的连线和液压缸回转中心到割台回转中心的连线之间的夹角，β为液压缸回转中心到割台回转中心的连线和竖直方向的夹角。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明使用超声波传感器和机械接触式传感器两种传感器来检测割茬高度，两种传感器分别位于割刀前后，通过两种传感器的测量能更准确的计算出割刀离地高度，提高检测的准确性、降低单一传感器检测时的误差，实现无人工干预的稳定割茬。
(2)本发明中的机械接触式传感器由仿形板、连接件、角度传感器、带座轴承、壳体、扭簧组成。在联合收获机倒退时，所述机械接触式传感器中的角度传感器会绕连接件的轴旋转抬起，从而保证仿形板不会卡死折断；在联合收获机转向时，所述机械接触式传感器整体会绕壳体的轴旋转，在转向结束后机械接触式传感器在复位扭簧和重力作用下复位。
附图说明
图1是传感器安装位置示意图；
图2是机械接触式传感器结构示意图；
图3是机械接触式传感器主要零部件结构示意图，图3(a)是壳体结构示意图，图3(b)是连接件结构示意图，图3(c)是安装支架结构示意图，图3(d)是仿形板结构示意图，图3(e)是复位扭簧结构示意图，图3(f)是扭簧结构示意图；
图4是超声波传感器安装位置示意图，图4(a)是超声波传感器安装位置三维图，图4(b)是超声波传感器安装位置主视图；
图5是割台液压系统构成图；
图6是割茬高度控制流程图；
图7是液压缸伸缩量计算示意图。
其中，1-分禾器，2-超声波传感器，3-割刀，4-机械接触式传感器，5-液压缸，6-壳体，7-连接件，8-安装支架，9-仿形板，10-角度传感器，11-复位扭簧，12-扭簧，13-紧定螺钉，14-带座轴承，15-L型安装板，601-第一阶梯轴，602-第一圆柱体，701-第二阶梯轴，702-方杆，801-第二圆柱体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
本实施方案结合履带式稻麦联合联合收获机来阐述本发明的具体内容。
如图1所示，联合收获机割茬高度自动调控系统包括超声波传感器2、机械接触式传感器4、用于调节割茬高度的液压系统5以及控制器。机械接触式传感器4安装于联合收获机割台两侧，且位于割刀3的后方；超声波传感器2安装于联合收获机两边的分禾器1内部，位于割刀3的前方。
如图2、3所示，机械接触式传感器4由壳体6、连接件7、安装支架8、仿形板9、角度传感器10、两个复位扭簧11、扭簧12、紧定螺钉13、四个带座轴承14组成。图3(a)为壳体6，壳体6前后端各焊接有一根第一阶梯轴601和两根第一圆柱体602，左右两端各设有两个圆孔。其中，第一阶梯轴601安装于安装支架的带座轴承14中，在仿形板9受到侧向力的时候，整个壳体6包括壳体内部零件可绕第一阶梯轴601旋转；两侧的第一圆柱体602在发生旋转时通过复位扭簧11起复位作用；左右两端的两个圆孔用于安装带座轴承14。图3(b)为连接件7，连接件7由一个第二阶梯轴701和一块薄板焊接而成。其中，第二阶梯轴701安装于壳体的带座轴承14中，在联合收获机倒退时，角度传感器10及连接件7可绕第二阶梯轴701旋转；薄板中间设有一个大圆孔和两个小圆孔，用于安装角度传感器10；薄板远离第二阶梯轴701一侧延伸有一个方杆702，方杆702在联合收获机正常工作时起限位作用，限制角度传感器10绕第二阶梯轴701向下转动。图3(c)为安装支架8，安装支架8前后端各设有两个圆孔和一个第二圆柱体801，侧面设有四个圆孔，前后端的两个圆孔设置的位置保证壳体6在旋转时不会与安装支架8发生干涉。其中，前后端的两个圆孔用于安装带座轴承14，第二圆柱体801用于安装复位扭簧11；侧面的四个圆孔用于将整个机械接触式传感器4安装于联合收获机割台侧边。图3(d)为仿形板9，仿形板9为弓形，由一段曲面窄薄板和一个环形圆柱组成，环形圆柱套在角度传感器10的传感轴上，环形圆柱上设有一个圆孔，通过紧定螺钉13将仿形板9固定在角度传感器10的轴上。图3(e)为复位扭簧11，复位扭簧11中间套在第二圆柱体801上，复位扭簧11两端卡在壳体6的第一圆柱体602上。图3(f)为扭簧12，扭簧12套在角度传感器10的传感轴上，扭簧12下端卡在仿形板9上表面，扭簧12两末端卡在连接件7的第二阶梯轴701。扭簧12用于给仿形板9一个始终向下的力，使仿形板9始终保持与地面接触。联合收获机工作时仿形板9始终与地面接触，仿形板9弯曲程度随地面起伏而变化，角度传感器10便可测出仿形板9角度变化值，进而推算出割茬高度变化。在联合收获机倒退时，由于仿形板9会受到沿着仿形板方向上的力，角度传感器10会绕第二阶梯轴701旋转抬起，从而保证仿形板9不会卡死折断。在联合收获机转向时，由于仿形板9受到来自土壤或秸秆的侧向力，机械接触式传感器整体会绕壳体6的第一阶梯轴601旋转，在转向结束后机械接触式传感器在复位扭簧11和重力作用下复位。
如图4所示，超声波传感器2安装于联合收获机分禾器1内部，联合收获机分禾器1的底部没有设置底板、一侧没有设置侧板，不会影响超声波传感器工作；分禾器1后板内部安装有L型安装板15，超声波传感器2通过螺栓安装于L型安装板15上，超声波传感器2朝向地面设置。
如图5所示，用于调节割茬高度的液压系统5包括液压油泵、溢流阀、比例阀、液压缸，液压缸经过比例阀与液压油泵连接形成回路，溢流阀并联在回路中，比例阀根据控制器输出的电信号对负载流量或压力进行连续控制，进而控制液压缸使割台达到预定高度。
如图6所示，当联合收获机作业时，包括如下步骤：
S1：初始化，设定允许的割茬高度范围以及传感器性能参数和位置参数；
S2：判断是否需要驾驶员手动操作，若进行手动操作，则不使用联合收割机割茬高度自动调控系统，否则进行下一步；
S3：超声波传感器和机械接触式传感器检测自身离地高度，并将检测到的信号输送给控制器；
S4：控制器接收两个机械接触式传感器和两个超声波传感器的信号，将四个传感器的信号分别转换为留茬高度值，剔除错误数据即与上次输出留茬高度值相差很大的数据，取剩余有效数据计算平均值作为当前留茬高度；其中，通过机械接触式传感器测得角度值计算割茬高度的方法如下：
如图7所示，割茬高度即割刀离地高度H，可由公式(1)的变形(2)求得，其中α为角度传感器10所测出的角度值，h为机械接触式传感器安装位置距割刀垂直距离，S为机械接触式传感器上传感轴的旋转中心到仿形板与地面接触点的距离，h、S为已知量。
H＝S*cosα-h (2)
S5：计算出当前留茬高度后，判断当前留茬高度是否在设定留茬高度范围内，如果当前留茬高度在设定留茬高度范围内，则返回S2；如果当前留茬高度不在设定留茬高度范围内，则进行下一步；
S6：控制器由当前留茬高度值计算出液压缸伸缩量，通过调节比例阀驱动液压缸控制割台升降，当前留茬高度大于设定最大值时，比例阀阀芯移至右位，液压缸缩短，割台下降；当前留茬高度小于设定最小值时，比例阀阀芯移至左位，液压缸伸长，割台上升；其中，通过当前留茬高度值计算液压缸伸缩量的方法如下：
如图7所示，液压缸伸缩量L可由公式(3)、(4)联合求得。其中A为割台回转中心到割刀位置的距离，B为割台回转中心到液压缸与割台接触点的距离，C为割台回转中心到液压缸回转中心的距离，D为割台回转中心与地面的垂直距离，E为液压缸初始位置的长度，γ为割刀位置到割台回转中心的连线和液压缸与割台接触点到割台回转中心的连线之间的夹角，θ为液压缸与割台接触点到割台回转中心的连线和液压缸回转中心到割台回转中心的连线之间的夹角，β为液压缸回转中心到割台回转中心的连线和竖直方向的夹角，其中A、B、C、D、E、γ、β均为已知量。
(E+L)2＝B2+C2-2BCcosθ (4)
所述实例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式。在不背离本发明的实质内容的前提下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.联合收获机割茬高度自动调控系统，其特征在于，包括超声波传感器(2)、机械接触式传感器(4)、液压系统(5)以及控制器，机械接触式传感器(4)安装于联合收获机割台两侧，且位于割刀(3)的后方，超声波传感器(2)安装于联合收获机两边的分禾器(1)内部，超声波传感器(2)和机械接触式传感器(4)将采集的信息传输给控制器，控制器通过液压系统(5)调整割台高度。
2.根据权利要求1所述的联合收获机割茬高度自动调控系统，其特征在于，所述机械接触式传感器(4)包括仿形板(9)、角度传感器(10)，仿形板(9)一端套在角度传感器(10)的传感轴上，角度传感器(10)安装在连接件(7)的薄板上，连接件(7)的阶梯轴安装于壳体(6)上，壳体(6)安装在安装支架(8)上，薄板远离阶梯轴的一侧设有方杆，壳体(6)与安装支架(8)前后侧面之间设有复位扭簧(11)，角度传感器(10)的传感轴上套有扭簧(12)。
3.根据权利要求2所述的联合收获机割茬高度自动调控系统，其特征在于，所述壳体(6)前后端设两根第一圆柱体(602)，安装支架(8)前后端设有第二圆柱体(801)，复位扭簧(11)中间安装在第二圆柱体(801)上，两端卡在壳体(6)的第一圆柱体(602)上。
4.根据权利要求2所述的联合收获机割茬高度自动调控系统，其特征在于，所述扭簧(12)下端卡在仿形板(9)上表面，两末端卡在连接件(7)的阶梯轴上。
5.根据权利要求2所述的联合收获机割茬高度自动调控系统，其特征在于，所述仿形板(9)为弓形的曲面窄薄板。
6.联合收获机割茬高度自动调控方法，其特征在于，超声波传感器和机械接触式传感器检测自身离地高度，并输送给控制器，控制器将接收的信号转换为留茬高度值，计算有效数据的平均值作为当前留茬高度，判断当前留茬高度是否在设定留茬高度范围内，如果不在，控制器由当前留茬高度值计算出液压缸伸缩量，通过调节比例阀驱动液压缸控制割台升降。
7.根据权利要求6所述的联合收获机割茬高度自动调控方法，其特征在于，所述机械接触式传感器检测的结果转换为留茬高度的公式为：H＝S*cosα-h，其中α为角度传感器测出的角度值，H为割刀离地高度，h为机械接触式传感器安装位置距割刀垂直距离，S为机械接触式传感器上传感轴的旋转中心到仿形板与地面接触点的距离。
8.根据权利要求6或7所述的联合收获机割茬高度自动调控方法，其特征在于，所述液压缸伸缩量的公式为：其中A为割台回转中心到割刀位置的距离，B为割台回转中心到液压缸与割台接触点的距离，C为割台回转中心到液压缸回转中心的距离，D为割台回转中心与地面的垂直距离，E为液压缸初始位置的长度，γ为割刀位置到割台回转中心的连线和液压缸与割台接触点到割台回转中心的连线之间的夹角，θ为液压缸与割台接触点到割台回转中心的连线和液压缸回转中心到割台回转中心的连线之间的夹角，β为液压缸回转中心到割台回转中心的连线和竖直方向的夹角。
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