魏　純，李　明，余良俊，朱　莉

(1.武漢東湖學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢　430212；2.空軍預(yù)警學(xué)院 信息管理中心，武漢　430010；3.武漢工程科技學(xué)院，武漢　430200；4.湖北工業(yè)大學(xué) 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(jī)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(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢430212；2.空軍預(yù)警學(xué)院 信息管理中心，武漢430010；3.武漢工程科技學(xué)院，武漢430200；4.湖北工業(yè)大學(xué) 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?dāng)_問題，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)工作過程中谷物損失量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并提高監(jiān)測的精度，設(shè)計(jì)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(shí)間，從而可以有效地降低信號的碼間串?dāng)_。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和可靠性，對籽粒清選系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)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(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：Kalman濾波能明顯地縮短信號的衰減時(shí)間，降低了籽粒間碼間串?dāng)_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(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收獲機(jī)；碼間串?dāng)_；籽粒清選；衰減時(shí)間；Kalman濾波

0引言

聯(lián)合收獲機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生籽粒清選損失，損失率是衡量聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)性能的重要技術(shù)指標(biāo)，也是聯(lián)合收獲機(jī)工作參數(shù)調(diào)整的主要依據(jù)。實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)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(shí)間過長，會(huì)產(chǎn)生籽粒間信號的碼間串?dāng)_問題。因此，要提高籽粒清選的精度，必須把籽粒間的碼間串?dāng)_的影響降到最低。

Kalman濾波的實(shí)質(zhì)是由量測值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量，它以“預(yù)測—實(shí)測—修正”的順序遞推，根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機(jī)干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據(jù)系統(tǒng)的量測值從被污染的系統(tǒng)中恢復(fù)系統(tǒng)的本來面目。本文在聯(lián)合收割機(jī)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(shí)間入手，降低了籽粒間碼間串?dāng)_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(jī)籽粒清選監(jiān)測及碼間串?dāng)_

聯(lián)合收獲機(jī)籽粒的損失率和谷物產(chǎn)量與清選損失質(zhì)量有關(guān)。單位時(shí)間內(nèi)，聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)面積的谷物產(chǎn)量為聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)幅寬、作業(yè)速度和單位面積產(chǎn)量三者之積，單位時(shí)間內(nèi)的清選損失質(zhì)量，可以通過累計(jì)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(shè)計(jì)

在聯(lián)合收獲機(jī)籽粒的清選過程中，每個(gè)籽粒撞擊傳感器應(yīng)變片后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，但這個(gè)脈沖信號存在較長時(shí)間的衰減過程。當(dāng)多個(gè)籽粒落下的時(shí)間間距較短時(shí)，前一個(gè)籽粒的信號衰減會(huì)影響后一個(gè)信號的判別，其原理如圖2所示。

圖2　籽粒撞擊信號碼間串?dāng)_示意圖

在最后一個(gè)時(shí)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(gè)碼元的判決。前一個(gè)信號的衰減波形會(huì)串到下一個(gè)時(shí)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?dāng)_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(shí)間，降低碼間串?dāng)_，最終輸出比較準(zhǔn)確的籽粒撞擊應(yīng)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(jī)籽粒清選的過程中，為了對籽粒信號碼間串?dāng)_進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，首先假設(shè)籽粒撞擊產(chǎn)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(gè)碼元，Ts表示信號周期，則信號響應(yīng)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(dá)式為

(3)

(4)

當(dāng)j=k時(shí)，有

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

(5)

其中，ajh(t0)是輸出籽粒信號的第j個(gè)碼元在抽樣瞬間t=t0+jTs所取得的值，是aj的依據(jù)；而第2項(xiàng)對aj的判決其干擾作用。為了降低碼間串?dāng)_的影響，引入Kalman濾波算法，首先設(shè)計(jì)一個(gè)離散控制過程系統(tǒng)，其表達(dá)式是一個(gè)線性隨機(jī)微分方程，有

X(k)=A·X(k-1)+B·U(k)+W(k)

(6)

其中，Xk是k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，A和B是系統(tǒng)參數(shù)，U(k)是k時(shí)刻對系統(tǒng)的控制量，其表達(dá)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(shí)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(yù)測下一狀態(tài)的系統(tǒng)。假設(shè)現(xiàn)在的系統(tǒng)狀態(tài)是k，根據(jù)系統(tǒng)的模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預(yù)測出現(xiàn)在狀態(tài)，則有

(9)

3聯(lián)合收獲機(jī)籽粒清選監(jiān)測系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)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(jìn)行了測試，包括飽滿籽粒和非飽滿籽粒的響應(yīng)及籽粒撞擊信號的衰減。傳感器應(yīng)變片的布置如圖4所示。

圖4　傳感器感應(yīng)片示意圖

當(dāng)谷物的籽粒撞擊到感應(yīng)層時(shí)，感應(yīng)層會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的形變，這時(shí)兩層感應(yīng)器片在撞擊力的作用下閉合；當(dāng)籽粒與感應(yīng)片分離時(shí)，感應(yīng)器片分開，最終形成脈沖電路。

如圖5所示，為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)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(yīng)曲線。

圖5　測試樣品

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

圖6　飽滿籽粒電壓響應(yīng)圖

圖7　非飽滿籽粒響應(yīng)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(chǎn)生的撞擊力小，因此應(yīng)變片變形小，從而產(chǎn)生了較低的電壓，與理論意義相符合，從而驗(yàn)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(shí)間較長，這對籽粒間信號的串?dāng)_產(chǎn)生了較大的影響，會(huì)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(shí)間有所縮短，可以有效地降低籽粒間信號的碼間串?dāng)_問題。

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

對系統(tǒng)進(jìn)行了8次測試，得到了8組籽粒清選的誤差結(jié)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(zhǔn)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(jié)果誤差測試

4結(jié)論

1)依據(jù)卡爾曼濾波原理，設(shè)計(jì)了一種新的聯(lián)合收獲機(jī)籽粒清選監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合碼間串?dāng)_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(shí)間的方法，并對該方法和系統(tǒng)進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。

2)設(shè)計(jì)了傳感器應(yīng)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(yīng)和信號衰減進(jìn)行了測試，對籽粒清選誤差進(jìn)行了8組實(shí)驗(yàn)，得到了誤差監(jiān)測結(jié)果。

3)通過對比使用和未使用卡爾曼濾波系統(tǒng)測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在聯(lián)合收獲機(jī)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(shí)間，提高籽粒清選監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)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(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目(2013CFB418);太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(HBSKFMS2014032)

收稿日期：2015-02-14