CN103444347A - 一种花生联合收获机自动限深装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种花生联合收获机的辅助机构，一种花生联合收获机自动限深装置，紧挨地面设置地面仿形装置(2)，在上方，安装超声波传感器(1)，超声波传感器(1)的超声波测距模块(3)针对测量基准板(12)，采集的信号传送反馈至控制器(4)，控制信号传送给电磁阀(5)，通过液压油管与双作用液压缸(6)调整挖掘铲的挖掘深度；在地轮(9)的轮轴上竖直固定由开口相向的下导向管(17)和上导向管(15)形成的导向管组件，导向管中配置压簧(10)，上导向管(15)的顶部固定焊接板(14)和水平的测量基准板(12)。通过设计地面仿形装置，避免了超声波直接向地面发射，提高测距精度，抗干扰性强，限深精度高，花生收获的破损率得到大大改善。

Description

一种花生联合收获机自动限深装置

技术领域

本发明涉及一种花生联合收获机的辅助机构，具体是涉及花生联合收获机的一种自动限深装置。

背景技术

土下果实是我国重要的经济作物，其农作物种类繁多，主要有花生、甘薯、大蒜、甜菜、胡萝卜、马铃薯等20余种，且各类作物产量和面积均居世界前列。限深装置是土下果实收获机械非常重要的作业部件，目前通常采用限深轮、限深板等仿形机构，在地面连续变化时不能做出迅速响应，收获过程中挖掘深度不稳定，果实漏挖、破损现象严重。精确控制挖掘深度，对土下果实收获作业的节能减排、降低成本等也非常重要。

目前常用的测距方法中，红外线传感器穿透能力较强，但抗干扰性差。连续波雷达适用于能见度低的环境中，但电磁装备成本高。激光雷达测量时间短，体积受限、耗电高。而且，它们均是由红外线或雷达直接探测地面表面确定深度，取样点代表性差，误差较大，效果不好。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种抗干扰性强，结构简单，限深精度高，反应灵敏的花生联合收获机自动限深装置。

本发明的目的由如下技术方案实现。

一种花生联合收获机自动限深装置，其特征在于：

紧挨地面设置地面仿形装置，在地面仿形装置的上方，在花生联合收获机挖掘铲挡泥板上安装超声波传感器，超声波传感器的超声波测距模块针对地面仿形装置上的测量基准板，超声波测距模块采集的信号传送反馈至安装在驾驶室内的控制器，控制器的控制信号传送给安装于驾驶室下方的电磁阀，电磁阀通过液压油管与双作用液压缸驱动调整挖掘铲的挖掘深度；

所述地面仿形装置的结构为：在地轮的轮轴上竖直固定由开口相向的下导向管和上导向管，相互可以滑动套置形成的导向管组件，导向管中配置支撑保持上、下导向管相互距离的压簧，上导向管的顶部固定与花生联合收获机机架连接的焊接板，上导向管的顶部还通过长螺杆和螺母副固定板面为水平的测量基准板。

本发明针对上述问题，提供了一种基于超声波测距原理的自动限深装置，该装置能够适用于田间复杂的作业环境，自动化程度高，可以有效提高挖掘效果，适用于花生、甜菜、马铃薯等多种土下果实的收获挖掘，应用范围广泛，具有良好的现实意义。

超声波传感器安装在花生联合收获机挖掘铲挡泥板上，超声波传感器下方为基于超声波测量的地面仿形装置，实时测量的即时挖掘深度经超声波测距模块反馈到安装在驾驶室内的控制器，控制器将测得的数据与设定挖掘深度值比较，将需调整量驱动安装于驾驶室下方的电磁阀，电磁阀通过液压油管与双作用液压缸相连，液压缸安装在挖掘铲下方调整挖掘铲的挖掘深度；

当联合收获机倾斜，仿形装置的上、下导向管相互压迫中间的压簧，改变了相互间距，上导向管顶部的测量基准板下沉，上方的超声波传感器的超声波测距模块测出变化的信号，传送给控制器，控制器经过与原设定高度值比对、判断，将控制信号传送给安装于驾驶室下方的电磁阀，电磁阀通过液压油管与双作用液压缸驱动调整挖掘铲的挖掘深度至设定要求的深度。

进一步，超声波传感器以超声波作为检测手段、完成超声波发生和接收功能；

发射超声波时，将电能转换成超声波发射，收到回波时将超声振动转换成电信号，超声波往返所需时间与其经过路程成正比，测量其所需时间，式中：T—测得超声波往返所经历的时间，C—超声波在空气中的传播速率，

式中：T—空气温度，℃；C0—超声波在0℃空气中的传播速率，C0=331.4m/s；

所述发射电路主要由反向器74HCO4和超声波发射器构成，单片机P1.0端口输出的是连续的40kHz的方波信号，一路经一级反向器后送到超声波发射器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极；

采用红外线检波接收专用芯片CX20106A制作超声波检测接收电路。

进一步，所述控制器选用STC12LE4052单片机，为一种改进型的51兼容单片机，指令集及主要架构与经典51相同，提高指令速度，一个机器周期由原来的12个时钟改进为2—3个时钟，对应的指令周期平均为0.1μs，计时时钟保留12分频模式，新增了2分频模式。

进一步，在所述上、下导向管的接合段管壁配置限位螺栓；

在位于外侧的导向管上开设螺孔，固定螺母，螺母中旋入限位螺栓，在位于内侧的导向管上，开设上下方向的长槽孔，限位螺栓伸入长槽孔内。

如此结构，限位螺栓将内、外两导向管穿在一起，限止内侧的导向管绕垂直方向转动的自由度，起到更好的导向作用，另外，在遇到下坡地面时，避免了同侧导向管从外侧导向管内滑落。一般，上导向管设置为外侧导向管为宜。

再进一步，所述长槽孔的长度为335mm。如此尺寸，能满足和适应一般花生联合收获机作业需要。

本发明的技术方案是：超声波传感器是以超声波作为检测手段、完成超声波发生和接收功能的装置。超声波传感器利用压电效应原理，即在发射超声波时，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波往返所需时间与其经过路程成正比，测量其所需时间，

式中：t—测得超声波往返所经历的时间，C—超声波在空气中的传播速率，

式中：T—空气温度，℃；C0—超声波在0℃空气中的传播速率，C0=331.4m/s。单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生40kHz方波；40kHz方波经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号，单片机此时开始计时；接收回路为谐振回路，将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，收到产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时；计算出距离值，保存数据等待读出或直接经UART送出。接收过程中，单片机定时控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。由超声波传播理论可知，声波在传播过程中如果遇到直径小于超声半个波长的障碍时，其声波会绕过障碍物而继续传播，即产生绕射现象，通过设计地面仿形装置，减少了由于收获作物茎叶直径较大时，发射的超声波还未到达地面就发生了反射，影响测量结果。现改为地轮加压簧，增加导向装置，在导向装置上方安装超声波测量基准板，测量超声波距离基准板的距离间接得到挖掘深度，当挖掘深度与设定的挖掘深度之间的偏差超过预设误差限时，由控制器发出一个控制信号，通过电磁阀控制液压缸动作，调节挖掘深度。

本发明的优点是，通过设计地面仿形装置，改为地轮加压簧，增加导向装置，在导向装置上方安装超声波测量基准板，测量超声波距离基准板的距离间接得到挖掘深度，避免了超声波直接向地面发射，未到地面遇到就发生了反射，提高测距精度。

地轮在土壤地面上行走，机架反映了较真实、全面的花生联系收获机的高度，通过超声波对测量基准板的测试，能获得相对准确的高度和数据，因此，本发明的改良结构取得较好实际效果，经试验和统计，花生收获的破损率得到大大改善。

本发明首次采用了抗干扰性强的超声波测距装置，结构简单、可靠，限深精度高，采集信号，反馈控制灵敏，是一种限深效果优越的花生联合收获机自动限深装置。

附图说明

图1是本发明挖掘限深原理示意图，正常挖掘时，根据相似三角形原理，通过计算超声波传感器距离地面的高度值，间接得到挖掘的深度，当地面变化时，由测量的超声波传感器距离测量基准板之间的高度值，可知挖掘深度的变化情况，由控制器决定油缸动作，提高作业精度；

图2是本发明总体配置的方框示意图；

图3是本发明地面仿形装置的结构示意图；

图4是本发明采用的液压***原理图

图5是本发明控制器从预先设定，至信号采集、比对，反馈控制电磁阀全过程的编程方框图

图6是本发明由反向器74HCO4和超声波发射器构成发射电路的电路图

图7是本发明的超声波接收电路图，con8是CX20106A，用来对接受的信号进行放大和整形用；

图8是本发明自动限深装置配置在花生联合收获机上的结构示意图。

图中：

1是超声波传感器，2是地面仿形装置，3是超声波测距模块，4是控制器，5是电磁阀，6是双作用液压缸，9是地轮，10是压簧，11是螺母，12是测量基准板，13是长螺杆，14是焊接板，15是上导向管，16是限位螺钉，17是下导向管，18是油箱，19是单向定量液压泵，20是过滤器，21是蓄能器，22是电液比例换向阀，23是两位三通电磁阀，24是液压缸，25是溢流阀。

U1是1号超声波传感器，U2是2号超声波传感器，L1是两个超声波传感器之间的距离，L2是沿着挖掘铲方向2号超声波传感器距离地面的距离，L是沿着挖掘铲方向1号超声波传感器距离地面的距离，H1是1号超声波传感器距离地面的垂直高度，H2是2号超声波传感器距离地面的垂直高度。H是挖掘的深度，θ是挖掘铲与地面之间的夹角。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明的结构。

一种花生联合收获机自动限深装置，紧挨地面设置地面仿形装置2，在地面仿形装置2的上方，在花生联合收获机挖掘铲挡泥板上安装超声波传感器1，超声波传感器1的超声波测距模块3针对地面仿形装置2上的测量基准板12，超声波测距模块3采集的信号传送反馈至安装在驾驶室内的控制器4，控制器4的控制信号传送给安装于驾驶室下方的电磁阀5，电磁阀5通过液压油管与双作用液压缸6驱动调整挖掘铲的挖掘深度；

所述地面仿形装置2的结构为：在地轮9的轮轴上竖直固定由开口相向的下导向管17和上导向管15，相互可以滑动套置形成的导向管组件，导向管中配置支撑保持上、下导向管相互距离的压簧10，上导向管15的顶部固定与花生联合收获机机架连接的焊接板14，上导向管15的顶部还通过长螺杆13和螺母11副固定板面为水平的测量基准板12。

在所述上、下导向管的接合段管壁配置限位螺栓16；

在位于外侧的导向管上开设螺孔，固定螺母，螺母中旋入限位螺栓16，在位于内侧的导向管上，开设上下方向的长槽孔，限位螺栓16伸入长槽孔内。

所述长槽孔的长度为335mm。

图中，超声波传感器1下方安装地面仿形装置，地面仿形装置由地轮，上导向管15，下导向管17，焊接板14，压簧10，长螺杆13，测量基准板12组成。压簧10嵌套在长螺杆13上，并始终运动于两导向管之间，下导向管17随着地面的起伏在上导向管15内上下滑动，活动距离为335cm。超声波无需测量其距离地面的距离，挖掘深度可由传感器距离测量基准板的距离间接测得。

控制器选用STC12LE4052单片机，为一种改进型的51兼容单片机，指令集及主要架构与经典51相同，硬件资源略有增加：指令速度大大提高，一个机器周期由原来的12个时钟为改进为2—3个时钟，指令速度为原来的8倍左右，对应的指令周期平均为0.1μs。计时时钟保留12分频模式，新增了2分频模式，提高了计时精度。这两点对于超声波测距应用有益，指令速度快可减少响应延时的不确定，计时精度高可提高分辨率。

图中，发射电路主要由反向器74HCO4和超声波发射器构成，单片机P1.0端口输出的是连续的40kHz的方波信号，一路经一级反向器后送到超声波发射器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。用这种形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。上拉电阻R1、R2，一方面可以提高反向器74HCO4输出高电平的驱动能力，另一方面可以缩短超声发射器自由振荡的时间，增加其阻尼效果，输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。超声波在介质中传播时，能量会随着传播距离的增加而逐渐衰减，衰减的程度与超声波的扩散、吸收及散射等因素有关因此超声波接收器在接受到回波信号时需要对其进行处理，即需要设计相应的超声波信号接收电路，本设计采用红外线检波接收专用芯片CX20106A制作超声波检测接收电路。

本发明采用了抗干扰性强的超声波测距装置，限深精度高，采集信号，反馈控制灵敏，是一种具有很强实用价值的花生联合收获机自动限深装置。

Claims (5)

1.一种花生联合收获机自动限深装置，其特征在于：

紧挨地面设置地面仿形装置(2)，在地面仿形装置(2)的上方，在花生联合收获机挖掘铲挡泥板上安装超声波传感器(1)，超声波传感器(1)的超声波测距模块(3)针对地面仿形装置(2)上的测量基准板(12)，超声波测距模块(3)采集的信号传送反馈至安装在驾驶室内的控制器(4)，控制器(4)的控制信号传送给安装于驾驶室下方的电磁阀(5)，电磁阀(5)通过液压油管与双作用液压缸(6)驱动调整挖掘铲的挖掘深度；

所述地面仿形装置(2)的结构为：在地轮(9)的轮轴上竖直固定由开口相向的下导向管(17)和上导向管(15)，相互可以滑动套置形成的导向管组件，导向管中配置支撑保持上、下导向管相互距离的压簧(10)，上导向管(15)的顶部固定与花生联合收获机机架连接的焊接板(14)，上导向管(15)的顶部还通过长螺杆(13)和螺母(11)副固定板面为水平的测量基准板(12)。

2.根据权利要求1所述花生联合收获机自动限深装置，其特征在于超声波传感器以超声波作为检测手段、完成超声波发生和接收功能；

发射超声波时，将电能转换成超声波发射，收到回波时将超声振动转换成电信号，超声波往返所需时间与其经过路程成正比，测量其所需时间，

式中：T—测得超声波往返所经历的时间，C—超声波在空气中的传播速率，

式中：T—空气温度，℃；C0—超声波在0℃空气中的传播速率，C0=331.4m/s；

所述发射电路主要由反向器74HCO4和超声波发射器构成，单片机P1.0端口输出的是连续的40kHz的方波信号，一路经一级反向器后送到超声波发射器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极；

采用红外线检波接收专用芯片CX20106A制作超声波检测接收电路。

3.根据权利要求1所述花生联合收获机自动限深装置，其特征在于所述控制器(4)选用STC12LE4052单片机，为一种改进型的51兼容单片机，指令集及主要架构与经典51相同，提高指令速度，一个机器周期由原来的12个时钟改进为2—3个时钟，对应的指令周期平均为0.1μs，计时时钟保留12分频模式，新增了2分频模式。

4.根据权利要求1所述花生联合收获机自动限深装置，其特征在于在所述上、下导向管的接合段管壁配置限位螺栓(16)；

在位于外侧的导向管上开设螺孔，固定螺母，螺母中旋入限位螺栓(16)，在位于内侧的导向管上，开设上下方向的长槽孔，限位螺栓(16)伸入长槽孔内。

5.根据权利要求4所述花生联合收获机自动限深装置，其特征在于所述长槽孔的长度为335mm。

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