具有即時(shí)間隙檢測(cè)的農(nóng)作物感測(cè)系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及一種用于處理來(lái)自農(nóng)作物行傳感器的信號(hào)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)設(shè)計(jì)了用于農(nóng)用車輛的自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)利用農(nóng)作物行傳感器，該農(nóng)作物行傳感器感測(cè)農(nóng)作物莖并且基于來(lái)自所述行傳感器的反饋確定車輛的合適的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。例如，于2 O1年頒發(fā)給W i I c ο X等人并且轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人的美國(guó)專利US7716905描述了一種用于在一行農(nóng)作物中檢測(cè)植物或植物莖的感測(cè)組件。該組件包括與矗立在田地中的植物相互作用的可動(dòng)臂和基于可動(dòng)臂的位置產(chǎn)生信號(hào)的傳感器。
[0003]另一種已知的農(nóng)作物行傳感器包括較長(zhǎng)的橡膠條或槳葉。磁體附接至該槳葉上。當(dāng)所述槳葉觸摸農(nóng)作物莖時(shí)，隨著莖向后推動(dòng)所述槳葉的頂端，所述槳葉彎曲。使用霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量所述槳葉向后彎曲的量，該霍爾效應(yīng)傳感器感測(cè)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。隨著所述槳葉進(jìn)一步向后彎曲，傳感器電壓上升，從而該傳感器電壓代表農(nóng)作物行相對(duì)于車輛的位置。當(dāng)所述槳葉為直的(不向后彎曲)時(shí)，傳感器電壓非常低，這表示缺少或沒(méi)有農(nóng)作物。
[0004]有時(shí)，在一行農(nóng)作物中存在莖間隙或沒(méi)有莖。在一些情況中，所述間隙可能相當(dāng)長(zhǎng)(10-20英尺)。在所述間隙中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須盡可能快地確定什么動(dòng)作是合適的，以保持車輛與農(nóng)作物行正確地對(duì)準(zhǔn)。
[0005]當(dāng)所述槳葉已經(jīng)被向后推動(dòng)并且然后到達(dá)在行中存在間隙(沒(méi)有植物)的空間時(shí)，橡膠槳葉將會(huì)向前“彈起”并且來(lái)回振蕩幾秒鐘，直至它在自由的直立位置中完全地安定下來(lái)。橡膠槳葉的所述彈起會(huì)產(chǎn)生振蕩的傳感器電壓。所述振蕩電壓被理解為指示在農(nóng)作物行中存在間隙。以前，僅可以在彈起事件發(fā)生之后的1/2秒至3秒內(nèi)確定存在農(nóng)作物間隙。在此時(shí)間內(nèi)，機(jī)器不會(huì)有效地轉(zhuǎn)向而繼續(xù)在行上行進(jìn)。這是因?yàn)?，?至6英里/小時(shí)的通常的谷物收割速度下，每秒鐘會(huì)覆蓋5至9英尺的距離。需要更快速地檢測(cè)彈起事件，以使得車輛在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠更精確地轉(zhuǎn)向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供用于處理來(lái)自農(nóng)作物傳感器的信號(hào)的系統(tǒng)和方法。農(nóng)作物傳感器信號(hào)包括接合農(nóng)作物行中的植物的橡膠槳葉。當(dāng)農(nóng)作物行中存在間隙時(shí)，該槳葉運(yùn)動(dòng)到間隙中并且彈起直至其停留在伸長(zhǎng)位置中。該傳感器周期性地產(chǎn)生具有代表槳葉的位置的諸如電壓的參數(shù)的傳感器信號(hào)。傳感器處理系統(tǒng)包括存儲(chǔ)多個(gè)傳感器信號(hào)的存儲(chǔ)器或環(huán)形緩沖區(qū)。最小信號(hào)測(cè)量單元確定存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的傳感器信號(hào)的最小幅值。比較單元比較最小幅值與閾值。當(dāng)最小幅值低于所述閾值時(shí)，比較單元產(chǎn)生代表農(nóng)作物行中沒(méi)有植物的間隙信號(hào)。環(huán)形緩沖區(qū)的容量與當(dāng)碰到農(nóng)作物行中的間隙時(shí)槳葉運(yùn)動(dòng)至停止所需要的時(shí)間相關(guān)。
[0007]信號(hào)處理系統(tǒng)還包括下降速率單元和間隙檢測(cè)單元，該下降速率單元產(chǎn)生代表一段時(shí)間內(nèi)傳感器信號(hào)的變化的下降速率信號(hào)，并且該間隙檢測(cè)單元根據(jù)最小幅值和下降速率信號(hào)產(chǎn)生間隙信號(hào)。所述間隙檢測(cè)單元比較所述最小幅值與第一閾值，并且當(dāng)所述最小幅值不低于所述第一閾值時(shí)產(chǎn)生無(wú)間隙標(biāo)記。當(dāng)所述最小幅值低于所述第一閾值時(shí)，所述間隙檢測(cè)單元比較所述下降速率與第二閾值，當(dāng)所述下降速率不高于所述第二閾值時(shí)產(chǎn)生無(wú)間隙標(biāo)記，并且當(dāng)所述下降速率高于所述第二閾值時(shí)產(chǎn)生檢測(cè)到間隙標(biāo)記。
[0008]因此，信號(hào)處理系統(tǒng)和方法包括在環(huán)形緩沖區(qū)中記錄和連續(xù)地更新來(lái)自農(nóng)作物傳感器的電壓數(shù)據(jù)的小段歷史數(shù)據(jù)。環(huán)形緩沖區(qū)的容量足夠包括記錄的歷史數(shù)據(jù)，該記錄的歷史數(shù)據(jù)足夠長(zhǎng)而能夠捕獲橡膠槳葉的整個(gè)彈起循環(huán)周期。當(dāng)環(huán)形緩沖區(qū)中的最小電壓低于閾值時(shí)，其意味著槳葉碰到了農(nóng)作物行中的間隙，并且系統(tǒng)產(chǎn)生間隙信號(hào)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明可以用于的農(nóng)作物收割機(jī)器的收割頭的主透視圖；
[0010]圖2是安裝至圖1的收割頭的農(nóng)作物感測(cè)組件的示意圖；
[0011]圖3是示出圖3A和3B之間的關(guān)系的視圖；
圖3A和3B形成處理來(lái)自一對(duì)圖2的農(nóng)作物感測(cè)組件的傳感器信號(hào)的信號(hào)處理系統(tǒng)的示意方框圖；
[0012]圖4是圖3的槳葉行誤差估計(jì)器的示意圖；
[0013]圖5是圖3的最小電壓測(cè)量單元的示意圖；
[0014]圖6是由圖3的間隙檢測(cè)單元執(zhí)行的算法的邏輯流程圖；
[0015]圖7是由圖3的融合/仲裁單元執(zhí)行的算法的邏輯流程圖；
[0016]圖8是本發(fā)明可以用于的谷物收割頭的主透視圖；
[0017]圖9是本發(fā)明可以用于的播撒機(jī)器的主透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]參照?qǐng)D1，農(nóng)作物收割機(jī)10包括收割頭12，該收割頭12收集農(nóng)作物并且將農(nóng)作物引導(dǎo)進(jìn)收割機(jī)10中。收割頭12包括一對(duì)莖滾輪14和16。左和右農(nóng)作物感測(cè)單元18、19安裝在每一個(gè)莖滾輪14和16上。每一個(gè)農(nóng)作物感測(cè)單元18、19包括遠(yuǎn)離莖滾輪橫向突出的橡膠條或槳葉或觸頭20、21，該橡膠條或槳葉或觸頭20、21安裝在一個(gè)莖滾輪上并且朝向另一莖滾輪。
[0019]最好如圖2所示，左農(nóng)作物感測(cè)單元18是慣用的并且是左單元18和右單元19兩者的示例。左農(nóng)作物感測(cè)單元18包括傳感器殼體22。槳葉20具有固定至殼體22的向前外表面26的第一端24和突出進(jìn)農(nóng)作物行30中的第二端28?；魻栃?yīng)傳感器32安裝在殼體22中，以使得其可以與附接至槳葉20的磁體34相互作用。農(nóng)作物行包括多個(gè)植物或農(nóng)作物莖36。當(dāng)槳葉20接合農(nóng)作物莖36時(shí)，它在向后的方向上被彎曲進(jìn)諸如20A的位置中。當(dāng)農(nóng)作物行中存在間隙38時(shí)，槳葉20將會(huì)向前彈出并且彈起或來(lái)回震蕩，直至其占據(jù)諸如20B的自由位置。隨著槳葉20運(yùn)動(dòng)，磁體34相對(duì)于霍爾效應(yīng)傳感器32運(yùn)動(dòng)，并且該霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生具有電壓的信號(hào)，該電壓是磁體34與霍爾效應(yīng)傳感器32之間的距離的函數(shù)。
[0020]現(xiàn)在參見(jiàn)圖3A和3B，來(lái)自左和右傳感器32的信號(hào)被信號(hào)處理系統(tǒng)40接收。信號(hào)處理系統(tǒng)40包括使用可商用的MATLAB語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)或執(zhí)行的算法。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，將下面的圖表和流程圖轉(zhuǎn)化為用于在數(shù)字計(jì)算機(jī)或微處理器中執(zhí)行系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言是顯而易見(jiàn)的。
[0021]信號(hào)處理系統(tǒng)40包括左A/D轉(zhuǎn)換器42和右A/D轉(zhuǎn)換器44，該左A/D轉(zhuǎn)換器42和右A/D轉(zhuǎn)換器44從左和右霍爾效應(yīng)傳感器32中接收相應(yīng)的傳感器信號(hào)。優(yōu)選地，傳感器信號(hào)為0-5v范圍的模擬信號(hào)，并且以50Hz被采樣，并且被轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號(hào)或數(shù)字值。左槳葉行誤差估計(jì)器46和右槳葉行誤差估計(jì)器48以及左環(huán)形緩沖區(qū)50和右環(huán)形緩沖區(qū)52全部接收相應(yīng)的數(shù)字的左傳感器電壓和右傳感器電壓。左最小電壓測(cè)量單元54和右最小電壓測(cè)量單元56確定存儲(chǔ)在相應(yīng)的環(huán)形緩沖區(qū)50、52中的最小電壓，并且將下降速率值和最小電壓值供給至相應(yīng)的左間隙檢測(cè)單元58和右間隙檢測(cè)單元60。左槳葉行誤差估計(jì)器46和右槳葉行誤差估計(jì)器48將左行誤差值和右行誤差值供給至融合/仲裁單元62。左間隙檢測(cè)單元58和右間隙檢測(cè)單元60將相應(yīng)的左間隙值和右間隙值供給至融合/仲裁單元62。融合/仲裁單元62將轉(zhuǎn)向誤差信號(hào)供給至收割機(jī)10 (圖1)的轉(zhuǎn)向/引導(dǎo)系統(tǒng)(未示出)。
[0022]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，左槳葉行誤差估計(jì)器46和右槳葉行誤差估計(jì)器48中的每一個(gè)都將數(shù)字傳感器電壓施加給存儲(chǔ)的階校準(zhǔn)曲線66，以得到相應(yīng)的左行位置估計(jì)值和右行位置估計(jì)值。行位置估計(jì)值被減法器68從至行的目標(biāo)距離值中減去，以生成左行誤差值和右行誤差值。
[0023]再次參照?qǐng)D3A，左環(huán)形緩沖區(qū)50和右環(huán)形緩沖區(qū)52中的每一個(gè)連續(xù)存儲(chǔ)最近的相應(yīng)的左傳感器電壓值和右傳感器電壓值。在每一個(gè)環(huán)形緩沖器50、52中，當(dāng)接收到最新的值時(shí)，最先存儲(chǔ)的傳感器值被刪除。優(yōu)選地，每一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)足夠大(或容納足夠數(shù)量的值，例如25個(gè))，以使得其可以捕獲將在槳葉20的彈起或振蕩循環(huán)期間產(chǎn)生的多個(gè)傳感器值。
[0024]現(xiàn)在參照?qǐng)D5，左最小電壓測(cè)量單元54和右最小電壓測(cè)量單元56中的每一個(gè)都從相應(yīng)的環(huán)形緩沖區(qū)50、52中周期性地提取相應(yīng)的最小傳感器電壓，并且將該最小值傳送給相應(yīng)的間隙檢測(cè)單元58、60。左最小電壓測(cè)量單元54和右最小電壓測(cè)量單元56中的每一個(gè)還都包括環(huán)形緩沖區(qū)70。存儲(chǔ)在環(huán)形緩沖區(qū)70中的值被用來(lái)確定最小電壓值的變化速率(或下降速率)。這通過(guò)以下方式完成:求取最先存儲(chǔ)值與最近存儲(chǔ)值之間的差值并且將該差值除以經(jīng)過(guò)的時(shí)間。該下降速率值還被傳送給相應(yīng)的間隙檢測(cè)單元58、60的輸入。
[0025]現(xiàn)在參照?qǐng)D6，左間隙檢測(cè)單元58和右間隙檢測(cè)單元60中的每一個(gè)都執(zhí)行算法100。該算法開(kāi)始于步驟102，該步驟102確定存儲(chǔ)在環(huán)形緩沖區(qū)50、52中的最小電壓。如果最小電壓小于例如諸如I伏特的閾值，那么可能已經(jīng)在農(nóng)作物行30中檢測(cè)到間隙，然后步驟104將算法引導(dǎo)至步驟106，否則將算法引導(dǎo)至產(chǎn)生沒(méi)有間隙的標(biāo)記的步驟112。
[0026]步驟106通過(guò)計(jì)算環(huán)形緩沖區(qū)50、52中的最先的電壓與最近的電壓的電壓變化并且將該電壓變化除以最先的電壓值與最近的電壓值之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間，來(lái)確定電壓下降速率。
[0027]然后，如果下降速率大于例如諸如0.1伏特/秒的閾值，那么已經(jīng)在農(nóng)作物行3