谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)研究現(xiàn)狀與進展

王 帥，郁志宏，張文杰，楊麗芳，張澤鑫，敖日格樂

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，呼和浩特 010018）

0 引 言

精準農(nóng)業(yè)是基于現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)最新成就發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，其本質(zhì)是基于農(nóng)田作物生長環(huán)境和產(chǎn)量差異性的變量管理理念，實現(xiàn)利用最少的資源消耗獲取最大的經(jīng)濟效益[1-2]。在農(nóng)作物種植生產(chǎn)管理過程中，以在線、實時、有效的方法獲取農(nóng)田作物產(chǎn)量分布信息是實施精準農(nóng)業(yè)的主要起點[3-4]，是完善精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系、推廣智慧農(nóng)業(yè)的首要任務(wù)。

傳統(tǒng)的糧食作物產(chǎn)量獲取方法是通過人工抽樣估產(chǎn)或直接裝袋稱量，這類方法用于大面積種植的農(nóng)田，勞動強度大、效率低，且只能得到地塊的平均產(chǎn)量[1]，不滿足精準農(nóng)業(yè)的實施前提；也有采用建立生長條件模型或運用遙感技術(shù)估測產(chǎn)量[5-6]，但存在模型所需參數(shù)數(shù)量多且獲取難度大、推廣到其他區(qū)域或作物具有一定的局限性等問題[7]。為實現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量在線實時測量，推進精準農(nóng)業(yè)進程，同時伴隨著農(nóng)業(yè)機械化、傳感器智能化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，農(nóng)作物產(chǎn)量在線監(jiān)測技術(shù)已逐漸發(fā)展為精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系的關(guān)鍵技術(shù)手段。農(nóng)作物在線測產(chǎn)技術(shù)通過安裝于聯(lián)合收獲機的測產(chǎn)傳感器、水分傳感器、定位裝置等，實現(xiàn)農(nóng)田糧食產(chǎn)量分布信息的在線實時獲取，農(nóng)民可根據(jù)產(chǎn)量分布情況為下一季的精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理制定種植、施肥、噴藥等定量決策、變量投入、定位實施的計劃[1]。

因此，著力開發(fā)實時、快速、方便、精準的聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)在收獲過程中對作物產(chǎn)量及其空間分布差異性信息的在線實時獲取，是促進農(nóng)業(yè)機械裝備智能化發(fā)展的重要保障。在利用在線測產(chǎn)技術(shù)進行谷物產(chǎn)量信息采集與處理方面，國內(nèi)外研究人員開展了大量的相關(guān)研究，運用不同的傳感器測量方法實現(xiàn)了谷物產(chǎn)量的獲取。為了科學全面地總結(jié)梳理有關(guān)谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)系統(tǒng)的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，本研究對國內(nèi)外谷物產(chǎn)量信息采集技術(shù)成果進行歸納，綜述了谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)的研究進展，分析了當前測產(chǎn)技術(shù)所存在的局限性，探討了適合我國谷物聯(lián)合收獲機在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的方向，為今后進一步開展農(nóng)情信息采集技術(shù)和智能化農(nóng)業(yè)機械裝備研究提供有益參考。

1 谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)

1992年，Ag Leader公司創(chuàng)始人首次將谷物產(chǎn)量監(jiān)測器成功推向市場[8]，迄今，國外谷物測產(chǎn)技術(shù)成熟，已累積了大量研究成果并開發(fā)了數(shù)款商業(yè)化谷物產(chǎn)量在線監(jiān)測系統(tǒng)[3,9]（表1）。目前，美國90%以上的谷物聯(lián)合收獲機都安裝有產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)，并應(yīng)用農(nóng)機遠程信息管理服務(wù)平臺，農(nóng)業(yè)機械智能化水平較高，能夠在收割作物的同時準確采集作物產(chǎn)量信息，并繪制產(chǎn)量分布圖[9-12]，有助于農(nóng)田管理者合理制定精準的種植生產(chǎn)管理方案。

表1 國外部分商品化農(nóng)作物產(chǎn)量在線監(jiān)測系統(tǒng)Table 1 Some foreign commercial online monitoring system for crop yield

在中國，谷物產(chǎn)量監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用較少，基本沒有商品化的測產(chǎn)裝置，國內(nèi)相關(guān)高校、學者正大力開展研究[13]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外獲取谷物產(chǎn)量信息的方法主要包括：動態(tài)稱量測量、體積測量、沖擊力測量、射線測量和其他測量方法。1987－2019年具有代表性的谷物在線測產(chǎn)方法如表2所示。

表2 谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)方法的分類Table 2 Classification of online yield measurement methods for grain combine harvester

1.1 動態(tài)稱量測量方法

動態(tài)稱量測量方法主要是基于谷物流量與質(zhì)量的關(guān)系，以稱量測量為核心技術(shù)，通過電阻應(yīng)變式稱重傳感器（簡稱稱重傳感器），對糧倉或工作狀態(tài)下的輸糧部件稱量，以得到谷物產(chǎn)量。Colvin[42]將收獲機糧箱懸掛在2個稱重桿上以獲得谷物的質(zhì)量，其中稱重桿的載荷端懸掛糧箱，另一端固定在機器上。李長占等[6]和Iida等[43]將稱重傳感器安裝于收獲機糧箱底部以確定谷物的總質(zhì)量。肖兵兵[44]基于稱重傳感器開發(fā)了聯(lián)合收獲機玉米稱量系統(tǒng)，繪制了玉米棒穗的產(chǎn)量分布圖。王志全等[45]設(shè)計了動態(tài)旋轉(zhuǎn)秤系統(tǒng)，實驗室動態(tài)測量誤差在±5%以內(nèi)。于小娟[14]利用稱重傳感器對糧箱稱量，基于集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）的小波閾值去噪算法分析信號，田間試驗測產(chǎn)平均誤差為1.9%。因直接對糧箱稱量，故糧箱需與收獲機結(jié)構(gòu)獨立，且在收獲機行走顛簸時會產(chǎn)生較大的測量誤差。目前，美國HarvestMaster公司的H2 Classic系統(tǒng)裝有稱重傳感器，并采用稱重補償技術(shù)提高了系統(tǒng)的測量精度[46]。

Wagner等[15,47]將稱重傳感器安裝于螺旋輸送絞龍出料端進行稱量，螺旋輸送絞龍的重量與通過螺旋輸送絞龍的谷物流量成正比，田間試驗精度在3%之內(nèi)，該系統(tǒng)最大的應(yīng)用限制是聯(lián)合收獲機的安裝空間有限。張小超等[16]采用螺旋推進稱質(zhì)量式技術(shù)，通過單點懸掛稱重傳感器獲取絞龍筒的質(zhì)量，實現(xiàn)了收獲作物產(chǎn)量流量測量，室內(nèi)試驗臺架累計試驗誤差小于2%，但傳感器安裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。苑嚴偉等[48]以螺旋推進稱質(zhì)量式產(chǎn)量流量計為核心開發(fā)了測產(chǎn)系統(tǒng)，能在線實時顯示谷物產(chǎn)量波形曲線和產(chǎn)量分布圖、聯(lián)合收獲機的收割面積和行走軌跡等。Schrock等[17]對三角形結(jié)構(gòu)的水平升運器稱量，一端作為轉(zhuǎn)動軸，另一端安裝在稱重傳感器上，當試驗谷物為2 097 kg時最大誤差為5%，但改裝工作量較大。李偉等[18]應(yīng)用稱重傳感器對水平皮帶輸送器實時流過的谷物進行稱量測量，田間測產(chǎn)相對誤差小于3%。

1.2 體積測量方法

針對具有刮板式升運器輸糧結(jié)構(gòu)的聯(lián)合收獲機，獲取谷物質(zhì)量可利用體積測量方法。體積測量的基本原理是已知谷物密度，通過測量谷物體積，最終確定谷物的質(zhì)量。谷物體積測量可分為兩種方式，測量一定時間內(nèi)的谷物體積和記錄積累一定谷物體積所需的時間[49]，分別通過光電傳感器、圖像傳感器和葉輪式容積傳感器實現(xiàn)谷物體積的在線測量。光電傳感器和圖像傳感器通過測量刮板式升運器每一刮板上的谷物厚度計算出谷物的體積，是一種非接觸式的谷物流量測量技術(shù)。光電傳感器由光發(fā)射器和光接收器組成，分為對射式光電傳感器和漫反射式光電傳感器。

1.2.1 對射式光電傳感器

對射式光電傳感器的光發(fā)射器和光接收器處于同一軸線上分別安裝于刮板式升運器的兩側(cè)，且軸線垂直于升運器中谷物的輸送方向，使光束橫穿升運器[20]，如圖1a所示[50]。通常，光發(fā)射器為紅外發(fā)光二極管，光接收器為光敏三極管，當谷物通過傳感器的光路時，光路被阻斷或衰減，使光接收器輸出電壓發(fā)生高低電平的變化[51]。因此，通過記錄光電傳感器輸出脈沖信號的持續(xù)時間以確定刮板上谷物的厚度，根據(jù)刮板底面積和谷物密度最終完成谷物體積的測量[52-53]。

目前，基于對射式光電傳感器開發(fā)的測產(chǎn)系統(tǒng)包括，美國Raven公司的Smart Yield Pro系統(tǒng)、英國RDS Technology公司的Ceres系統(tǒng)、加拿大Farm TRX公司的Precision yield monitor & automated yield maps系統(tǒng)等。Strubbe等[19]在刮板的長軸方向和短軸方向分別放置2組光電傳感器，其中豎直方向的2組傳感器對稱放置于升運器驅(qū)動鏈條兩側(cè)，其測產(chǎn)最大誤差為9%。Hanigan[50]為提高近紅外光電傳感器的測產(chǎn)精度，利用單刮板式升運器試驗臺確定了傳感器的最佳安裝位置和采樣頻率，并對刮板進行了優(yōu)化設(shè)計。

1993年，王要武等[20]率先在國內(nèi)進行了谷物流量動態(tài)在線測量方法的研究，首次提出聯(lián)合收獲機在收獲過程中獲取谷物產(chǎn)量的重要性。利用一組對射式光電傳感器實現(xiàn)了小麥產(chǎn)量的測量，實驗室相對誤差小于3%，但未考慮刮板式升運器轉(zhuǎn)速的變化。雷朝鵬[54]以紅外激光源和硅光電池作為傳感器的發(fā)射器和接收器，室內(nèi)試驗表明，當谷物流量為1.8 kg/s時，測量相對誤差為2.05%。趙湛等[55]基于近紅外光電效應(yīng)的谷物厚度測量方法研究結(jié)果表明，當紅外線波長為940 nm時，水稻籽粒厚度測量結(jié)果的相對誤差小于6.5%。王坤[29]沿升運器刮板側(cè)壁對角線均勻安裝了5組對射式激光傳感器，將各路測量區(qū)域谷物體積求和實現(xiàn)了谷物體積流量的測量。韓帥軍[21]選用6組對射式激光傳感器構(gòu)成的二維陣列設(shè)計了谷物流量傳感器，刮板的長軸方向放置4組光電傳感器，短軸方向放置2組光電傳感器，室內(nèi)小麥流量試驗測量結(jié)果相對誤差小于等于4%。因發(fā)射器與接收器安裝時需對準于同一軸線上，進而加大了安裝難度。

1.2.2 漫反射式光電傳感器

漫反射式光電傳感器的光發(fā)射器和光接收器集于一體，安裝于刮板式升運器的側(cè)壁上，如圖1b所示[29]。當升運器刮板輸送的谷物經(jīng)過漫反射式光電傳感器時，光發(fā)射器發(fā)射的光被谷物反射回光接收器中，使光接收器接收到光信號并產(chǎn)生脈寬信號，脈寬信號的持續(xù)時間與刮板上谷物厚度成正比，同理可計算出刮板上谷物的體積。

付興蘭等[22,56]自主設(shè)計了基于光電漫反射原理的谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)，可對谷物產(chǎn)量、收獲機行進速度和位置等信息進行實時在線測量、顯示和遠程通訊。小麥田間試驗表明，系統(tǒng)誤差最大為3.51%。安曉飛等[57]基于光電漫反射原理，建立了分段式光電信號與收獲機谷物產(chǎn)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型。田間試驗結(jié)果表明，谷物產(chǎn)量計量模型驗證誤差小于3.5%。該測量方法要求傳感器探頭應(yīng)時刻保持清潔干凈，避免灰塵干擾測產(chǎn)精度[58]。此外由于機器振動、顛簸，谷物可能從刮板上掉落誤觸光電傳感器。同時，刮板式升運器轉(zhuǎn)速的變化和刮板上谷物的不均勻性會降低測產(chǎn)精度。

1.2.3 圖像傳感器

為解決光電傳感器存在的誤觸發(fā)問題，楊剛等[13]設(shè)計了基于圖像傳感器的谷物測產(chǎn)系統(tǒng)（圖1c），通過接近開關(guān)觸發(fā)相機對刮板上的谷物拍照，利用修正的結(jié)構(gòu)光測量模型測量谷物厚度，根據(jù)谷物容重和體積模型計算出谷物質(zhì)量。室內(nèi)測產(chǎn)試驗結(jié)果表明，相對測產(chǎn)誤差在4.27%以內(nèi)，但系統(tǒng)成本較高。

1.2.4 葉輪式容積傳感器

利用容積式測量方法獲取谷物質(zhì)量，主要通過葉輪式容積傳感器實現(xiàn)。葉輪式容積傳感器位于刮板式升運器出糧口后方，安裝于升運器出糧口和螺旋輸送絞龍、糧箱之間，由料位傳感器和葉輪組成，如圖2所示[3]。谷物離開升運器進入葉輪單元格，逐漸填充到一定體積時觸發(fā)料位傳感器，驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動繼續(xù)填充下一單元格[9]。根據(jù)每一葉輪單元格的已知體積、填充時間和葉輪的轉(zhuǎn)動次數(shù)，可計算出谷物的流量和體積。Searcy等[23]使用葉輪式容積傳感器生成了產(chǎn)量圖，1.3 hm2土地的總產(chǎn)量誤差為7.1%。由于葉輪式容積傳感器需較大的安裝空間，且安裝改造過程繁瑣復(fù)雜、測量的不連續(xù)性[9]限制了其近些年的研究應(yīng)用和推廣。

1.3 沖擊力測量方法

基于傳統(tǒng)壓力傳感器衍生出谷物沖擊力測量技術(shù)，開發(fā)了基于沖量原理的谷物流量傳感器，主要由沖擊板和壓力傳感器組成，且兩者剛性固定為一體，安裝于刮板式升運器頂部的出口處，升運器拋出的谷物周期性地碰撞在沖量式谷物流量傳感器（簡稱沖量式傳感器）的沖擊板上如圖3所示[59]。

沖量定理如式（1）和式（2）所示[60]：

式中Δt為谷物離開升運器刮板運動到?jīng)_擊板的時間，s；F(t)為Δt時間內(nèi)谷物作用于壓力傳感器的沖擊力，N；Δm(t)為Δt時間內(nèi)與沖擊板發(fā)生碰撞的谷物質(zhì)量，kg；Δv為谷物流碰撞沖擊板前后水平方向速度的變化量，m/s；q為谷物質(zhì)量流量，kg/s。已知谷物流碰撞沖擊板前的水平方向速度v為升運器速度，假設(shè)碰撞到?jīng)_擊板后的速度v0近似為0，則速度的變化量Δv可近似為升運器速度v。因此，可通過測量谷物沖擊前后動量變化所產(chǎn)生的力實現(xiàn)谷物質(zhì)量流量的實時測量[61-63]。

因沖量式谷物流量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本較低等特點，目前國外大多數(shù)商品化產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)均采用該谷物流量傳感器，如美國Ag Leader公司的PF advantage系統(tǒng)、美國凱斯（Case IH）公司的先進農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（Advanced Farming System，AFS）、美國約翰迪爾（John Deere）公司的綠色之星（Green Star）系統(tǒng)、美國Micro-Trak公司的Grain-Trak系統(tǒng)、美國愛科（AGCO）公司的農(nóng)田之星（Field Star）產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)和德國Deutz-Fahr公司的Teris系統(tǒng)等[9,50]。PF advantage系統(tǒng)沖量式谷物流量傳感器安裝于刮板式升運器的出口處如圖4所示[64]。

有研究表明[65-66]，商品化測產(chǎn)系統(tǒng)在實際使用過程中測量精度不穩(wěn)定且測量誤差較大，存在產(chǎn)量空間分辨率不高、系統(tǒng)通用性不強等問題。Kormann等[67]對美國Ag Leader公司的谷物產(chǎn)量監(jiān)測器進行了多年的田間測產(chǎn)研究，其測量相對誤差在5.37%～10.11%之間，低于Ag Leader 公司給出的測量精度。Arslan等[68]在實驗室試驗臺上測試了Ag Leader 產(chǎn)量監(jiān)測儀，最大測量誤差為9.17%。Taylor等[69]研究發(fā)現(xiàn)，對測產(chǎn)系統(tǒng)進行標定，并控制恒定的谷物流量，可提高測產(chǎn)精度。中國學者張漫等[70-72]引進美國凱斯（CASE IH）公司的先進農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（Advanced Farming System，AFS）繪制了小麥等農(nóng)作物產(chǎn)量分布圖，系統(tǒng)標定后的相對誤差為1.32%。

目前，沖量式谷物流量傳感器根據(jù)核心元件不同分為兩類，包括壓電沖量式谷物流量傳感器和應(yīng)變沖量式谷物流量傳感器。其中，應(yīng)變沖量式谷物流量傳感器根據(jù)壓力傳感器個數(shù)不同，分為應(yīng)變單臂沖量式谷物流量傳感器和應(yīng)變雙臂沖量式谷物流量傳感器。

1.3.1 壓電沖量式谷物流量傳感器

壓電沖量式谷物流量傳感器的感應(yīng)元件一般為壓電薄膜和壓電陶瓷，其測量原理是壓電效應(yīng)。當壓電陶瓷、壓電晶體、高分子壓電材料受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生與應(yīng)力成比例的電荷。因此，可根據(jù)電荷量判定材料所受外力的大小[73]。

Schrock等[24]將壓電薄膜置于刮板式升運器保護罩內(nèi)壁，根據(jù)谷物對貼有壓電薄膜保護罩的沖擊，建立了水稻沖擊力與水稻質(zhì)量流量的數(shù)學模型，決定系數(shù)為0.98。但壓電薄膜長時間受谷物沖擊會出現(xiàn)比較嚴重的磨損，需頻繁更換新的壓電薄膜傳感器。2001年，孫宇瑞等[25]首次在國內(nèi)運用基于沖量原理的谷物測產(chǎn)技術(shù)，利用壓電陶瓷基片作為傳感器的核心元件自主研制了沖量式谷物流量傳感器，裝置在引入外部機械振動的情況下，測量誤差的絕對值小于8%。高建民等[26,74]設(shè)計了一種具有3個壓電陶瓷和1個補償壓電陶瓷的沖量式谷物流量傳感器，田間水稻測產(chǎn)試驗誤差平均值約為3%。王剛等[75]將2塊壓電陶瓷固焊在薄鋼板上，并將鋼板采用懸臂梁結(jié)構(gòu)方式安裝于刮板式升運器出糧口以攔截谷物流，在線測產(chǎn)系統(tǒng)誤差在5%以內(nèi)。

1.3.2 應(yīng)變單臂沖量式谷物流量傳感器

Borgelt等[76]研發(fā)了基于應(yīng)變片的單臂沖量式傳感器，利用應(yīng)變式壓力傳感器采集運動著的谷物對沖擊板形成的沖擊力，而實現(xiàn)谷物質(zhì)量的計算。Iida等[77]對單臂沖量式傳感器結(jié)構(gòu)進行了簡化，田間試驗結(jié)果顯示，傳感器輸出信號與小麥和水稻流量的決定系數(shù)分別為0.95和0.99。Strubbe[78]在聯(lián)合收獲機谷物脫粒分離部分安裝了單臂沖量式傳感器，以估算脫粒谷物的質(zhì)量。周俊等[27,60,79-80]利用貼有電阻應(yīng)變片的懸臂梁壓力傳感器和谷物沖擊板自主設(shè)計了單臂沖量式谷物流量傳感器，并利用高分子阻尼材料裹住懸臂梁以消除振動的影響，其傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5a所示。試驗結(jié)果表明，小麥田間測產(chǎn)誤差小于10%。張鳳傳等[81]在傳感器受力懸臂上安裝了一個面積較大的沖擊板，以接受盡可能多的谷物沖擊，該傳感器測量相對誤差不大于6%。陳巡洲[62]采用具有較強抗干擾能力的雙孔平行梁結(jié)構(gòu)設(shè)計了單臂沖量式傳感器，室內(nèi)和田間結(jié)果表明，沖量式傳感器測產(chǎn)誤差在6～10%之內(nèi)。王琦[82]基于控制器局域網(wǎng)總線（Controller Area Network，CAN）通訊方式設(shè)計了以單臂沖量式谷物流量傳感器為核心可人機交互的聯(lián)合收獲機谷物流量智能監(jiān)視器。陳樹人等[83-84]在刮板式升運器出糧口頂部安裝了導(dǎo)流板，導(dǎo)流板與流量傳感器彈性元件相切，可提高沖量式谷物流量傳感器的輸出電壓信號強度約30%。姜國微等[28]設(shè)計了一種具有導(dǎo)流板和橡膠減震器結(jié)構(gòu)的單臂沖量式谷物質(zhì)量流量測量裝置如圖5b所示，聯(lián)合收獲機靜止時測量誤差平均值為4.29%。仇華錚等[85]基于自主研制的具有導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的GSM-1型單板沖量式谷物流量傳感器，測量誤差小于等于5.4%。張成龍[86]和王薄等[63,87]設(shè)計了帶有4個靶條的單臂沖量式谷物流量傳感器，但靶條的間隙會流失很多谷物，增大了測量誤差，且傳感器沖擊板較寬，易與刮板式升運器壁發(fā)生摩擦。Kargarpour等[88]利用懸臂梁壓力傳感器和弧形沖擊板組成單臂沖量式谷物流量傳感器，安裝于刮板式升運器頂部以獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并結(jié)合全球定位系統(tǒng)（GPS）生成了產(chǎn)量圖，試驗最大誤差為9.98%。王坤[29]針對攪龍式輸糧結(jié)構(gòu)設(shè)計了具有弧形導(dǎo)流板、弧形沖擊板結(jié)構(gòu)的單臂沖量式谷物流量傳感器如圖5c所示。田間水稻收割試驗中，系統(tǒng)測量平均相對誤差為4.6%，但當谷物流量較大時，傳感器標定曲線擬合系數(shù)低，測量誤差較大。王吉中等[30]和張偉[89]采用弧形沖擊板與懸臂梁壓力傳感器組合設(shè)計了單臂沖量式谷物流量傳感器如圖5d所示，并開發(fā)了谷物測產(chǎn)系統(tǒng)，田間水稻收獲試驗測量誤差在8%以內(nèi)，但可靠性較低，所需安裝空間較大。

1.3.3 應(yīng)變雙臂沖量式谷物流量傳感器

胡均萬等[31]在聯(lián)合收獲機的出糧口安裝了具有導(dǎo)流作用的雙臂沖量式谷物流量傳感器（圖 6a）并設(shè)計了差分消振電路，該傳感器由2個懸臂梁力壓傳感器和2塊沖擊板組合而成，其中1個懸臂梁壓力傳感器和1塊沖擊板組合用于測量谷物的沖擊力和機器的振動，另1個懸臂梁壓力傳感器和另1塊沖擊板組合用于感受機器的振動，隨后通過差分消振電路，消除了車身振動對測產(chǎn)精度的影響，田間水稻測產(chǎn)誤差小于5%。陳樹人等[32]對雙臂沖量式谷物流量傳感器（圖6b）的靜態(tài)受力特性進行分析，結(jié)果表明傳感器的輸出信號與靜態(tài)力作用點的位置無關(guān)，且田間水稻測產(chǎn)精度誤差小于3.8%，但谷物流量大于2 kg/s時，測產(chǎn)誤差將增大。韋瑋[90]利用雙臂沖量式谷物流量傳感器開發(fā)了聯(lián)合收獲機測產(chǎn)系統(tǒng)，田間水稻測產(chǎn)相對誤差在8%以內(nèi)。劉成良等[33]設(shè)計的雙懸臂梁谷物流量傳感器如圖6c所示，測量懸臂梁上固定有沖擊板，參考懸臂梁上無沖擊板固定，其田間水稻測產(chǎn)誤差小于4%。李新成等[34,59,91]和吳關(guān)[92]設(shè)計了2個弧形沖擊板的雙臂沖量式谷物流量傳感器（圖6d），并開發(fā)了谷物智能測產(chǎn)系統(tǒng)，田間小麥測產(chǎn)最小誤差為2.03%。

沖量式谷物流量傳感器測量精度易受多種因素影響，如傳感器安裝角度[9,93-94]、刮板式升運器速度[72]、收獲機振動[25]、谷物含水率[19]、田間坡度[95]和谷物流量的不穩(wěn)定性[9]，其中聯(lián)合收獲機的振動影響最為顯著[96-97]，最重要的是當谷物流量較大時，谷物流量與谷物沖擊力呈非線性關(guān)系[98]。

1.4 射線測量方法

射線測量方法利用射線強度的衰減程度表征刮板式升運器拋出的谷物質(zhì)量流量，通過射線傳感器實現(xiàn)。射線傳感器由射線源和射線檢測器組成，射線源的輻射與射線檢測器對準，分別安裝于升運器的出口處如圖7所示[3]。檢測器探測到的射線強度越弱，說明流經(jīng)射線源和檢測器之間的谷物質(zhì)量流量越大[63]。應(yīng)用于谷物流量測量的射線傳感器主要有γ射線傳感器和X射線傳感器。美國愛科（AGCO）公司1993年己成功將γ射線傳感器測產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用于康拜因收獲機的谷物流量測量中，實現(xiàn)了商品化[11]。張惠莉等[35]率先在國內(nèi)將γ射線傳感器用于農(nóng)業(yè)裝備測產(chǎn)系統(tǒng)研究中，實驗室大豆產(chǎn)量測量精度在2%以內(nèi)。Arslan等[36]通過室內(nèi)試驗驗證了玉米質(zhì)量流量與檢測的X射線強度具有較強的相關(guān)性，決定系數(shù)為0.99。國外研究結(jié)果已經(jīng)證實，使用γ射線和X射線傳感器測量精度最高，且具有其它測量方法所難以替代的不受機器振動和粉塵污染影響的優(yōu)點，但由于其制造成本高，且使用電磁輻射有嚴格標準，會對操作者及周圍環(huán)境造成潛在的危害，因此未被普遍推廣應(yīng)用[2]。

1.5 其他測量方法

在谷物質(zhì)量的其他測量方法中，國內(nèi)外研究學者通過監(jiān)測聯(lián)合收獲機主要部件工作參數(shù)，提出了根據(jù)部件工作參數(shù)計算谷物產(chǎn)量的研究方法。監(jiān)測裝置主要包括扭矩傳感器、張力傳感器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。

Loghavi等[37]運用扭矩傳感器發(fā)現(xiàn)刮板式升運器驅(qū)動電機的功耗與升運器輸送的谷物質(zhì)量兩者有較強的相關(guān)性，決定系數(shù)為0.99。Veal等[38]利用張力傳感器研究發(fā)現(xiàn)刮板式升運器驅(qū)動鏈上的張力與喂入谷物的質(zhì)量有關(guān)，決定系數(shù)為0.79。趙晨等[39,99]運用電流傳感器建立了螺旋升運器驅(qū)動電機工作電流與谷物產(chǎn)量瞬時變化的關(guān)系，室內(nèi)玉米測產(chǎn)試驗結(jié)果表明，試驗臺測量誤差小于等于3.56%，但獲取的升運器參數(shù)不能實時計算出谷物產(chǎn)量。Shoji等[40]通過轉(zhuǎn)速傳感器獲取螺旋輸送絞龍的轉(zhuǎn)速來確定每次釋放出的谷物質(zhì)量，測量誤差小于3.5%。路昌華[41]利用轉(zhuǎn)速傳感器研究了卸糧筒轉(zhuǎn)速與谷物瞬時流量的關(guān)系，設(shè)計了基于水平定量螺旋輸送技術(shù)的谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)，在大田動態(tài)試驗中，系統(tǒng)整體誤差小于5.8%，但通用性較低。

2 討 論

目前，谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)主要包括動態(tài)稱量測量方法、體積測量方法、沖擊力測量方法、射線測量方法和其他測量方法。綜上所述，在線測產(chǎn)技術(shù)用于聯(lián)合收獲機時存在的局限如下：

1）可行性：螺旋輸送絞龍稱量、主要部件工作參數(shù)確定產(chǎn)量等方式所需安裝空間較大，改裝過程復(fù)雜繁瑣且工作量大，但聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，使得測產(chǎn)系統(tǒng)安裝應(yīng)用不切實際；同時考慮測產(chǎn)時可能造成的人身傷害，降低了射線測量方法的適用性；沖力測量方法雖應(yīng)用廣泛，但尚未考慮谷物與沖擊板碰撞對谷物造成的機械損傷，而損傷后的谷物在貯存過程中更容易發(fā)生霉變，一定程度上降低了種子的發(fā)芽率，并影響了糧食加工后的品質(zhì)和等級。

2）通用性：收獲對象的多樣性，決定了聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)的差異性。由于不同收獲作物的理化特性各異，以及凈糧輸送結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致產(chǎn)量測量方法、傳感器安裝方式和位置會有所不同。目前國內(nèi)外產(chǎn)量在線監(jiān)測系統(tǒng)大多應(yīng)用于輸送結(jié)構(gòu)為刮板式升運器或螺旋輸送絞龍的谷物聯(lián)合收獲機，且僅局限于小麥、水稻、玉米等普通農(nóng)作物的產(chǎn)量測量，尚未探索應(yīng)用于其他輸送結(jié)構(gòu)或經(jīng)濟價值較高農(nóng)作物的聯(lián)合收獲機測產(chǎn)方法。

3）穩(wěn)定性與準確性：谷物聯(lián)合收獲機作業(yè)過程中，機器自身的基礎(chǔ)振動、田間地面不平造成的顛簸、傾斜或地頭調(diào)頭、緊急剎車等特殊工況下，谷物由于慣性作用，采用糧箱動態(tài)稱量和刮板上谷物體積測量方法測產(chǎn)時，其質(zhì)量和體積在糧箱、刮板上易出現(xiàn)較劇烈的變化。同時受農(nóng)作物品種、密度、含水率等的影響，實際測產(chǎn)精度較低。因此，僅通過測產(chǎn)傳感器較難獲取準確的農(nóng)作物產(chǎn)量。

3 結(jié)論與展望

在部分發(fā)達國家，聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，谷物聯(lián)合收獲機基本都裝備了智能化測產(chǎn)系統(tǒng)，運用不同的測量方法完成田間谷物產(chǎn)量監(jiān)測，生成產(chǎn)量空間分布圖，為實施精準農(nóng)業(yè)提供了豐富、準確的信息。在中國，受土地分散經(jīng)營、農(nóng)機具保有量較低、農(nóng)民對精準農(nóng)業(yè)認識淺薄、經(jīng)濟實力較弱等影響，中國智能化農(nóng)業(yè)機械剛剛起步，精準農(nóng)業(yè)實施力度不強，谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)相對滯后、不夠成熟，多處于試驗研究發(fā)展階段，尚未實現(xiàn)商品化推廣。

因此，結(jié)合中國國情和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點，對比發(fā)達國家在線測產(chǎn)技術(shù)和農(nóng)業(yè)機械裝備智能化進程，在未來農(nóng)作物產(chǎn)量在線監(jiān)測技術(shù)的研究中，建議從以下幾個方面重點突破：

1）合理改革農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，提高農(nóng)業(yè)管理者和從業(yè)者對精準農(nóng)業(yè)的認識。中國幅員遼闊，不同的地區(qū)經(jīng)濟水平和技術(shù)水平差異巨大。如北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以小規(guī)模分散經(jīng)營方式為主，經(jīng)濟條件落后、農(nóng)業(yè)機械化程度較低，這種比較粗放的管理模式，制約了中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。應(yīng)鼓勵農(nóng)民推行大規(guī)模集約化經(jīng)營方式，提高農(nóng)業(yè)機械的規(guī)?；鳂I(yè)水平，加強廣大農(nóng)戶對精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用意識，實現(xiàn)信息、農(nóng)機、農(nóng)藝相融合，為農(nóng)作物產(chǎn)量在線監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用創(chuàng)造必要的條件。

2）全面立足中國農(nóng)業(yè)機械裝備發(fā)展階段，深入提升測產(chǎn)傳感器可行性、通用性、穩(wěn)定性與準確性的技術(shù)。針對不同聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)、不同收獲作物，應(yīng)以不造成作物機械損傷為前提，采用統(tǒng)一、簡單、便捷的傳感器安裝方式，設(shè)計基于無線傳感技術(shù)的低成本、高精度智能測產(chǎn)傳感器，重點攻關(guān)減少因收獲機振動、顛簸引起測量誤差的關(guān)鍵技術(shù)難題，以加速推進中國智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系的發(fā)展。

3）積極引進國際先進的智能監(jiān)測技術(shù)，研發(fā)功能強大的聯(lián)合收獲機在線監(jiān)測系統(tǒng)。借鑒國外開發(fā)的聯(lián)合收獲機智能在線監(jiān)控系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)機械智能化遠程在線服務(wù)與管理技術(shù)進行引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，以進一步優(yōu)化中國現(xiàn)有測產(chǎn)研究技術(shù)，著力研發(fā)具有測產(chǎn)功能、在線實時顯示收獲機地理位置功能、生成產(chǎn)量分布圖功能，以及農(nóng)機具狀態(tài)監(jiān)控、實時調(diào)度等功能的聯(lián)合收獲機在線監(jiān)測系統(tǒng)，并以田間應(yīng)用為目標實現(xiàn)商品化。