СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМА ЗЕРНОВОЙ СМЕСИ В ЗЕРНОУБОРОЧНОЙ ТЕХНИКЕ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING GRAIN MIXTURE VOLUME IN GRAIN HARVESTING EQUIPMENT

Изобретение относится к устройствам измерения, специально предназначенным для зерноуборочной техники, в частности к устройствам мониторинга количественных характеристик собираемой зерновой смеси при картировании урожайности.
Из уровня техники известно измерительное устройство для определения состава (патент RU 24370678, опубл. 20.12.2011, МПК G01J 3/02). Согласно данному аналогу измерительное устройство для определения состава содержит датчик для определения, по меньшей мере, одного компонента и/или, по меньшей мере, одного из свойств материала, исследуемого датчиком, причем датчик содержит, по меньшей мере, один источник освещения, который направляет, по меньшей мере, один световой луч на подлежащий исследованию материал, а измерительное устройство содержит, по меньшей мере, один эталонный объект для калибровки измерительного устройства, часть светового луча источника освещения отклоняется на эталонный объект и свет от эталонного объекта направляется посредством световодов. Данный аналог позволяет осуществлять измерение объемного расхода массы схода в колосовом элеваторе, но не учитывает сжимаемость убранной массы в узлах комбайна, что значительно уменьшает точность измерения.
Так же известна выполненная в виде зерноуборочного комбайна сельскохозяйственная рабочая машина (патент US 6119442A, опубл. 19.09.2000, МПК A01D 41/127), которая в области рабочих органов снабжена множеством камер для детектирования потока убранной массы, проходящей через эти рабочие органы. Кроме того, для машины предусмотрено устройство обработки данных, позволяющее обрабатывать изображения, генерируемые различными камерами. На основе обработки графической информации это устройство обработки данных генерирует управляющие сигналы для соответствующих рабочих органов. Так как техническое решение, позволяющее оценивать поток зерновых масс в составе данного изобретения, направлено на технический результат, обеспечивающий автоматическое управление комбайном, а не оценку количества проходящей зерновой смеси, то главным недостатком данного изобретения является отсутствие признаков позволяющих осуществить точную количественную оценку проходящей через зерновой элеватор комбайна зерновой смеси.
Задачей, поставленной при разработке данного изобретения, являлась создание способа и универсального устройства мониторинга количественных характеристик зерновой смеси проходящей через элеватор зерноуборочной техники.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении точности измерения объема зерновой смеси собранной зерноуборочной техникой, за счет обеспечения возможности проведения калибровки и применения аппаратных средств позволяющих осуществить сбор информации о конфигурации поверхности зерновой смеси.
Указанный технический результат достигается способом и устройством для измерения объема зерновой смеси в зерноуборочной технике. Согласно способу измерения объема зерновой смеси в зерноуборочной технике в момент перемещения зерна, расположенного на транспортирующих лопатках элеватора зерноуборочной техники осуществляют фиксацию изображений зерновой смеси с сеткой линий наложенной лазерным модулем, и передачу изображений в блок обработки данных, который в свою очередь путем распознавания полученного изображения определяет зерновую смесь, верхнюю границу которой он считает за основание горки зерна, далее точки пересечения линий сетки сравниваются с точками пересечения линий эталонной сетки, предварительно наложенной лазерным модулем на пустую транспортирующую лопатку, затем в блоке обработки данных путем вычислений осуществляется оценка объема зерновой смеси для каждой лопатки элеватора проходящей под цифровой камерой. Устройство измерения объема зерновой смеси в зерноуборочной технике содержит корпус внутри которого закреплен источник света и привод с поворотной площадкой, на поворотной площадке установлена цифровая камера для непрерывного захвата изображений содержащих момент прохождения зерновой смеси по поверхности лопатки элеватора, на цифровой камере расположен лазерный модуль осуществляющий наложение лазерной клетчатой сетки на горку зерна, подсвечивая при этом рельеф горки, содержащий в себе информацию о конфигурации поверхности зерновой смеси, при этом источник света направлен на поверхности транспортирующей лопатки обеспечивая освещение сцены, а поворотная площадка соединена с приводом с возможностью вращения по оси ротора привода для осуществления калибровки устройства с целью защиты кадров сцены от бликов возникающих вследствие отражения света излучаемого подсветкой, также корпус содержит блок обработки данных позволяющий осуществить анализ полученного изображения для оценки объема зерновой смеси на транспортирующей лопатке.
Технические решения применяемый в составе данного изобретения позволяют проводить мониторинг объема собираемой зерновой смеси в различных типах зерноуборочной техники, повышая при этом уровень автоматизации в части картирования урожайности и обеспечивая расширение функциональных возможностей в части автоматизации уборки урожая.
Для описания данного изобретения, будет приведен пример применения разработанных технических решений в составе элеватора зерноуборочного комбайна, однако указанные технические признаки могут быть применены на любом типе техники осуществляющем сбор и транспортировку зернового урожая.
Устройство измерения объема зерновой смеси в зерноуборочной технике может быть установлено на любой тип комбайнов, для этого необходимо провести калибровку положения поворотной площадки, несущей на себе цифровую камеру и лазерный модуль. Угол положения поворотной площадки уникален для каждого типа комбайна и зависит от конструкционных особенностей зернового элеватора каждой модели зерноуборочного комбайна.
Блок обработки данных представляет из себя вычислительное устройство с запоминающим устройством для хранения получаемых изображений, а также частотными характеристиками, достаточными для обработки изображений в режиме реального времени. Предложенный блок обработки данных имеет физический интерфейс для подключения и управления цифровой камерой и приводом. Блок обработки данных выполняет калибровку, с помощью программного обеспечения и привода, который приводит в движение поворотную площадку, пока она не достигнет заданного угла для данного комбайна.
Источник света отвечает за освещение сцены (лопатки зернового элеватора и горки зерна) внутри зернового элеватора зерноуборочного комбайна.
Лазерный модуль - светоизлучающее диодное устройство, работающее на основе коллимированных пучков световых лучей. Лазерный модуль осуществляет наложение лазерной клетчатой сетки на горку зерна, шаг сетки постоянен и не меняется. Таким образом подсвечивается рельеф горки, содержащий в себе информацию о конфигурации поверхности зерновой смеси.
Цифровая камера представляет из себя цифровую видеокамеру, выполняющую не менее 30 кадров в секунду (30 FPS) и осуществляет захват изображения и передает его в блок обработки данных для последующей обработки.
Устройство измерения объема зерновой смеси в зерноуборочной технике является системой с визуальной обратной связью, оборудованной лазерным модулем и подсветкой. Внутренняя поверхность кожуха зернового элеватора зерноуборочной техники (комбайна) полируется постоянным трением лопаток, вследствие чего повышается отражающая способность поверхности и вероятность засветки цифровой камеры отраженным светом (при засветке изображения часть информации в кадре теряется, т.к. засвеченные пиксели достигают предельного значения накопления). В процессе калибровки угла положения поворотной площадки устройство измерения объема зерновой смеси в элеваторе зерноуборочного комбайна делает изображения, которые затем анализируются блоком обработки данных на предмет наличия засветки посредством измерения параметра освещенности. Параметром освещенности является отношением светового потока на единицу площади. Как только значение параметра освещенности становится ниже предельного значения (при котором изображение считается засвеченным), калибровка считается выполненной, привод фиксирует положение поворотной площадки.
Блок обработки данных выполняет анализ полученного изображения для оценки объема зерновой смеси в зерновом элеваторе зерноуборочного комбайна. Блок обработки данных находит на изображении лопатку зернового элеватора, верхнюю границу которой он считает за основание горки зерна. Имея данные о геометрии лопатки зернового элеватора, а также о рельефе горки благодаря сетке наложенной лазерным модулем блок обработки данных с высокой точностью вычисляет объем зерновой смеси на лопатке.
Устройство измерения объема зерновой смеси в зерноуборочной технике вычисляет объем зерновой смеси на каждой лопатке, проходящей мимо него, таким образом обеспечивая непрерывное вычисление объема в течение всей работы зерноуборочного комбайна.
Расчет (оценка) объема зерна осуществляется по формуле:
где S(x) - это площадь фигуры зерновой смеси; d(x) - высота горки зерна в измеряемой точке.
Площадь основания известна заранее и равняется площади лопатки. Площадь поверхности фигуры зерновой смеси на лопатке определяется благодаря лазерному модулю, предоставляющего с помощью сетки информацию о рельефе. Полученные точки пересечения сетки лазерного модуля на полученной поверхности сравниваются с эталонными точками на пустой плоскости, в результате чего становится известной информация о высоте горки в каждой точке поверхности. Площадь поверхности горки вычисляется по полученным координатам координатным методом. Точность вычислений в данном случае регулируется шагом сетки.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображено устройство измерения объема зерновой смеси в элеваторе зерноуборочного комбайна, фиг.2 изображено расположение основных узлов устройства в зерновом элеваторе зерноуборочного комбайна.
Устройство измерения объема зерновой смеси в элеваторе зерноуборочного комбайна содержит:
1. Блок обработки данных;
2. Цифровая камера;
3. Лазерный модуль;
4. Источник света;
5. Привод;
6. Поворотная площадка;
7. Корпус устройства измерения объема зерновой смеси в элеваторе зерноуборочного комбайна;
8. Элеватор зерноуборочного комбайна;
9. Зерно;
10. Лопатка элеватора зерноуборочного комбайна.
В предпочтительном варианте исполнения изобретение осуществляется следующим образом.
В зерноуборочном комбайне, на пути следования зерновой смеси (9) по зерновому элеватору (8) устанавливается устройство измерения объема зерновой смеси. Корпус устройства (7) закрепляется в непосредственной близости от элеватора или на нем, обеспечивая доступ цифровой камере (2) к захвату изображений момента прохождения зерновой смеси (9) на лопатках элеватора зерноуборочного комбайна (10). Далее блок обработки данных (1) осуществляет калибровку цифровой камеры (2) путем получения изображений пустых лопаток элеватора от цифровой камеры (2) с наложением на них сетки при помощи лазерного модуля (3). Далее осуществляют анализ полученных изображений на предмет наличия засветки от источника света (4) посредством измерения параметра освещенности, выработку управляющих воздействий на привод (5) изменяя при этом положения поворотной площадки (6).
При прохождении зерна (9) на лопатке (10) по зерновому элеватору (8) цифровая камера (2) осуществляет захват изображений и передает его в блок обработки данных (1). Блок обработки данных (1) находит на изображении лопатку зернового элеватора (10), верхнюю границу которой он считает за основание горки зерна (9). Имея данные о геометрии лопатки зернового элеватора (8), а также о рельефе горки благодаря лазерному модулю (3) блок обработки данных (1), используя полученные параметры и внутренние алгоритмы, с высокой точностью вычисляет объем зерновой смеси на лопатке.
Устройство измерения объема зерновой смеси в элеваторе (8) зерноуборочного комбайна вычисляет объем зерновой смеси на каждой лопатке, проходящей мимо него, таким образом обеспечивая непрерывное вычисление объема в течение всей работы зерноуборочного комбайна.
Данные способ и устройство применяется для задачи мониторинга количества собранного урожая и картирования урожайности. Использование сетки формируемой лазерным модулем позволяет с высокой точностью определить объем проходящей через зерновой элеватор зерновой смеси за счет обеспечения возможности определения формы рельефа горки (формы поверхности). В сравнении с существующим уровнем техники применение данного изобретения позволяет не только с высокой точностью измерять объемы собранного урожая, но и обеспечить возможность применения на различных типах зерноуборочной техники за счет включения в состав устройства программных и аппаратных средств калибровки.
Для специалиста в данной области понятно, что при осуществлении изобретения возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема защиты, а также использование его в других машинах для получения описанных преимуществ.