基于Kalman滤波的联合收获机籽粒清选损失监测研究

魏　纯，李　明，余良俊，朱　莉

(1.武汉东湖学院 电子信息工程学院，武汉　430212；2.空军预警学院 信息管理中心，武汉　430010；3.武汉工程科技学院，武汉　430200；4.湖北工业大学 太阳能高效利用湖北省协同创新中心，武汉　430068)



基于Kalman滤波的联合收获机籽粒清选损失监测研究

魏纯1，李明2，余良俊3，朱莉4

(1.武汉东湖学院 电子信息工程学院，武汉430212；2.空军预警学院 信息管理中心，武汉430010；3.武汉工程科技学院，武汉430200；4.湖北工业大学 太阳能高效利用湖北省协同创新中心，武汉430068)

摘要：为了解决谷物籽粒撞击信号码间串扰问题，实现联合收获机工作过程中谷物损失量的实时监测，并提高监测的精度，设计了一种新的籽粒清选监测系统。该系统采用Kalman滤波的方法缩短了籽粒撞击板信号的衰减时间，从而可以有效地降低信号的码间串扰。为了验证系统的有效性和可靠性，对籽粒清选系统进行了测试，选取了两组饱满程度不同的籽粒作为研究对象，通过测试得到了两组籽粒的撞击电压响应曲线，并分别对比了Kalman滤波和未滤波的信号衰减曲线和籽粒的清选误差。由对比结果可以发现：Kalman滤波能明显地缩短信号的衰减时间，降低了籽粒间码间串扰对系统监测精度的影响及清选误差，大大提高了籽粒损失监测系统的工作效率，为联合收割机的优化设计提供了理论参考。

关键词：联合收获机；码间串扰；籽粒清选；衰减时间；Kalman滤波

0引言

联合收获机在田间作业时，不可避免地会产生籽粒清选损失，损失率是衡量联合收获机作业性能的重要技术指标，也是联合收获机工作参数调整的主要依据。实现联合收获机工作过程中籽粒清选损失监测的核心问题就是研制籽粒监测系统，而传感器籽粒信号存在衰减问题，如果单籽粒的衰减时间过长，会产生籽粒间信号的码间串扰问题。因此，要提高籽粒清选的精度，必须把籽粒间的码间串扰的影响降到最低。

Kalman滤波的实质是由量测值重构系统的状态向量，它以“预测—实测—修正”的顺序递推，根据系统的量测值来消除随机干扰，再现系统的状态，或根据系统的量测值从被污染的系统中恢复系统的本来面目。本文在联合收割机的籽粒清选信号滤波的过程中引入了该种滤波方法，从缩短信号的衰减时间入手，降低了籽粒间码间串扰的影响，从而提高籽粒清选系统的监测精度。

1联合收获机籽粒清选监测及码间串扰

联合收获机籽粒的损失率和谷物产量与清选损失质量有关。单位时间内，联合收获机作业面积的谷物产量为联合收获机作业幅宽、作业速度和单位面积产量三者之积，单位时间内的清选损失质量，可以通过累计清选损失谷物籽粒数的方法获得。清选监测系统的整体框架如图1所示。

图1　监测总体设计

在联合收获机籽粒的清选过程中，每个籽粒撞击传感器应变片后会产生一个脉冲信号，但这个脉冲信号存在较长时间的衰减过程。当多个籽粒落下的时间间距较短时，前一个籽粒的信号衰减会影响后一个信号的判别，其原理如图2所示。

图2　籽粒撞击信号码间串扰示意图

在最后一个时刻，第1信号码元、第2信号码元、第3号码元等的值还没有消失，势必影响第4个码元的判决。前一个信号的衰减波形会串到下一个时刻信号中，影响信号的采集。

图3　Kalman滤波过程示意图

为了解决籽粒间信号的码间串扰问题，本文在监测系统中引入了卡尔曼滤波方法。该方法可以有效的缩短信号的衰减时间，降低码间串扰，最终输出比较准确的籽粒撞击应变片的信号。

2籽粒清选系统Kalman滤波原理

在联合收割机籽粒清选的过程中，为了对籽粒信号码间串扰进行数学分析，首先假设籽粒撞击产生的信号为为单位冲激序列δ(t)，于是发送滤波器的输入信号可以表示为

(1)

其中，ak表示第k个码元，Ts表示信号周期，则信号响应方程可以表示为

(2)

其中，nR(t)是滤波之后的输出噪声，h(t)是H(w)的傅里叶反变换，其表达式为

(3)

(4)

当j=k时，有

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

(5)

其中，ajh(t0)是输出籽粒信号的第j个码元在抽样瞬间t=t0+jTs所取得的值，是aj的依据；而第2项对aj的判决其干扰作用。为了降低码间串扰的影响，引入Kalman滤波算法，首先设计一个离散控制过程系统，其表达式是一个线性随机微分方程，有

X(k)=A·X(k-1)+B·U(k)+W(k)

(6)

其中，Xk是k时刻的系统状态，A和B是系统参数，U(k)是k时刻对系统的控制量，其表达式为

(7)

再加上系统的测量值，有

Z(k)=H·X+V(k)

(8)

其中， Zk是k时刻的测量值；H是测量系统的参数，对于多测量系统，H为矩阵；W(k)和V(k)分别表示过程噪声和测量噪声。首先利用系统的过程模型，来预测下一状态的系统。假设现在的系统状态是k，根据系统的模型，可以基于系统的上一状态而预测出现在状态，则有

(9)

3联合收获机籽粒清选监测系统测试

为了验证籽粒清选监测信号Kalman滤波方法的有效性和可靠性，本研究对籽粒清选系统进行了测试，包括饱满籽粒和非饱满籽粒的响应及籽粒撞击信号的衰减。传感器应变片的布置如图4所示。

图4　传感器感应片示意图

当谷物的籽粒撞击到感应层时，感应层会随之产生相应的形变，这时两层感应器片在撞击力的作用下闭合；当籽粒与感应片分离时，感应器片分开，最终形成脉冲电路。

如图5所示，为了验证本文设计的滤波系统的有效性与可靠性，本次测试中选用了饱满籽粒和非饱满籽粒两种样品作为测试对象，通过测试得到了两组不同的电压信号响应曲线。

图5　测试样品

图6为单颗饱满籽粒撞击的电压响应曲线。由图6可以看出：在籽粒撞击后，电压产生最大值，并逐渐衰减。为了进一步验证系统的可靠性，对非饱满籽粒也做了测试，其结果如图7所示。

图6　饱满籽粒电压响应图

图7　非饱满籽粒响应图

由图7可以看出：在籽粒撞击后，电也从最大值逐渐衰减，但电压的最大值明显小于饱满颗粒的。这是由于非饱满颗粒产生的撞击力小，因此应变片变形小，从而产生了较低的电压，与理论意义相符合，从而验证了系统的可靠性。

图8为未滤波之前的衰减曲线。从图8可以看出：信号衰减时间较长，这对籽粒间信号的串扰产生了较大的影响，会降低系统的测试精度。通过Kalman滤波后得到了如图9所示的信号衰减曲线。

图8　未滤波信号衰减曲线

图9　Kalman滤波后信号衰减曲线

由图9可知：通过Kalman滤波后，信号衰减时间有所缩短，可以有效地降低籽粒间信号的码间串扰问题。

为了进一步测试系统的有效性，对滤波和未滤波的进行了多组测试，得到了如表1所示的结果。

对系统进行了8次测试，得到了8组籽粒清选的误差结果。由表1可以看出：使用Kalman滤波方法可以有效地提高籽粒清选的准确性，降低系统误差，是一种可靠的籽粒清选监测信号的滤波方法。

表1　籽粒清选监测结果误差测试

4结论

1)依据卡尔曼滤波原理，设计了一种新的联合收获机籽粒清选监测系统，结合码间串扰的基本理论，引入了一种可以有效缩短籽粒撞击信号衰减时间的方法，并对该方法和系统进行了测试和验证。

2)设计了传感器应变片布置的基本形式，选取了两种不同饱满程度的籽粒，对籽粒撞击板过程的电压信号响应和信号衰减进行了测试，对籽粒清选误差进行了8组实验，得到了误差监测结果。

3)通过对比使用和未使用卡尔曼滤波系统测试的结果发现，在联合收获机籽粒清选系统中使用卡尔曼滤波后，可以有效地缩短信号衰减的时间，提高籽粒清选监测结果准确度。

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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

文章编号：1003-188X(2016)03-0023-05

中图分类号：S225.3

文献标识码：A

作者简介：魏纯(1983-)，女，武汉人, 讲师，硕士。通讯作者：朱莉(1982-)，女，武汉人，讲师，博士，(E-mail)zhulizhuli1982@163.com。

基金项目：湖北省自然科学基金计划面上项目(2013CFB418);太阳能高效利用湖北省协同创新中心项目(HBSKFMS2014032)

收稿日期：2015-02-14