用于收割机的闭环料段长度控制系统的制作方法

1.本公开涉及用于加工诸如甘蔗这样的庄稼(crop)的具有喂入(feed)系统、切碎器(chopper)以及清理系统的收割机。


背景技术：

2.加工诸如甘蔗这样的庄稼，需要具有喂入系统、切碎器以及清理系统的收割机。


技术实现要素：

3.在一个方面，本公开提供了一种收割机，该收割机包括喂入系统，该喂入系统能够以喂入速度运行并且被配置成使庄稼朝着刀片喂入。该刀片被配置成将庄稼切割成庄稼料段并且能够以加工速度运行。该收割机还包括：光学传感器，该光学传感器被配置成生成与庄稼料段的长度对应的信号；以及控制系统，该控制系统具有处理器、存储器以及人机界面。该控制系统被配置成接收信号，并且被编程成，基于该信号对切割速度和喂入速度中的一个或两个进行调节。
4.在另一方面，本公开提供了一种收割机，该收割机包括喂入系统，该喂入系统能够以喂入速度运行并且被配置成使庄稼朝着刀片喂入。该刀片被配置成将庄稼切割成庄稼料段并且能够以加工速度运行。该收割机还包括：光学传感器，该光学传感器被配置成生成与庄稼料段的长度对应的信号；以及控制系统，该控制系统具有处理器、存储器以及人机界面。将该控制系统被配置成，1)通过人机界面接收来自操作员的输入，该输入包括目标料段参数；2)从光学传感器接收与庄稼料段的长度对应的信号；以及3)调节切割速度和喂入速度中的一个或两个，使得后续料段参数接近目标料段参数。
5.在又一方面，本公开提供了一种收割机，该收割机包括：入口，该入口被配置成接收庄稼；刀片，该刀片被配置成将庄稼切割成庄稼料段和外来植物物件；清理系统，该清理系统被配置成，从庄稼料段中分离出外来植物物件中的至少一些，该清理系统具有清理速度；光学传感器，该光学传感器被配置成，生成与庄稼料段的长度对应的信号；以及控制系统，该控制系统包括处理器、存储器以及人机界面。该控制系统被配置成接收来自光学传感器的信号，并且被编程成，基于该信号对清理速度进行调节。
6.通过考虑详细描述以及附图，本公开的其它方面将变得显而易见。
附图说明
7.图1是根据本公开的一个实现的诸如甘蔗收割机这样的收割机的侧视图。
8.图2是图1的收割机的一部分的放大截面图。
9.图3是图1的收割机的另一部分的立体图。
10.图4是例示图1的收割机的控制系统的示意图。
11.图5是例示在图4的控制系统中进行分析的图像的示意图。
12.图6是图1的收割机的喂入和切碎控制的示意图。
13.图7是例示图1的收割机中的清理系统控制的第一模式的示意图。
14.图8是例示图1的收割机中的清理系统控制的第二模式的示意图。
具体实施方式
15.在详细说明本公开的任何实现之前，要理解的是，在其应用方面本公开不限于在以下描述中阐述的或者在附图中例示的组件的构造和布置的细节。本公开能够支持其它实现，并且能够以各种方式来加以实践或实行。
16.图1例示了收割机10，诸如甘蔗收割机，该收割机包括：用于提供动力的原动机(未示出)(诸如内燃机)，以及用于控制原动机的速度从而控制收割机10的地面速度的节流阀11(throttle)(图3)。收割机10包括主框架12，该主框架12被支承在具有连续履带15、轮胎或接合支承表面16(例如，地面或田地)的其它牵引装置的车轮14上。履带15直接与支承表面16相互作用，并且负责收割机10的移动和牵引力，但在其它实现中，收割机10仅设置车轮(而不是如图所例示的履带)。操作员驾驶室18安装在框架12上并且包含操作员的座椅20(图3)。具有并排的螺旋推运器(auger)或卷轴的一对庄稼提升器22安装在框架12的前部，该对庄稼提升器22在要收割的一排庄稼的相对侧进行操作。该对庄稼提升器22通常限定用于接收庄稼的入口23。庄稼提升器22与包括反向旋转盘的基部切割器(未示出)协作，该基部切割器割断靠近支承表面16的庄稼茎秆。切顶器(topper)24在动臂25上相对于框架12延伸。切顶器24具有用于将庄稼顶部切掉的一个或多个切顶器刀片26。在其它的实现中，可以将收割机10配置用于其它庄稼，诸如玉米和其它植物。
17.图2例示了贯穿切碎器27和清理系统55的截面。可以通过一组喂入辊28(本文中也被称为喂入系统28)以喂入速度将庄稼喂入至切碎器27。在其它的实现中，喂入系统28可以包括其它类型的喂入机构，诸如输送机等。
18.切碎器27将庄稼切割成外来植物物件(extraneous plant matter)和庄稼料段(billet)b，该庄稼料段包括成段的庄稼茎秆。马达50驱动切碎器27，诸如液压马达、气动马达、电动马达、发动机或者其它合适的原动机。马达50包括在工作上联接以驱动切碎器27的驱动轴52。例如，驱动轴52可以经楔接(keyed)或以其它合适的方式在工作上联接以驱动切碎器27。可以将马达50配置成以多种速度驱动切碎器27，该速度在本文中可以被称为切割速度。在本文中可以将马达50和切碎器27称为切碎器系统。切碎器27包括由马达50驱动的一组切碎器滚筒29。切碎器滚筒29包括刀片30，该刀片30用于将诸如甘蔗c这样的庄稼茎秆切割成庄稼料段b，庄稼该料段b包括成段的茎秆。各个料段b可以具有从端到端测得的长度l。在所例示的实现中，切碎器滚筒29可以包括具有重叠刀片的反向旋转滚筒式切割器。在其它的实现中，切碎器27可以包括：用于切割庄稼茎秆的任何合适的一个或多个刀片；以及用于驱动切碎器27的其它类型的原动机。庄稼还包括泥土、叶子、根以及其它植物物件，它们在本文中被统称为外来植物物件，它们也与甘蔗c一起在切碎器27中被切割。
19.切碎器27将经切割的庄稼(庄稼料段b和外来植物物件)流引导至清理系统55。在一些实现中，可以通过升降机或输送机将经切割的庄稼运输至清理系统55。
20.将清理系统55联接至框架12并且设置在切碎器27的下游，用于接收来自切碎器27的经切割的庄稼。清理系统55从切碎器27接收经切割的庄稼，并且通常例如通过庄稼清理器40和/或其它组件来分离经切割的庄稼。庄稼清理器40可以包括：用于清理经切割的庄稼
的任何合适的机构(诸如可以由马达驱动的风扇42(如在所例示的实现中)，或者压缩空气源、耙具(rake)、摇动器(shaker)或者区分各种类型的庄稼部分(按重量、大小、形状等)的任何其它机构)，以便将外来植物物件与庄稼料段分离。清理系统55可以包括以下项中的一个或更多个的任何组合：清理室32、清理室壳体34、庄稼清理器40、风扇外壳36、具有开口54的护罩38以及离心式鼓风机叶轮46。庄稼清理器40可以以清理速度(诸如风扇42的速度)运行。在其它的实现中，清理速度可以是离心式鼓风机叶轮46的速度，或者上述清理系统55的组件中的任一组件的任何组合的速度。清理室32通常是由清理室壳体34、风扇外壳36和/或护罩38所限定的空间，所有这些部件都联接至框架12并且正好位于切碎器27的下游，用于接收来自切碎器27的经切割的庄稼。风扇外壳36联接至清理室壳体34并且可以包括偏转器叶片31。
21.护罩38联接至风扇外壳36并具有圆顶形状(domed shape)或其它合适形状，并且包括从收割机10起向外成角度并稍微向下面对田地16的开口54。在一些实现中，开口54可以大体垂直于驱动轴52。护罩38将经切割的庄稼引导通过开口54直至收割机10的外部，例如，用于将从经切割庄稼流中去除的经切割庄稼的一部分排回到田地上。
22.再次参照图1，输送机56联接至框架12，用于从清理系统55接收经清理的庄稼。输送机56终止于排出口58(或出口)，该排出口被升高至这样的高度，即，该高度适于将经清理的庄稼排出到跟随在收割机10旁边的车辆(未示出)(诸如卡车、货车等)的收集容器中。可以将二次清理器60设置在排出口58附近，用于在将庄稼排出至车辆之前第二次清理庄稼。例如，二次清理器60可以包括风扇、压缩空气、耙具、摇动器或者用于清理庄稼的其它合适装置。
23.随着庄稼清理器40将通常较轻的外来植物物件吸入护罩38并排出开口54，通常使料段b与清理室32中的外来植物物件分离。被引导通过开口54并被喷射回到田地16上的所有经切割的庄稼在本文中被称为残余物(residue)。残余物通常主要包括外来植物物件(其通常已经被切割)，并且可能包括一些庄稼料段b，不过即使有的话，该庄稼料段b的量也应较低。
24.清理室壳体34将经清理的庄稼引导至输送机56。尽管一些外来植物物件可能仍然存在于经清理的庄稼中，但是经清理的庄稼通常主要包括庄稼料段b。因此，一些外来植物物件可以与庄稼料段b一起从排出口58排出。从排出口58排出至车辆的外来植物物件在本文中被称为废料(trash)。
25.图3中示意性地例示，为马达43和马达50提供动力的液压回路62在工作上联接至该马达。在其它的实现中，回路62可以是电动的、气动的，可以包括机械连杆等。用于收割机风扇的液压回路的一个示例的详细描述可以在与本技术共同拥有权益的美国专利公开no.2015/0342118中找到，该美国专利公开的全部内容通过引用并入本文。例如，液压回路62是由泵64提供动力的闭环液压回路。泵64可由收割机10的原动机(未示出)或其它动力源进行驱动。
26.收割机10包括传感器70，该传感器70被配置成，检测穿过收割机10的庄稼料段b的光学图像。可以将传感器70配置成，检测庄稼料段b的二维或三维外观。传感器70可以是光学传感器并且可以被配置成检测频谱中的任何波长或频率。例如，传感器70可以包括：三维视觉摄像机、光检测和测距(lidar：light detection andranging)装置、结构化光三维扫
描仪和/或立体摄像机。在其它的实现中，传感器70可以包括诸如摄像机这样的二维视觉传感器，该二维视觉传感器被配置成，检测频谱中的任何波长或频率，并且生成至少与料段b的长度l和/或料段b的其它尺寸的二维外观关联的信号。传感器70可以检测每一个料段b或者仅检测庄稼料段b中的一些。
27.可以将传感器70设置在切碎器27下游的任何合适位置，用于观测庄稼料段b。更具体地，可以将传感器70设置在输送机56附近(例如输送机56的上方)，以观测在输送机56上输送的料段b，如图3所示。可以将传感器70另外或者另选地设置在收割机10中的切碎器27处或者下游的任何别的地方。例如，可以将传感器70设置刀片30与清理系统55之间或者设置在清理室32中，还如图3中分别使用标号70'和70"所例示的。也可以将传感器70设置在收割机10的外部，以便观测被收集在收集车辆(未示出)中甚或研磨机(mill)或其它目的地处的料段b。在一些实现中，收割机10只包括传感器70、70'、70"中的一个。在一些实现中，使用传感器70、70'以及70"中的多个。
28.将传感器70配置成，生成与庄稼料段b的长度l关联的信号。例如，切碎器27将茎秆切割成庄稼料段b，各个料段具有第一端部74和第二端部78(图5)。可以将长度l定义为料段b的第一端部74与料段b的第二端部78之间的距离。可以将传感器70配置成，生成至少与料段b的长度l和/或料段b的其它尺寸和外观(例如，第一端部74和第二端部78的外观)关联的信号。
29.如图3至图5并且特别是图4中所例示的，控制系统100包括：具有可编程处理器104(例如，微处理器、微控制器或者另一合适的可编程装置)、存储器106的控制器102；以及人机界面108。存储器106例如可以包括程序存储区域110和数据存储区域112。程序存储区域110和数据存储区域112可以包括一种类型的存储器或不同类型的存储器的组合(诸如只读存储器(“rom”)、随机存取存储器(“ram”)(例如，动态ram(dram)]、同步dram(sdram)等)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪存、硬盘、sd卡、或其它合适的磁性、光学、物理、电子存储器装置)，或者其它数据结构。控制系统10可以包括编程相关物(programming)，诸如算法和/或神经网络。控制系统100还可以或者另选地包括集成电路和/或模拟装置，例如，晶体管、比较器、运算放大器等，以执行本文所描述的逻辑、算法以及控制信号。
30.人机界面108可以包括显示面板114和控制面板116。显示面板114可以向操作员传达可视和/或音频信息，例如向操作员传达消息。例如，显示面板114可以包括屏幕、触摸屏、一个或更多个扬声器等。将控制面板116配置成接收来自操作员的输入。例如，控制面板116可以包括：按钮、拨盘(dials)、触摸屏(该触摸屏可以是提供显示面板的同一触摸屏或者是不同的触摸屏)、个人计算机、移动装置等，操作员可以利用该按钮、拨盘、触摸屏等输入设定、偏好、命令等以对收割机10进行控制。
31.控制系统100包括去往和来自各种组件的多个输入部118和输出部120，如图3和图4所例示的。将控制器102配置成，向输出部120提供控制信号并且从输入部118接收信号(例如，传感器数据信号、用户输入信号等)。如本文所使用的，信号可以包括：电子信号(例如，通过电路或电线)、无线信号(例如，通过卫星、互联网、移动电信技术、频率、波长、)等。输入部118可以包括但不限于控制面板116，或者更一般地包括人机界面108以及传感器70、70'、70"，并且可以包括本文所描述的其它组件以及本文未描述的其它组件。输出部120可包括但不限于：节流阀11、切顶器24、喂入系统28、包括切碎器滚筒29和刀片30的切碎器
27、马达50、清理系统55(例如，庄稼清理器40、风扇42、马达43和/或离心式鼓风机叶轮叶轮46、或者清理系统55的其它组件)、输送机56以及泵64，并且可以包括本文所描述的其它组件以及本文未描述的其它组件。
32.控制系统100被配置成对料段b的外观(该外观可以包括料段b的尺寸，诸如长度l)进行分析、被配置成将该长度l或其它尺寸索引到存储器106中、被配置成计算经索引的长度l的可变性(variability)、被配置成比较长度l和/或可变性与用户所设定的目标、以及被配置成响应于该比较来调节收割机10(如下面将更详细地描述的)。
33.庄稼料段b的长度l和长度可变性是庄稼质量的关键特征。长度l取决于收割机10的多个组件。喂入速度(例如，喂入辊28运行的速度)改变甘蔗c经过切碎器27的速率。通常，增加喂入速度将增加最终所得庄稼料段b的长度l。随着喂入速度的增加，在刀片30再次切割之前，有更多甘蔗通过了切碎器27，从而形成更长的料段。相反地，减小喂入速度将减小最终所得庄稼料段b的长度l。长度l还取决于切碎器27的切割速度(例如，切碎器滚筒29的旋转滚筒速度、刀片30的切割速度)。增加切割速度会减小料段b的长度l，而减小切割速度会增加料段b的长度l。因此，在实现一定长度l的增加料段b时，在喂入速度与切割速度之间形成关系。在一些实现中，该关系是以比率的形式来表达的。
34.控制系统100从传感器70接收指示庄稼料段b的外观和长度的信号。控制系统100可以连续地或周期性地分析切碎器27下游的庄稼料段b的外观，例如，测量切庄稼料段b的尺寸。应理解，虽然每次都分析不同料段b，但是分析各个新料段b的过程可以相同。这样，本文仅需要描述分析单个料段b的过程。
35.具体地，可以将控制器102配置成，基于来自传感器70的信号来测量料段b的长度l，并且计算长度可变性。控制器102的这部分可以称为光学感测系统并且可以包括传感器70。在其它的实现中，可以分析庄稼料段b的其它合适特征。
36.图5例示了控制系统100从传感器70接收到的信号的表示，该信号包括具有不同长度的不同料段b的图像(在图5中分别标注为长度l1至l3以及料段b1至b3)。长度l的值从l1增加至l3。可以对控制系统100进行硬编码以计算长度l1至l3，例如，使用从图像取得的观测到的测量结果(例如，计数像素、确定深度、采用已知长度的参考等)或者任何其它合适的方法，诸如可以是硬编码的算法，或者可以采用利用经预分类的图像训练的神经网络，来识别具有各种长度l的料段b的图像。例如，神经网络可以包括卷积神经网络。将各个料段b的测得的长度l保存在存储器106中。
37.在例示表示中，料段b1至b3全部被摆成垂直于传感器70的姿态(例如，在三维空间中取向)。在使用中，可以将料段b摆成与传感器70成角度的姿态。同样地，可以将控制系统100配置成，使用任何合适技术来分析料段b的姿态(例如，取向)，以帮助测量长度l。例如，可以基于第一端部74和第二端部78的外观或者使用任何其它合适的技术来分析姿态。通过分析例如第一端部74和/或第二端部78的图像，控制系统100可以提取姿态信息。在一些实现中，控制系统100可以采用机器学习分类器，该机器学习分类器被训练成基于学习后的特征来确定姿态和/或料段长度l，可以通过监督学习技术、无监督学习技术、其它机器学习技术或者机器学习技术的任何组合来教导这些学习后的特征。
38.在第一运行模式下，特定长度l(其在本文中可以称为目标长度)可以是操作员期望的并且通过人机界面108输入到控制器102中。对于料段b的未来使用(例如，在收集容器
中、在加工机器中等)而言或者出于任何其它理由，实现目标长度l可以是重要的。例如，在用户已经选择了第一运行模式之后，可以例如使用控制面板116将7.3英寸(185mm)的目标长度(或另一长度值)输入为料段目标长度。可以将与目标长度的偏差(例如，料段目标长度与基于来自传感器70的信号的测得的长度之间的差值)用于调节切割速度和喂入速度中的一个或两个。因此，基于来自传感器70的信号调节切割速度和喂入速度中的一个或两个。在第一运行模式下，将各个经分析的料段b的料段长度l保存到存储器106中，例如，在表中进行索引。也可以将各个经分析的料段b的偏差索引到存储器106中。
39.在第二运行模式下，可能期望长度一致性或可变性的目标水平，并且通过人机界面108将该目标水平输入到控制器102中。切碎器27处的高长度一致性(低可变性)对于改善在庄稼清理器40处的清理和优化收割机10的负载密度而言以及出于其它理由是重要的。更大的长度一致性意味着更好的清理结果(例如，被错误地作为残余物排出的料段b更少、在运输过程中与料段b一起包括的外来植物物件更少等)。在第二运行模式下，可以由用户输入长度的目标可变性而不是目标长度。术语“目标可变性(target variability)”在本文中用于涵盖目标可变性和/或目标一致性。目标可变性可以采用百分比、尺寸范围或其它恰当测量的形式。将控制系统100配置成使用各个料段b的长度l，来确定可以自动计算的测得的可变性。可以使用简单的计算(诸如标准偏差或方差)或者更复杂的计算，来确定测得的可变性。在第二运行模式下，可以将长度可变性保存或索引到存储器106中。
40.将控制系统100配置成，调节一个或更多个系统参数(例如，喂入速度、切割速度、清理速度等)。控制系统100可以根据来自传感器70的与庄稼料段b的长度l对应的信号来调节所述一个或更多个系统参数。
41.例如，在第一运行模式下，如果测得的长度l小于目标长度，则控制器102可以增加喂入速度和/或减小切割速度。相反地，如果测得的长度l大于目标长度，则控制器102可以减小喂入速度和/或增加切割速度。经调节的参数可以影响后续庄稼料段b的长度l，使得后续长度l可以减小或增加，以便接近目标长度。在一些实现中，可以将控制系统100配置成，通过调节切割速度与喂入速度的比率来调节这些参数，使得后续长度l可以减小或增加，以便接近目标长度。
42.在第二运行模式下，如果测得的可变性不在目标可变性内，则将控制器102配置成，调节所述一个或更多个系统参数(例如，喂入速度、切割速度、切割速度与喂入速度的比率等)，使得后续测得的可变性接近目标可变性。
43.图6示出了收割机10的运行的部分表示图。收割机10包括喂入系统28，该喂入系统28可以在喂入速度下运行，并且该喂入系统28被配置成，使庄稼(例如，甘蔗c)朝着切碎器27(包括刀片30)喂入，该切碎器被配置成，将庄稼c切割成庄稼料段b，该切碎器27是以切割速度运行的。光学传感器70生成与庄稼料段b的长度l对应的信号。控制器102被配置成接收信号、根据该信号来确定长度l，并且被编程成，基于该信号对切割速度和喂入速度中的一个或两个进行调节。控制器102还被配置成：通过人机界面108接收来自操作员的输入118，该输入118包括料段目标长度；以及调节切割速度和喂入速度中的一个或两个，使得庄稼料段b的长度l接近料段目标长度。控制器102还被配置成：通过人机界面108接收来自操作员的输入118，该输入118包括料段长度的目标可变性；以及调节切割速度和喂入速度中的一个或两个，使得测得的可变性接近目标可变性。
44.还可以将控制系统100配置成，基于长度l来控制另一系统参数(例如，清理速度)。控制系统100可以以如图7所例示的”后馈(feed back)”模式或者如图8所例示的“前馈(feed forward)”模式来运行。
45.在图7所示的“后馈”模式下，切碎器27将庄稼料段b传递至清理系统55。清理系统55从控制器102接收速度控制信号。清理系统55排出残余物，并且使庄稼料段b前进至传感器70。传感器70对庄稼料段b进行检测，将测得的信号发送至控制器102。将控制器102配置成，根据信号确定长度l和长度可变性。然后，控制器102可以基于长度l(例如，基于检测到的长度l和/或计算出的检测到的长度l的长度可变性)，来调节速度控制信号以调节清理系统55的速度。例如，控制器102可以对于较长料段增加速度控制信号(较高的清理速度)，而对于较短料段减小速度控制信号(较低的清理速度)。在其它的实现中，控制器102可以对于较长料段减小速度控制信号(较低的清理速度)，而对于较短料段增加速度控制信号(较高的清理速度)。还在其它实现中，控制器102可以对于增加的长度可变性减小速度控制信号(较低的清理速度)，而对于减小的长度可变性增加速度控制信号(较高的清理速度)。在其它实现中，可以将清理速度与检测到的长度l和/或计算出的检测到的长度l的长度可变性之间的其它相关性编程到控制器102中。如上所述，减小速度可以减少作为残余物排出的料段b，而增加速度可以减少与料段b一起排出到收集容器中的废料。在”后馈”模式下，长度l是在已经清理了庄稼料段b之后进行检测的。
46.在图8所示的“前馈”模式下，长度l是在清理庄稼料段b之前进行检测的。传感器70'被配置成在庄稼料段b被清理之前对庄稼料段b进行检测，例如被设置在切碎器27与清理系统55之间。将来自传感器70'的信号发送至控制器102。将控制器102配置成分析信号，并且根据该信号确定长度l和长度可变性。然后，控制器102可以基于长度l(例如，基于检测到的长度l和/或计算出的检测到的长度l的长度可变性)，来调节速度控制信号以控制清理系统55的运行(速度)。例如，控制器102可以对于较长料段增加速度控制信号(较高的清理速度)，而对于较短料段减小速度控制信号(较低的清理速度)。在其它的实现中，控制器102可以对于较长料段减小速度控制信号(较低的清理速度)，而对于较短料段增加速度控制信号(较高的清理速度)。还在其它实现中，控制器102可以对于增加的长度可变性减小速度控制信号(较低的清理速度)，而对于减小的长度可变性增加速度控制信号(较高的清理速度)。在其它实现中，可以将清理速度与检测到的长度l和/或计算出的检测到的长度l的长度可变性之间的其它相关性编程到控制器102中。如上所述，减小速度可以减少作为残余物排出的料段b，而增加速度可以减少与料段b一起排出到收集容器中的废料。
47.在运行中，用户设定料段目标长度和/或目标可变性。将庄稼茎秆从基部切割器(未示出)输送至切碎器27。切碎器27通过刀片30切碎庄稼，并将庄稼料段b和外来植物物件的流递送至清理室32。外来植物物件和庄稼料段b至少部分地由清理系统55进行分离。传感器70捕获庄稼料段b的图像，特别是料段b的长度l的图像，并将该图像信号发送至控制系统100。控制系统100分析图像、确定料段长度l和可变性、以及将料段长度l和可变性存储在存储器106中。控制系统100可以基于经索引的数据来调节收割机10的所述一个或更多个系统参数。在调节系统参数之后，可以重复该过程，使得控制器102连续地接收来自传感器70的信号，并且根据需要连续地和自动地对系统参数进行调节(例如，创建闭环)。
48.因此，本公开格外提供了一种具有自动闭环料段长度感测和控制系统的收割机。
本公开的各种特征和优点在所附权利要求中加以阐述。