用于联合收割机的割台稳定控制系统的制作方法

用于联合收割机的割台稳定控制系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年4月23日提交的美国发明专利申请no.16/856,718的优先权，该专利申请的公开内容通过引用全部并入本文中。
技术领域
3.本发明总体上涉及用于联合收割机的割台稳定控制系统，并且更具体地涉及使用布置在割台上的惯性测量单元来对联合收割机的割台的竖向扰动和侧向扰动进行补偿。


背景技术：

4.联合收割机在农业中通常用于对农田中的作物进行收割。割台通常被安装在联合收割机的前部处以用于对作物进行切割。当联合收割机在农田上对作物进行收割时，重要的是割台保持高于地面的特定割台高度。太高的割台高度可能导致收割产量减少，而太低的割台高度可能导致对割台的损坏。由于农田的地面的不平坦，保持这种割台高度是具有挑战性的。
5.常规的割台高度控制系统在联合收割机行进穿过农田时基于对从割台到地面的距离进行测量的高度传感器而自动地使割台升高和降低。然而，大多数常规的割台高度控制系统没有考虑任何其他输入，比如对来自运输车辆的扰动的测量或者基于轮胎偏转或割台悬挂装置的其他来源的对割台位置的影响。类似地，常规的割台高度控制系统也没有考虑割台的侧向倾斜扰动。


技术实现要素：

6.根据一个或更多个实施方式，提供了用于使联合收割机的割台稳定的系统和方法。从布置在割台上的一个或更多个传感器接收表示割台上的竖向扰动的竖向扰动信号和表示割台上的侧向倾斜扰动的侧向倾斜扰动信号。基于竖向扰动信号对补偿的竖向位移值进行确定，并且基于侧向倾斜扰动信号对补偿的侧向倾斜位移值进行确定。将一个或更多个控制信号发送至一个或更多个致动器，以使割台基于补偿的竖向位移值沿竖向移位从而对竖向扰动进行补偿，以及使割台基于补偿的侧向倾斜扰动围绕枢轴接合部旋转移位从而对侧向倾斜扰动进行补偿。
7.在一个实施方式中，竖向扰动信号表示割台的竖向加速度，并且侧向倾斜扰动信号表示割台在围绕枢轴接合部的旋转方向上的角速度。
8.在一个实施方式中，发送第一控制信号，以指示第一组致动器使割台基于补偿的竖向位移值沿竖向移位，以及发送第二控制信号，以指示第二组致动器使割台基于补偿的侧向倾斜位移值旋转移位。
9.在一个实施方式中，补偿的竖向位移值是通过以下方式来确定的：基于根据竖向扰动信号所确定的割台的加速度对割台的竖向位置进行计算；对割台的竖向高度误差进行确定；以及基于竖向位置和竖向高度误差对补偿的竖向位移值进行确定。例如，可以通过将
竖向位置和竖向高度误差相加来对补偿的竖向位移值进行确定。
10.在一个实施方式中，补偿的侧向倾斜位移值是通过以下方式来确定的：基于根据侧向倾斜扰动信号所确定的割台的角速度对割台的侧向倾斜位置进行确定；对割台的侧向倾斜误差进行确定；以及基于侧向倾斜位置和侧向倾斜误差对补偿的侧向倾斜位移值进行确定。例如，可以通过将侧向倾斜位置和侧向倾斜误差相加来对补偿的侧向倾斜位移值进行确定。
11.在一个实施方式中，所述一个或更多个传感器是惯性测量单元。
12.通过参照以下详细说明和附图，本发明的这些和其他优点对本领域普通技术人员来说将是明显的。
附图说明
13.图1示出了说明性的联合收割机；
14.图2示出了割台稳定控制系统的高级示意图；
15.图3示出了用于使联合收割机的割台稳定的方法；
16.图4示出了用于对补偿的竖向位移值进行确定的方法；
17.图5示出了用于对补偿的侧向倾斜位移值进行确定的方法；以及
18.图6示出了计算机的高级框图。
具体实施方式
19.参照图1，示出了根据一个或更多个实施方式的示例性的联合收割机100。联合收割机100包括自推进式运载件102和割台104，该割台104经由进料室106而被安装在运载件102的前端部处。割台104通过枢轴接合部108(经由进料室106)以可枢转的方式联接至运载件102。通常，在操作中，当联合收割机100在农田上行进时，割台104对作物进行切割以进行收割。所切割的作物被向上运送至进料室106以继续进行处理。
20.通常，由于例如农田的地面的不平坦或者联合收割机的转向而难以保持特定的割台高度。割台高度是指割台上的点(例如，割台的梢端部)与地面之间的距离。太高的割台高度可能导致收割产量减少，而太低的割台高度可能导致对割台的损坏。
21.有利地，本发明的实施方式提供了用于对割台104上的竖向扰动和侧向倾斜扰动两者进行补偿的割台稳定控制系统。在割台104上布置一个或更多个传感器112，并且传感器112配置成提供输出，该输出包括表示割台104上的竖向扰动的竖向扰动信号以及表示割台104上的侧向倾斜扰动的侧向倾斜扰动信号。电子控制单元(ecu)114将控制信号发送至一个或更多个致动器110，以使割台104移位，从而对竖向扰动和侧向倾斜扰动进行补偿。
22.应当理解的是，虽然本文中所讨论的实施方式可以针对使联合收割机的割台稳定来进行讨论，但是本发明不限于此。本发明的实施方式可以应用于使任何类型的运载件上的任何类型的悬臂(boom)稳定。例如，本发明的实施方式可以应用于使喷雾器的悬臂稳定。
23.图2示出了根据一个或更多个实施方式的割台稳定控制系统200的高级示意图。将参照图1对图2进行描述。割台稳定控制系统200包括ecu 114以及第一组致动器110-a和第二组致动器110-b(统称为致动器110)，该euc 114以通信的方式联接至位于割台104上的一个或更多个传感器112。ecu 114、传感器112和致动器110可以是以任何合适的方式(例如，
无线或经由线缆的有线方式)而以通信的方式联接的。图2中相对于割台104的前视图而示意性地示出了割台稳定控制系统200。
24.传感器112被布置或安装在割台104上，并且传感器112被配置成对割台104上的竖向扰动和割台104上的侧向倾斜扰动进行检测。割台104上的竖向扰动是指使割台104沿着竖向方向202(即，沿着z方向向上或向下)竖向移位的扰动。割台104上的侧向倾斜扰动是指使割台104的侧向倾斜沿着围绕枢轴接合部108(即，围绕翻滚轴线x，该翻滚轴线x在图2中未明确示出但与y轴线和z轴线两者都垂直)的旋转方向204(例如，顺时针或逆时针)旋转移位。在割台104上的这种竖向扰动和侧向倾斜扰动表示联合收割机100的对割台104进行支撑的元件的活动，所述活动比方说例如：联合收割机100的轮胎的轮胎弯曲；割台提升油路或主动液压悬挂装置(液压蓄能器)的液压顺应性；联合收割机100的机械弯曲；联合适配器(联合收割机100与割台104之间的机械悬挂装置)；或者对割台104的竖向位移或侧向倾斜位移产生影响的任何其他扰动。当例如联合收割机100在不平坦的地面(例如，地面上的隆起)上行进时或者当联合收割机100改变方向时可能发生这种扰动。
25.传感器112可以是用于对割台104的竖向扰动或侧向倾斜扰动进行检测和量化的任何合适的传感器，比方说例如加速度计、陀螺仪或者任何其他类型的传感器或传感器的组合。传感器112可以包括在沿割台104的长度的任何合适的位置处布置在割台104上的任何数量的传感器。在一个实施方式中，如图2中所示，传感器112包括定位在割台104的中央处或定位在割台104的中央附近的单个传感器。在另一实施方式中，传感器112包括布置在割台104的每个端部处的两个传感器。在一些实施方式中，传感器112可以被结合到ecu 114中并且被安装在割台104上。传感器112被配置成输出表示割台104上的竖向扰动的竖向扰动信号和表示割台104上的侧向倾斜扰动的侧向倾斜扰动信号。
26.在一个实施方式中，传感器112是惯性测量单元(imu)。imu包括加速度计和陀螺仪(以及可能包括磁力计)。imu的加速度计以加速度的形式对竖向扰动进行量化，而imu的陀螺仪以角速度的形式对侧向倾斜扰动进行量化。因此，imu输出竖向扰动信号和侧向倾斜扰动信号，该竖向扰动信号表示割台104沿竖向方向202的加速度并且表示割台104上的竖向扰动，该侧向倾斜扰动信号表示割台104沿旋转方向204的角速度并且表示割台104上的侧向倾斜扰动。
27.在一个实施方式中，传感器112包括对竖向扰动信号进行输出的离散加速度计和对侧向倾斜扰动信号进行输出的离散陀螺仪。在一个实施方式中，传感器112包括定位在割台104的每个端部处的两个加速度计，并且基于两个加速度计的角加速度之间的差异对侧向倾斜扰动信号进行确定。在一个实施方式中，传感器112包括对侧向倾斜扰动信号进行输出的角加速度传感器，该侧向倾斜扰动信号表示割台104沿旋转方向204的角加速度。
28.ecu 114接收来自传感器112的竖向扰动信号和侧向倾斜扰动信号。可以使用任何合适的计算装置、比方说例如图6的计算机602来实现ecu 114。ecu 114可以位于联合收割机100上的任何合适的位置(例如，在联合收割机100的驾驶室中或在割台104上)，或者ecu 114可以定位成远离联合收割机100，从而以无线的方式与传感器112和致动器110进行通信。ecu 114基于竖向扰动信号来确定补偿的竖向位移值并且基于侧向倾斜扰动信号来确定补偿的侧向倾斜位移值，并且ecu 114将一个或更多个控制信号发送至一个或更多个致动器110，以使割台104基于补偿的竖向位移值沿竖向移位从而对竖向扰动进行补偿，并且
使割台104基于补偿的侧向倾斜位移值旋转移位从而对侧向倾斜扰动进行补偿。在一个实施方式中，ecu 114执行下文详细描述的图3的方法300的步骤。
29.致动器110可以包括定位在任何合适的位置处的任何数量的致动器，以使割台104沿竖向移位以及使割台104旋转移位。在一个实施方式中，如图2中所示，致动器110包括用于使割台104沿竖向方向202竖向移位的第一组的一个或更多个致动器110-a以及用于使割台104沿旋转方向204旋转移位的第二组的一个或更多个致动器110-b。第一组致动器110-a和第二部致动器110-b可以联接在进料室106(该进料室106对切割台104进行支撑)与运载件102的底盘之间。在一个示例中，第一组致动器110-a可以位于进料室106的一侧或两侧，并且第二组致动器110-b可以定位成相对更靠近枢轴接合部108。致动器110延伸和收缩，以使割台104移位。例如，第一组致动器110-a可以各自延伸或者各自收缩，以使割台104沿竖向移位，从而对竖向扰动进行补偿。另外或替代性地，第二组致动器110-b可以延伸和/或收缩，以使割台104沿旋转方向204旋转移位，从而对侧向倾斜扰动进行补偿。例如，如图2中所示，其中，第二组致动器110-b包括单个致动器，该致动器可以延伸或收缩，以使割台104分别沿逆时针旋转方向204或沿顺时针旋转方向204旋转移位。在另一示例中，其中，第二组致动器110-b包括位于枢轴接合部108的相反侧的第一致动器和第二致动器，第一致动器可以延伸(或收缩)并且第二致动器可以收缩(或延伸)，以使割台104沿着旋转方向204旋转移位。致动器110可以是用于对割台104的运动进行控制的任何合适的装置。例如，致动器110可以基于电流、液压流体压力、气动压力等。示例性的致动器110包括线性液压缸和线性电动马达。
30.图3示出了根据一个或更多个实施方式的用于使联合收割机的割台稳定的方法300。将参照图1和图2对图3进行描述。方法300可以由任何合适的计算装置、比方说例如图6的计算机602来执行。在一个实施方式中，方法300由图1和图2的ecu 114来执行。
31.在步骤302，从布置在联合收割机100的割台104上的一个或更多个传感器112接收表示割台104上的竖向扰动的竖向扰动信号和表示割台104上的侧向倾斜扰动的侧向倾斜扰动信号。在一个实施方式中，竖向扰动信号表示割台104沿竖向方向202的竖向加速度，并且侧向倾斜扰动信号表示割台104沿旋转方向204的角速度。在一个实施方式中，竖向扰动信号和侧向倾斜扰动信号分别呈与加速度和角速度成比例的电压的形式。
32.在步骤304，基于竖向扰动信号对补偿的竖向位移值进行确定。在一个实施方式中，补偿的竖向位移值可以根据图4的方法400来确定。
33.在步骤306，基于侧向倾斜扰动信号对补偿的侧向倾斜位移值进行确定。在一个实施方式中，补偿的侧向倾斜位移值可以根据图5的方法500来确定。
34.在步骤308，将一个或更多个控制信号发送至一个或更多个致动器110，以使割台104基于补偿的竖向位移值沿竖向移位，从而对竖向扰动进行补偿，以及/或者使割台104基于补偿的侧向倾斜位移值围绕枢轴接合部旋转移位，从而对割台104上的侧向倾斜扰动进行补偿。在一个实施方式中，将第一控制信号发送至第一组致动器110-a，以使割台104沿竖向移位，并且将第二控制信号发送至第二组致动器110-b，以使割台104旋转移位。
35.图4示出了根据一个或更多个实施方式的用于对补偿的竖向位移值进行确定的方法400。将参照图1和图2对图4进行描述。方法400可以由任何合适的计算装置、比方说例如图6的计算机602来执行。在一个实施方式中，方法400由图1和图2的用于执行图3的步骤304
的ecu 114来执行。
36.在步骤402，基于根据竖向扰动信号所确定的割台104的竖向加速度来计算割台104的竖向位置。竖向扰动信号表示割台104的竖向加速度并且表示割台104的竖向扰动。割台104的竖向加速度优选为割台104的线性加速度，然而，割台104的竖向加速度也可以是角加速度。割台104的竖向位置为相对于惯性参考系的相对位置(距离)。
37.割台104的竖向位置是通过以下方式来根据割台104的竖向加速度估算的：将竖向加速度的动态响应操纵成与机械系统的动态响应相匹配并且然后对结果进行缩放。生成的信号接近地估算了由于来自运输车辆(例如，联合收割机)的竖向扰动或支撑悬挂装置所引起的运动而导致的对竖向位置变化的影响。
38.在步骤404，对割台的竖向高度误差进行确定。割台的竖向高度误差表示割台104的高于地面的割台高度。可以使用定位在割台104上的一个或更多个距离传感器(在图中未示出)、比方说例如超声式传感器对割台104的割台高度进行确定。可以将竖向高度误差计算为由距离传感器所测量的平均割台高度。
39.在步骤406，基于割台104的竖向位置和竖向高度误差对补偿的竖向位移值进行确定。在一个实施方式中，通过将竖向位置和竖向高度误差相加来对补偿的竖向位移值进行计算。由于竖向位置是相对于惯性参考系的，而竖向高度误差是高于地面的绝对位置，因此在考虑已知的惯性参考系的同时通过将竖向位置和竖向高度误差相加来对补偿的竖向位移值进行计算。
40.图5示出了根据一个或更多个实施方式的用于对补偿的侧向倾斜位移值进行确定的方法500。将参照图1和图2对图5进行描述。方法500可以用任何合适的计算装置、比方说例如图6的计算机602来执行。在一个实施方式中，方法500由图1和图2的用于执行图3的步骤306的ecu 114来执行。
41.在步骤502，基于根据侧向倾斜扰动信号所确定的割台104围绕枢轴接合部的角加速度对割台104的侧向倾斜位置进行计算。侧向倾斜扰动信号表示割台104围绕枢轴接合部的角速度并且表示割台104的侧向倾斜扰动。可以对割台104上的角加速度进行计算以作为割台104的角速度的导数。
42.割台的侧向倾斜位置是通过以下方式来根据割台104的角加速度来估算的：将信号的动态响应操纵成与机械系统的动态响应相匹配并且然后将结果缩放。生成的信号接近地估算了由于来自运输车辆(例如，联合收割机)的侧向倾斜扰动或支撑悬挂装置所引起的运动而导致的对侧向倾斜位置变化的影响。
43.在步骤504，对割台的侧向倾斜误差进行确定。侧向倾斜误差被计算为在割台104的每个端部处所确定的割台高度差。可以使用定位在割台104的每个端部处的距离传感器(在图中未示出)、比方说例如超声式传感器来对在割台104的每个端部处的割台高度进行确定。可以将侧向倾斜误差计算为割台104的左侧端部处的割台高度与割台104的右侧端部处的割台高度之间的差异，其中，当左侧端部处的割台高度和右侧端部处的割台高度相等时，侧向倾斜误差为零。在一个实施方式中，将割台104的侧向倾斜误差按照标题为“用于悬挂的悬臂的翻滚控制系统和方法”的美国专利no.6,834,223所述的方式进行计算，该专利的公开内容通过引用全部并入本文中。
44.在步骤506，基于割台104的侧向倾斜位置和侧向倾斜误差对补偿的侧向倾斜位移
值进行确定。在一个实施方式中，通过将侧向倾斜位置和侧向倾斜误差相加来对补偿的侧向倾斜位移值进行计算。由于侧向倾斜位置基于与地面的距离并且侧向倾斜误差是相对于惯性参照系的，所以在考虑已知的一个或更多个惯性参考系的同时通过将侧向倾斜位置和侧向倾斜误差相加来对补偿的侧向倾斜位移值进行计算。
45.应当理解的是，另外的信号处理步骤可以应用于图4的方法400和图5的方法500。例如，可以通过以下方式在方法400和方法500中执行死区去除步骤：对补偿的竖向位移值和补偿的侧向倾斜位移值与死区阈值进行比较，使得如果不满足死区阈值，则不对割台104的竖向位移和侧向倾斜位移进行调整。在另一示例中，可以在方法400和方法500中执行过滤步骤，以对信号进行过滤从而减少噪音。例如，当来自一个或更多个传感器的关注的信号高于特定频率或速率时，可以将高通滤波器或带通滤波器应用于该信号。在另一示例中，在方法500中，速度至加速度的转换可以涉及对角速度的导数进行计算以确定角加速度，并且涉及应用另外的信号处理步骤、比方说例如移相以与割台的动态、缩放、偏振等相匹配。还可以应用另外的信号处理步骤。
46.可以使用数字电路或者使用利用公知的计算机处理器、存储器单元、存储装置、计算机软件和其他部件的一个或更多个计算机来实现本文中所述的系统、设备和方法。通常，计算机包括用于执行指令的处理器和用于对指令和数据进行存储的一个或更多个存储器。计算机还可以包括一个或更多个大容量存储装置或者联接至一个或更多个大容量存储装置，这种大容量存储装置比如为一个或更多个磁盘、内部硬盘和可移动磁盘、磁光盘、光盘等。
47.可以使用有形地体现在信息载体中、例如体现在非暂时性机器可读存储装置中以用于由可编程处理器来执行的计算机程序产品来实现本文中所述的系统、设备和方法；并且可以使用能够由这种处理器来执行的一个或更多个计算机程序来实现本文中所述的包括图3至图5的步骤或功能中的一者或更多者的方法和工作流程步骤。计算机程序是可以在计算机中直接或间接地用于执行某种活动或生成某种结果的一组计算机程序指令。计算机程序可以以包括编译语言或解释语言的任何形式的编程语言来编写，并且计算机程序可以以包括作为独立程序或作为模块、组件、子程序或适于在计算环境中使用的其他单元的任何形式来运用。
48.图6中示出了可以用于实现本文中所述的系统、设备和方法的示例性计算机602的高级框图。可以使用的一个或更多个计算机、比如计算机602来实现本文中所讨论的包括图1和图2的ecu 114的系统和设备中的任一者或全部。计算机602包括以可操作的方式与数据存储装置612联接的处理器604和存储器610。处理器604通过执行对计算机602的操作进行限定的计算机程序指令来对计算机602的总体操作进行控制。计算机程序指令可以被存储在数据存储装置612或其他计算机可读介质中，并且当需要执行计算机程序指令时可以被加载到存储器610中。因此，图3至图5的方法和工作流程步骤或功能可以由存储在存储器610和/或数据存储装置612中的计算机程序指令来限定，并且可以由处理器执行计算机程序指令来控制。例如，计算机程序指令可以实现为由本领域技术人员编程的计算机可执行代码，以执行图3至图5的方法和工作流程步骤或功能。因此，通过执行计算机程序指令，处理器604执行图3至图5的方法和工作流程步骤或功能。计算机604还可以包括一个或更多个网络接口606，以用于经由网络与其他装置进行通信。计算机602还可以包括能够使用户与
计算机602进行交互的一个或更多个输入/输出装置608(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等)。
49.处理器604可以包括通用微处理器和专用微处理器两者，并且可以是计算机602的唯一处理器或者多个处理器中的一个处理器。例如，处理器604可以包括一个或更多个中央处理单元(cpu)。处理器604、数据存储装置612和/或存储器610可以包括一个或更多个专用集成电路(asic)以及/或者一个或更多个现场可编程门阵列(fpga)，或者可以由一个或更多个专用集成电路(asic)以及/或者一个或更多个现场可编程门阵列(fpga)来补充，或者可以并入一个或更多个专用集成电路(asic)以及/或者一个或更多个现场可编程门阵列(fpga)中。
50.数据存储装置612和存储器610各自包括有形的非暂时性计算机可读存储介质。数据存储装置612和存储器610可以各自包括诸如动态随机存取存储器(dram)、静态随机存取存储器(sram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(ddr ram)或其他随机存取固态存储器装置的高速随机存取存储器，并且数据存储装置612和存储器610可以包括非易失性存储器，所述非易失性存储器比如是：诸如内部硬盘和可移动磁盘的一个或更多个磁盘存储装置、磁光盘存储装置、光盘存储装置、闪存装置；诸如可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、光盘只读存储器(cd-rom)、数字通用光盘只读存储器(dvd-rom)的半导体存储装置；或其他非易失性存储器。
51.输入/输出装置608可以包括诸如打印机、扫描仪、显示屏等的外围设备。例如，输入/输出装置608可以包括：用于向用户显示信息的诸如阴极射线管(crt)显示器或液晶显示(lcd)显示器的显示装置；可以供用户向计算机602提供输入的键盘以及诸如鼠标和轨迹球的定点装置。
52.本领域技术人员将认识到的是，实际的计算机或计算机系统的实施形式可以具有其他结构并且也可以包括其他部件，并且图6是这种计算机的部件中的一些部件的用于说明性目的的高级表示。
53.前述的具体实施方式部分应被理解为在各个方面都是说明性和示例性的，而不是限制性的，并且本文中所公开的本发明的范围不是由具体实施方式部分确定的，而是由根据专利法所允许的全部范围来解释的权利要求确定的。应当理解的是，本文所示出和描述的实施方式仅是对本发明的原理的例示，并且在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以实现各种改型。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以实现各种其他特征的组合。