一种薯类作物精细化测产方法和系统
阅读说明：本技术 一种薯类作物精细化测产方法和系统 (Fine yield measurement method and system for potato crops ) 是由 张健 杨然兵 张还 潘志国 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种薯类作物精细化测产方法和系统,本方法包括获取薯类作物的收获重量,对收获机械的坐标数据进行转换,修正收获作业面积,计算薯类作物产量。本系统包括称重模块、机械行驶计量模块、收获面积修正模块和产量计量模块；称重模块用于统计收获的薯类作物总重量；机械行驶计量模块用于得到高斯坐标系下的收获机械的行驶数据；收获面积修正模块用于得到收获作业面积；产量计量模块用于计算薯类作物的单位产量。本申请能够减小称重数据的波动,提高称重数据的稳定性和精确度；通过面积修正策略,提高了收获作业面积的准确性,提高了薯类作物单位产量的精确计算；同时实现了薯类作物在收获过程中实时测产。(The application discloses a method and a system for finely measuring yield of potato crops. The system comprises a weighing module, a mechanical running metering module, a harvesting area correcting module and a yield metering module; the weighing module is used for counting the total weight of the harvested potato crops; the machine running metering module is used for obtaining running data of the harvesting machine under a Gaussian coordinate system; the harvesting area correction module is used for obtaining a harvesting operation area; the yield metering module is used for calculating the unit yield of the potato crops. The method and the device can reduce the fluctuation of the weighing data and improve the stability and the accuracy of the weighing data; by the area correction strategy, the accuracy of the harvesting operation area is improved, and the accurate calculation of the unit yield of the potato crops is improved; meanwhile, the real-time yield measurement of the potato crops in the harvesting process is realized.)
技术领域
本申请涉及农业智能装备技术领域，具体涉及一种薯类作物精细化测产方法和系统。
背景技术
我国农业现代化正逐步迈向更高的台阶，精细农业和精准管理渐渐流行起来，人们对精细化测产设备的功能及稳定性的要求也越来越高，精细化的农业发展是当前经济条件下所需要的，通过农作物产量的精准测量对产地、肥料、品种等问题做出具体的分析，对于研究增加农作物产量有很大帮助。产量检测需要测产系统不断的完善并且缩小误差，各国的国情不同，每一个国家的测产仪器都是根据各国的农业生产情况进行合理运用的，所以我们要根据具体的情况研究适合我国农业生产使用的测产产品。
目前薯类作物的测产大多为人工干预，通过人工操作对农作物产量、农田亩产量进行称重和计算。这种测产方式不仅操作繁琐，而且精确度较低，易受物理因素影响，误差范围较大。
发明内容
本申请提出一种薯类作物精细化测产方法和系统，通过滤波方式减小称重误差，通过面积修正获取准确的收获作业面积，并提出预设时间段内收获重量、作业面积计算方案，从而实现薯类作物精细化测产的目的。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种薯类作物精细化测产方法，包括如下步骤：
获取预设时间段内收获的薯类作物总重量；
对所述薯类作物的收获机械大地坐标数据进行坐标转换，得到所述收获机械高斯平面坐标数据；
根据所述收获机械高斯平面坐标数据和所述薯类作物在所述收获机械上的作物位移数据，得到所述收获机械的收获作业面积；
根据所述薯类作物总重量和所述收获作业面积，得到所述薯类作物的单位面积产量，完成所述薯类作物精细化测产。
优选的，获取所述薯类作物总重量的方法包括：
连续获取若干个重量数据，通过加权平均滤波法获得加权重量数据；
基于所述加权重量数据，使用判断滤波法获得实时重量数据；
基于所述实时重量数据，得到所述预设时间段内收获的所述薯类作物总重量。
优选的，获取所述收获机械高斯平面坐标数据的方法包括：
初始化高斯投影参数，获取高斯投影系数；
根据所述高斯投影系数，获得高斯平面坐标函数；
获取所述收获机械大地定位坐标数据，根据所述高斯平面坐标函数，对所述收获机械大地定位坐标数据进行坐标转换，得到所述收获机械高斯平面坐标数据。
优选的，获取所述收获作业面积的方法包括：
根据所述收获机械的机械行驶速度和所述作物位移数据，获得所述收获机械的无收获前进距离，所述无收获前进距离为所述薯类作物在所述收获机械上产生位移动作时所述收获机械的前进距离；
根据所述收获机械高斯平面坐标数据、所述无收获作业前进距离和所述收获机械的作业幅宽，得到所述收获作业面积。
本申请还公开了一种薯类作物精细化测产系统，包括称重模块、机械行驶计量模块、收获面积修正模块和产量计量模块；
所述称重模块与所述产量计量模块连接，所述机械行驶计量模块、所述收获面积修正模块和所述产量计量模块顺次连接；
所述称重模块用于统计预设时间段内收获的薯类作物的薯类作物总重量；
所述机械行驶计量模块用于得到高斯坐标系下的收获机械平面坐标数据；
所述收获面积修正模块用于根据所述收获机械平面坐标数据、所述薯类作物在所述收获机械上的作物位移数据和所述收获机械的作业幅宽，得到收获作业面积；
所述产量计量模块用于根据所述薯类作物总重量和所述收获作业面积得到所述薯类作物的单位产量。
优选的，所述称重模块包括称重传感器和滤波计量单元；
所述称重传感器用于采集所述薯类作物的采集重量；
所述滤波计量单元用于根据所述采集重量，得到所述薯类作物总重量。
优选的，所述滤波计量单元包括加权滤波模块、判断滤波模块和累加模块；
所述加权滤波模块用于对所述采集重量进行加权滤波计算，得到加权重量数据；
所述判断滤波模块用于对所述加权重量数据进行判断滤波计算，得到实时重量数据；
所述累加模块用于根据所述实时重量数据，得到所述薯类作物总重量。
优选的，所述机械行驶计量模块包括高斯坐标模块和定位数据模块；
所述高斯坐标模块用于生成高斯平面坐标函数；
所述定位数据模块用于根据所述高斯平面坐标函数，将所述收获机械的大地定位坐标数据转换成收获机械高斯平面坐标数据。
优选的，收获面积修正模块包括收获距离修正模块和作业面积计量模块；
所述收获距离修正模块用于根据所述行驶数据和所述作物位移数据，获得所述收获机械的无收获前进距离，所述无收获前进距离为所述薯类作物在所述收获机械上产生位移动作时所述收获机械的前进距离；
所述作业面积计量模块用于根据所述行驶数据、所述无收获前进距离和所述收获机械的作业幅宽，得到所述收获作业面积。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种薯类作物精细化测产方法和系统，使用双重滤波方式对收获的薯类作物进行称重计量，能够减小称重数据的波动，提高称重数据的稳定性和精确度；综合考虑薯类作物因在收获机械上位移而造成的时间差及因此对实际收获区域面积造成的面积偏差，提出面积修正策略，提高了收获作业面积的准确性，从而提高了薯类作物单位产量的精确计算；同时，创造性的提出了收获作业面积和收获重量的实时计算方法，实现了薯类作物在收获过程中实时测产。本申请可替代人工传统测产操作的繁琐工序，实现对任意块地进行薯类作物单位面积产量的精细化测量，测量误差小于0.1％。本申请具有广阔的推广空间和使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一的薯类作物精细化测产方法流程示意图；
图2为本申请实施例一中的获取马铃薯收获重量的流程示意图；
图3为本申请实施例一中的马铃薯收获机械行进路线的大地坐标示意图；
图4为本申请实施例一中假设的马铃薯在收获机械上移动的过程示意图；
图5为本申请实施例二的薯类作物精细化测产系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，为本申请实施例一的薯类作物精细化测产方法，本实施例一以马铃薯作为薯类作物，进行测产实例说明，包括如下步骤：
S1.获取单位时间内收获的薯类作物总重量；总重量数据波动是影响产量计算的最大的不利因素，所以本实施例一采用了两次滤波算法以减小数据的波动，得到稳定而精确的数据；同时为了能够实现实时计算单位面积产量，在本实施例一中，采用了两个收集筐。具体方法包括：加权平均滤波、判断滤波和累加计算，如图2所示。
S1.1.连续获取Mi(0≤i≤9)个重量数据，通过加权平均滤波法获得加权重量数据；
在本实施例一中，连续接收10个重量数据，设在K时刻采集到的重量为MK，则K时刻加权重量数据可表示为
且Ci＝1，Ci为常数。
S1.2.基于加权重量数据，使用判断滤波法获得实时重量数据；即取S1.1的K时刻加权重量数据，
若则
若则
ΔM为常数，经大量实验验证和总结，取值0.1最佳，得到实时重量数据为M千克。
S1.3.基于实时重量数据，经验证累加后，当两个收集框收集满拿下任意一个时将拿下的收集框中马铃薯累加到总重量中，得到单位时间内收获的薯类作物总重量。
假设K时刻其中一个收集筐满，则Mmax＝MK，若此时重量有变化，则MK<MK+1，考虑到重量波动，需Mmax>q，则总重量M总＝Mh+Mmax。其中，Mmax为采集到的最大重量值，Mh为累加之前总重量，q为防波动值常数，M总为K时段内采集到的总重量。
经过上述步骤，可以实时的准确获得一个时间段内收获的马铃薯总总重量。
S2.对收获机械的大地坐标数据进行坐标转换，得到收获机械的高斯平面坐标数据，为获得收获作业面积作准备。
具体的，包括如下步骤：
S2.1.初始化高斯投影参数；
首先完成原点选择，取收获机械车辆最初位置为原点，大地坐标为(L，B，H)，原点维度为L0，并以该点展开，进行投影参数计算，其中长半轴a和变率f表征椭圆的形状和大小，由WGS-84椭圆参数可得a＝6378137，f＝298.257223563。L、B、H分别为大地坐标系下单长、宽、高。
初始化高斯投影参数，需要先由扁率f参数求得e2，得出公式(4)
e2＝1-(1-f)2 (4)
由第一偏心率的平方求出高斯投影系数A0、A2、A4、A6、A8,如公式(5)所示
S2.2.根据公式(5)的高斯投影系数，获得高斯平面坐标函数；
由公式(5)，可得从赤道算起的子午线弧长，子午圈率半径，如公式(6)，
由公式(6)所求得子午线弧长、子午圈率半径，以及当前经度、维度列出公式(7)可求得高斯平面坐标。
上式参数t＝tanB,m＝cosβ×(L-Lo)。
考虑到我国地理位置，需要将横坐标进行向西平移5000KM，如公式(8)所示
y＝y+5000 (8)
S2.3.根据公式(7)和公式(8)，可将收获机械所在的大地坐标转换为高斯平面坐标。
设收获机械在工作过程中的经纬度高度坐标分别为 Q1(L1,B1),Q2(L2,B2)...Q(n-1)(L(n-1),B(n-1)),Qn(Ln,Bn),由坐标转换算法将经纬度转换为高斯平面坐标 Q1(x1,y1),Q2(x2,y2)...Q(n-1)(x(n-1),y(n-1)),Qn(xn,yn)。如图3所示。
S3.根据收获机械高斯平面坐标数据和马铃薯在收获机械上的作物位移数据，得到收获机械的收获作业面积。
S3.1.根据收获机械的机械行驶速度和马铃薯在收获机械上的作物位移数据，获得收获机械的无收获前进距离。众所周知的，马铃薯在被收获出地面后，会在收获机械上移动传送一段时间后，才会进入收集筐，而此时收获机械一直在向前行进，因此就会出现机械实际行驶区域与马铃薯收获作业区域出现偏差。如图4所示，假设收获机在工作时匀速行驶，传送链也将匀速转动，收获机行驶速度V，马铃薯在收获机械上经过两段传送过程，长度分别为d1、d2，传送速度分别为V1、V2，其中d2与水平面夹角为θ，收获机械行驶速度与两段传送过程的速度比例系数分别为j1、j2，从收获机械的挖掘铲到收集筐之间的长度设为d，
则有
d＝d1+d2cosθ (10)
忽略马铃薯在两段传送过程中的打滑情况，设马铃薯经过两段传送过程所用时间T，收获机械此时的行进距离为x’，则有
x′＝j1d1+j2d2 (12)
S3.2.计算收获作业面积。
如图3所示，若收获机械从Q(n-1)到Qn时前进x，则收集筐中收集到的马铃薯是收获机械作业(x-x’)的长度。
假设收获机械工作时行进两点之间收获重量为Wn-1(n>2),作业宽幅固定为F，结合两点计算公式可得作业Q(n-1)到Qn长度时面积Sn-1：
S4.根据马铃薯总重量和收获作业面积，得到单位面积产量。
由公式(13)及收获重量，可得收获机械工作时的实时产量N
至此，完成本实施例一的马铃薯精细化测产过程。使用本实施例一的方法，在青岛市胶州区马铃薯智能生产装备国家重点项目示范基地进行测试，得到以下实验数据与其人工测量的比较差值。
设收获机前进距离为x，收集框所收获马铃薯对应前进距离y，收集框中收集到马铃薯重量m，如表1所示，
表1
通过实验测试，本发明测得收获机收获距离与人工测量误差在 10cm内，其收获重量误差在0.3kg内，其亩产测量误差小于0.1％。
实施例二
图5为本实施例二的薯类作物精细化测产系统，包括称重模块、机械行驶计量模块、收获面积修正模块和产量计量模块，其中，称重模块与产量计量模块连接，机械行驶计量模块、收获面积修正模块和产量计量模块顺次连接，所有设备均安装在马铃薯收获机械上。
其中，称重模块用于统计单位时间内收获的马铃薯的总重量；机械行驶计量模块用于得到高斯坐标系下的收获机械的行驶数据；收获面积修正模块用于根据行驶数据、马铃薯在收获机械上的作物位移数据和收获机械的作业幅宽，得到收获作业面积；产量计量模块用于根据马铃薯的总重量和收获作业面积得到马铃薯的单位产量。
在本实施例二中，称重模块包括称重传感器和滤波计量单元。其中，称重传感器用于采集马铃薯的采集重量；滤波计量单元用于根据采集重量，得到马铃薯总重量。
在本实施例二中，采用两块称重传感器，分别采集到通道一和通道二两组数据，数据采集频率10次/秒，以便于连续测产和实时测产。
进一步的，滤波计量单元包括加权滤波模块、判断滤波模块和累加模块；其中，加权滤波模块用于对采集重量进行加权滤波计算，得到加权重量数据；判断滤波模块用于对加权重量数据进行判断滤波计算，得到实时重量数据；累加模块用于根据实时重量数据，得到马铃薯的总重量。
在本实施例二中，机械行驶计量模块包括高斯坐标模块和定位数据模块；其中，高斯坐标模块用于生成高斯平面坐标函数；定位数据模块用于根据高斯平面坐标函数，将收获机械的大地定位坐标数据转换成收获机械高斯平面坐标数据。在本实施例二中，使用GPS设备确定收获机械的大地坐标，通过坐标转换得到高斯平面坐标数据。
在本实施例二中，收获面积修正模块包括收获距离修正模块和作业面积计量模块；其中，收获距离修正模块用于根据行驶数据和马铃薯在收获机械上的作物位移数据，获得收获机械的无收获前进距离，无收获前进距离为马铃薯在收获机械上产生位移动作时收获机械的前进距离；实时作业面积计量模块用于根据行驶数据、无收获前进距离和收获机械的作业幅宽，得到收获作业面积。
如图4所示，众所周知的，马铃薯在被收获出地面后，会在收获机械上移动传送一段时间后，才会进入收集筐，而此时收获机械一直在向前行进，因此就会出现机械实际行驶区域与马铃薯收获作业区域出现偏差，通过收获距离修正模块修正该偏差，从而获得更加准确的收获作业面积。
最后，由产量计量模块得到马铃薯的产量，及实时计算出单位面积内的产量，实现精细化测产。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
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