外文翻譯---一個能反映甘蔗產(chǎn)量的裝載機(jī)稱重系統(tǒng)

1、<p>　　南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　學(xué)院 (系)： 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械工程及其自動化 </p><p>　　姓 名： 張文滔

2、 </p><p>　　學(xué) 號： 0801010444 </p><p>　　外文出處：Precision Agriculture, 2000, Volume 2 </p><p>　　Number 3, Pages 293-309 </p><p>　　附

3、 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　一個能反映甘蔗產(chǎn)量的裝載機(jī)稱重系統(tǒng)</p><p>　　摘要： 盡管食糖和酒精作物的生產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)上有著很高的重要性,但還沒有用于商業(yè)的顯示甘蔗產(chǎn)量的顯示器。在一些地區(qū)，甘蔗不是用機(jī)械收割的，考慮到收獲和負(fù)載方法的使用，開發(fā)了用于產(chǎn)量顯示的特殊顯示器。在手

4、工收割作物時，裝載機(jī)是必不可少的。如果監(jiān)測到加載到裝載機(jī)上的作物的重量，我們可以得到產(chǎn)量圖。本文簡述了一個基于裝載機(jī)的重量測量系統(tǒng)的發(fā)展。它是基于一個機(jī)械裝置的，其中也包含了一個適應(yīng)于機(jī)器的稱重傳感器。由于它是進(jìn)行動態(tài)測量的，所以動態(tài)對測量值的影響必須得到糾正。因此，開發(fā)了一個數(shù)學(xué)模型，來評估每個參數(shù)對動態(tài)負(fù)載和測量的重量的影響。為了收集數(shù)據(jù)，來評估模型，我們組裝了一個實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)，并現(xiàn)場進(jìn)行了測試。分析的結(jié)果表明，在已經(jīng)考慮到的限制因

5、素內(nèi)，該模型能夠描述機(jī)器的行為。如果能夠選擇比較充分的采樣周期的話，每個負(fù)載只有平均2％或更少的錯誤。在該系統(tǒng)中，在一個周期內(nèi)，其使用的角度傳感器的頻率響應(yīng)和子系統(tǒng)低采樣率限制了其降低最小誤差的能力。這兩點(diǎn)將在專用硬件的發(fā)展上得到解決--允許實(shí)時過濾和處理技術(shù)的使用，來獲得能夠維持較低錯誤的測量技術(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵字：儀器儀表，甘蔗，建模，測產(chǎn)，裝載機(jī)。</p><p><

6、;b>　　1、簡介</b></p><p>　　在巴西，甘蔗是第三個最重要的農(nóng)作物，并占總種植面積的11%，4.9 Mha。甘蔗的產(chǎn)量為300公噸，可以生產(chǎn)糖14.8的公噸，生產(chǎn)乙醇14.9的Mm3。乙醇可以作為一個汽車燃料，可以與汽油混合（22%的無水酒精）或者純使用（水合酒精）（費(fèi)爾南德斯,1998）。甘蔗可以使用手工(整個根莖甘蔗切割)或機(jī)械切割收割(砍甘蔗)。</p>&l

7、t;p>　　整個根莖切割的甘蔗是手工切割，再用常用的抓握裝載機(jī)運(yùn)到到卡車，然后運(yùn)送到糖廠。根據(jù)Copersucar預(yù)算，幾乎90%的甘蔗收用整個根莖切割的方法。因此，每年270公噸的甘蔗都使用常規(guī)的抓握裝載機(jī)裝取。</p><p>　　最近，由于在附近的重點(diǎn)地區(qū)以及產(chǎn)量可能涉及到的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，應(yīng)用的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念和做法和甘蔗生產(chǎn)一直是我們關(guān)心的問題。農(nóng)作物生長地區(qū)的大小和所在地區(qū)的地形，常常也會導(dǎo)致土壤

8、變異，所以在產(chǎn)量方面也會變化。據(jù)了解，一些糖廠已經(jīng)開始進(jìn)行精耕實(shí)驗(yàn)。土壤采樣是石灰再利用的第一步。然而，完整的精確農(nóng)業(yè)周期的應(yīng)用已經(jīng)推遲，這是因?yàn)樽畛醯囊粋€主要問題是缺乏足夠的甘蔗產(chǎn)量監(jiān)測。但是有參考研究表明用機(jī)械方式收割甘蔗時，產(chǎn)量顯示器無法在商業(yè)上使用。</p><p>　　考克斯（1997）的報告中指出產(chǎn)量傳感器的發(fā)展是基于斬波器收割機(jī)和液壓升降機(jī)的?？伎怂梗?997）報告中的案件研究對以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)為原則的甘

9、蔗的生產(chǎn)潛力進(jìn)行了評估。它的發(fā)展的重點(diǎn)放在了研究的一部分上--合適的測量產(chǎn)量的傳感器。有四個不同的技術(shù)，其中包括了直接質(zhì)量測量和體積測量，也嘗試了它涉及到的電力間接技術(shù)。我們選擇了直接質(zhì)量測量，在一個市場單位率先實(shí)施，預(yù)期在1999年可商用。作者提出的傳感器顯示出的數(shù)據(jù)、讀數(shù)和每日甘蔗的總產(chǎn)量有著良好的相關(guān)性，但沒有信息表明這個單一讀數(shù)的準(zhǔn)確性。由此產(chǎn)生的收益圖也發(fā)生了顯著的變化，從70t每公頃到120t每公頃不等。</p>

10、<p>　　為了評估產(chǎn)量的變化，皮爾歐西和內(nèi)韋斯（2000）利用一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來描述甘蔗的產(chǎn)量。它由一個箱子組成，四種負(fù)載傳感器都被安裝在一個卡車上。用來記錄負(fù)載傳感器傳來的信號的數(shù)據(jù)記錄器是裝在拖拉機(jī)的機(jī)艙內(nèi)。一個差分的GPS系統(tǒng)也是安裝在收割機(jī)內(nèi)的，它的位置數(shù)據(jù)被發(fā)送到在機(jī)艙內(nèi)的第二個數(shù)據(jù)記錄器。倆個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在1HZ的頻率下被接受，并存儲在PCMCIA記憶卡中，然后轉(zhuǎn)移到一臺PC計算機(jī)中進(jìn)行處理。系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)是從1.

11、8公頃和1.4公頃，產(chǎn)量從20t到140t倆個產(chǎn)量不同的小油田收集的。根據(jù)作者提出的高變異性，揭示了甘蔗在小面積中每秒采樣（大約3 M2）的產(chǎn)量不均。較低的值可能由于甘蔗的年齡造成(這分別是第三和第四這些領(lǐng)域)的，而高值可能由于在卡車上的收割機(jī)的升降機(jī)的頻率和數(shù)據(jù)重疊的影響造成的。</p><p>　　雖然收獲機(jī)械化在增加，但由于環(huán)保法規(guī)，受地形的限制，甘蔗種植以及收割將大部分保持手工切割。種子甘蔗重新種植繼續(xù)以

12、手動切斷的方式種植。在這兩種情況下，由于沒有機(jī)械收割機(jī)參與，整個甘蔗產(chǎn)量測繪系統(tǒng)可以安裝在裝載機(jī)上。由于該機(jī)拿起甘蔗是沿地面到裝載的卡車上的，所以這樣的系統(tǒng)可以測量甘蔗的重量，并可以用定位系統(tǒng)測定它的位置（例如一個GPS接收器）。由于稱重過程中不應(yīng)干涉操作的時間，所以這種測量必須動態(tài)載入。</p><p>　　甘蔗的一個重要的問題就是交通。一個食糖和酒精比較顯著的生產(chǎn)成本就是他們是從收割地運(yùn)到糖廠的。為了減少這種

13、成本和所造成的土壤板結(jié)的破害，要在優(yōu)化運(yùn)輸過程中，在法律規(guī)范上所限制的最大重量內(nèi)，合理使用一輛卡車的負(fù)載能力?？梢栽谘b載機(jī)執(zhí)行加載操作期間，甘蔗束動態(tài)稱重時合理使用。</p><p>　　因此，可以看出，裝載機(jī)的甘蔗束的動態(tài)稱重是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和合理運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵。甘蔗產(chǎn)量顯示器的發(fā)展是由莎拉等人建議的（1999）.作為一個力顯示器，該系統(tǒng)除了顯示對當(dāng)前卡車的總負(fù)荷外，還應(yīng)顯示正在收割的甘蔗的產(chǎn)量。作為產(chǎn)量測繪系統(tǒng)，它應(yīng)該

14、從GPS接收機(jī)記錄重量數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)。本文介紹了甘蔗裝載機(jī)動態(tài)稱重系統(tǒng)的發(fā)展，這是一個產(chǎn)量監(jiān)測的基礎(chǔ)和測繪系統(tǒng)。</p><p>　　2、一個在裝載機(jī)上得甘蔗稱重系統(tǒng)</p><p>　　在其正常運(yùn)行期間，裝載機(jī)會受到震動和沖擊，因此，在加載操作中，稱重系統(tǒng)的當(dāng)前的動態(tài)效果必須可靠和穩(wěn)定。此外，甘蔗負(fù)荷是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，運(yùn)動從是地面到卡車上的，力是作用在一個傳感設(shè)備上的，如稱重傳感器，

15、將不同于在靜態(tài)條件下的在地面上的力。因此，系統(tǒng)必須彌補(bǔ)這些變化，實(shí)時糾正，保證當(dāng)前的穩(wěn)定和準(zhǔn)確的的讀數(shù)。這個系統(tǒng)沒有一個準(zhǔn)確的必要的精度定義，但約2％的人建議了一個很好的精度定義。所以決定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來找出在合理的成本下能夠獲得什么樣的精度水平。</p><p>　　系統(tǒng)的開發(fā)涉及到三個不同的階段：適用于裝載機(jī)臂的機(jī)械系統(tǒng)；裝載過程中代表裝載機(jī)和甘蔗運(yùn)動的一個數(shù)學(xué)模型；電子系統(tǒng)和傳感器數(shù)據(jù)采集。我們進(jìn)行了現(xiàn)場測試，

16、來驗(yàn)證和優(yōu)化模型，來評估系統(tǒng)的性能。</p><p><b>　　3、機(jī)械系統(tǒng)</b></p><p>　　裝載機(jī)的力學(xué)模型，如圖2所示，主要機(jī)械系統(tǒng)，位于裝載機(jī)的手臂下肢，組成一個L形束，并壓著負(fù)荷部件。稱重傳感器位于梁和軸的之間，梁和軸用來支撐抓取甘蔗。在梁的中心，有一個簡單的軸鉸接部分。用來在甘蔗抓取時負(fù)載所產(chǎn)生的力量，減少分散作用的影響。圖3的示意圖顯示的是抓

17、斗和機(jī)械系統(tǒng)的位置，它連接著裝載機(jī)。</p><p><b>　　4、數(shù)學(xué)模型</b></p><p>　　稱重傳感器的機(jī)械系統(tǒng)允許測量甘蔗重量，但是在加載操作時的動態(tài)條件下，測量值要得到糾正。要進(jìn)行修正測量值，有必要建立一個裝載機(jī)與負(fù)載的動態(tài)行為模型。甘蔗裝載機(jī)零件的裝配仿照了裝載臂，機(jī)械手和甘蔗束。假設(shè)裝載機(jī)的身體是固定在裝貨的卡車上的。</p>&

18、lt;p>　　完整的模型，考慮的重量，力和扭矩，如圖4所示。 MI，RI和LI為質(zhì)量，鏈接之間的距離和質(zhì)量中心和鏈路長度，分別RI,LI.還顯示了所使用的參考坐標(biāo)系。由于梁“L”是在固定的位置，在裝載機(jī)的手臂上，其運(yùn)動可以用手臂和水平之間的角度ɑ來描述，如圖5所示。稱重傳感器的反應(yīng)面是在梁"L"上的A點(diǎn)。RX1和RY1代表反應(yīng)臂軸，支持著梁“L”。和分別表示的是手臂的角速度和角加速度。</p>&

19、lt;p>　　圖6顯示了爪的細(xì)節(jié)，坐標(biāo)系統(tǒng)和有關(guān)部件。MG代表的抓到甘蔗的總質(zhì)量。和分別為爪的角速度和角加速度.</p><p>　　該系統(tǒng)的動態(tài)，或數(shù)學(xué)模型，是基于拉格朗日歐拉制定的，它定義了一個拉格朗日函數(shù)系統(tǒng)的能量，推導(dǎo)出位置，速度和力量之間的關(guān)系（施泰德，1995）。</p><p><b>　　（1）</b></p><p>&

20、lt;b>　　其中：</b></p><p>　　L=拉格朗日函數(shù)=動能K-勢能P</p><p>　　K=裝載機(jī)系統(tǒng)的總動能</p><p>　　P=裝載機(jī)系統(tǒng)的總勢能</p><p>　　qi裝載機(jī)的廣義坐標(biāo)</p><p>　　=第一次衍生的廣義坐標(biāo)</p><p>　　

21、Ti=廣義力（或轉(zhuǎn)矩），應(yīng)用于系統(tǒng)的關(guān)節(jié)數(shù)i</p><p>　　i=1,2,3........n=關(guān)節(jié)數(shù)</p><p>　　應(yīng)用拉格朗日制定的機(jī)械系統(tǒng)，如圖4所示，產(chǎn)生以下的一般動力學(xué)方程：</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　J=慣性矩陣</b></p

22、><p>　　H=矩陣，包括粘性摩擦，科氏力和離心力</p><p><b>　　G=重力加速度</b></p><p><b>　　T=轉(zhuǎn)矩矢量</b></p><p>　　=機(jī)床坐標(biāo)系中使用的裝載機(jī)系統(tǒng)</p><p>　　公式2中和圖4中，在稱重傳感器的力在“L”軸的坐標(biāo)，

23、即.因此，方程2,轉(zhuǎn)化為如下，其中獲得的總質(zhì)量的力傳送到稱重傳感器和系統(tǒng)的運(yùn)動.</p><p>　　其中： 為第二階和第一階導(dǎo)數(shù)。</p><p>　　分別為慣性矩，長度，質(zhì)量和距離鏈接的質(zhì)量中心，是重力加速度。</p><p>　　先前討論的第一個簡化的模型，可實(shí)現(xiàn)第一，第二個環(huán)節(jié)和可以作為一個單一的環(huán)節(jié)的系統(tǒng)移動，如圖5所示，。因此在等式（3）中。消除所

24、有同等式。就將得到以下公式。</p><p>　　為了評估在這一階段提出的模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來收集裝載機(jī)的實(shí)際運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)。把數(shù)據(jù)帶入方程（4），獲得的力的變化和實(shí)際稱重傳感器測量的力進(jìn)行相比。</p><p><b>　　5、變量和模型分析</b></p><p>　　對系統(tǒng)作了進(jìn)一步的理論的分析，以確定力點(diǎn)可能會被簡化，而不會影響準(zhǔn)確性。

25、它減少了一些變量的記錄，需要的傳感器和簡化了原型。歸納為以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）.不考慮機(jī)械元件之間的摩擦。這是由于隨著時間的推移，在評估實(shí)際的摩擦和在一臺機(jī)器到一臺機(jī)器或者在一臺機(jī)器中的值是很困難的。</p><p>　?。?）.裝載機(jī)是在水平面上工作的。但是這并不一定可能實(shí)現(xiàn)，在重量和可以忽略不計的第一種方法下，它實(shí)際上是和工作的地面有著10％的小傾角，代表了小誤差為0.

26、5％。</p><p>　　（3）.裝載機(jī)的兩只機(jī)械臂被認(rèn)為是一個固定長度。一個傳感器是用來測量手臂相對于水平位置的角度的絕對值，所以，沒有必要來衡量相對角度之間的聯(lián)系，來觀察裝載機(jī)運(yùn)動。</p><p>　?。?）.甘蔗和爪組成一個系統(tǒng)，重心在半爪長度。</p><p>　　其中：FC是在稱重傳感器的力。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)裝置和測試

27、系統(tǒng)的參數(shù)，裝載機(jī)與建模評估進(jìn)行測試的參數(shù)在表1所示。</p><p><b>　　6、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</b></p><p>　　在商業(yè)子系統(tǒng)一體化的基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了一個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖表7）.它是用來記錄稱重傳感器上的力和手臂形成的角度和爪垂直軸之間的測量，并記錄在筆記本電腦上。使用稱重傳感器是商業(yè)電子秤的一部分。這種設(shè)備采樣弱小的負(fù)載信號，通過一個串行接口(

28、RS232)，在一個固定的利率（6HZ）下，AD轉(zhuǎn)換后，再傳輸原始數(shù)字、數(shù)據(jù)到電腦上。</p><p>　　用來測量角度的傳感器是傾角儀，所測傾斜角度分辨率為0.01。其運(yùn)作原理是基于一個部分填充液體的玻璃球內(nèi)，兩對電極、電導(dǎo)測量。他們是用數(shù)據(jù)記錄儀在頻率50赫茲下進(jìn)行抽樣的，通過另一個串行接口（RS232）傳輸?shù)焦P記本電腦上。</p><p>　　為了保證數(shù)據(jù)的同步，PC用數(shù)據(jù)記錄器啟動

29、收集角的數(shù)據(jù)，并開始從秤上收集數(shù)據(jù)。為了避免不必要的數(shù)據(jù)收集，采樣間隔是在手臂的正負(fù)60度左右的范圍內(nèi)有限的上升。這時操作者開始加載、記錄，每次記錄數(shù)據(jù)可達(dá)到8秒。</p><p>　　為了評估模型的精確度，進(jìn)行了幾個系列實(shí)地測試。在受控條件下，他們在1997年和1998年收獲季節(jié)進(jìn)行測試。甘蔗被捆成小束狀，在電子秤上稱重。捆綁，然后放在地上，操作者可以用爪把它們拿起來。</p><p>

30、　　甘蔗的重量（587和880公斤）和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（700和2000 rpm）是在不同的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的。機(jī)器在測試過程中，兩名操作者輪流操作。在執(zhí)行的動態(tài)測試中，靜態(tài)標(biāo)定曲線是在和ARM在水平位置獲得的。</p><p>　　經(jīng)過分析，了解到在真正的現(xiàn)場操作條件下的測試是有必要的。然而，在惡劣的環(huán)境下，筆記本電腦將不適合作為一個數(shù)據(jù)記錄器，因此被坎貝爾科學(xué)CR10數(shù)據(jù)記錄器所代替。這也讓操作者能夠在沒有團(tuán)隊(duì)的

31、干擾下自由操作這種機(jī)器。雖然根據(jù)CR10要求，其軟件要重新編寫，但實(shí)驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu)是沒有改變的。測試在1999年季度開始進(jìn)行。然而，田間試驗(yàn)之前，在靜態(tài)和動態(tài)條件下，和在一系列所知的250,305,645,930Kg下，系統(tǒng)再次被檢查校準(zhǔn)。</p><p>　　在該測試中，與其他許多甘蔗系列的測試有所不同，都是事先不知道。對于這樣的測試，在通過動態(tài)測試之前，要求操作者將甘蔗束在靜態(tài)狀態(tài)下放在水平位置處，并用力的

32、測量值來校準(zhǔn)曲線產(chǎn)生所需的值。</p><p><b>　　結(jié)果與討論</b></p><p>　　從測試數(shù)據(jù)看，隨著時間的推移，可以獲得稱重傳感器上的力的變化（6HZ采樣）。已知甘蔗的重量下，隨著時間的推移，用在數(shù)學(xué)模型中角傳感器數(shù)據(jù)，會在稱重傳感器中產(chǎn)生模擬力曲線。由于輸入數(shù)據(jù)的采樣率的不同，重量值會被線性插值，以便更好的進(jìn)行建模與實(shí)測值之間的比較。兩條曲線之間的

33、比較表明，用于稱重傳感器的力的行為，可以用這種模型很好地描述，如圖8所示。</p><p>　　為了解釋這個行為，在相同的測試＃22中，從手臂的角度得到數(shù)據(jù)，如圖9所示。由此可以看出，在上升的手臂的過程中，達(dá)到水平位置左右的的時候，根據(jù)獲得的角度數(shù)據(jù)，可以用這個模型合理的預(yù)測稱重傳感器上的力，。在數(shù)據(jù)采集開始的時候，當(dāng)手臂平放是或剛剛開始移動時，它的值會偏移很多。</p><p>　　在圖

34、10中，觀察糾正后的值和稱重值之間的誤差，可以看出，雖然它在一個稍大的范圍內(nèi)是不同的，但其平均值在4.5S中下降了2％。這一時期對應(yīng)了手臂的上升和的水平位置，基于這個模型，對于電子系統(tǒng)進(jìn)行必要的計算，并顯示正確的甘蔗重量值時間是足夠的。</p><p>　　然而，具體的操作特性影響了數(shù)據(jù)和錯誤。雖然在許多測試中，手臂的上升是相當(dāng)順利（圖11），但是其線行幾乎是線性的，在其他許多人都認(rèn)為，在角突然發(fā)生變化情況下，會

35、導(dǎo)致最終的錯誤（圖12）。這個問題涉及到了操作者控制的機(jī)器，有時會發(fā)生在手臂上升，或者發(fā)生在機(jī)械爪達(dá)到頂部開始向卡車卸載的時候。它對數(shù)據(jù)造成的干擾數(shù)量，以及它發(fā)生的時刻，主要取決于操作者。</p><p>　　為了評估這種行為對模型預(yù)測的影響，對修正值的誤差的變化，我們對測量值和甘蔗的實(shí)際重量之間的差額進(jìn)行了評估。在圖13中，測試的結(jié)果表明即時錯誤是在4％和-1.8％之間變化的，但平均誤差在2％的范圍內(nèi)下降。這可

36、能是在裝載機(jī)臂沒有干擾獲得的情況下，在上升時獲得。另一方面，圖14顯示了當(dāng)有一種干擾錯誤變化增加時（在這種情況下，在7％和-9.6％之間），平均誤差接近至2％。</p><p>　　對這個問題的分析表明，雖然這實(shí)質(zhì)上是一種高頻率的數(shù)據(jù)變化模型，但是錯誤的根源主要在于傳感器，而且數(shù)據(jù)采集器的采樣率也是有限的。</p><p>　　隨著數(shù)據(jù)的收集，角傳感器的靈敏度在運(yùn)動和其固有頻率10 Hz的

37、突然變化下受到干擾。在實(shí)地測試后，裝載機(jī)的運(yùn)動過程中發(fā)生的震動和顛簸具有明顯的較高的頻率分量。這部分是由設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正確引起的，影響著數(shù)據(jù)的質(zhì)量和該模型的輸出。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)裝置中使用的子系統(tǒng)的低采樣率也是一個限制因素，他們可以制約可應(yīng)用于數(shù)據(jù)的加工。試驗(yàn)表明，采集到的信號的光譜有著相同順序的采樣率。如果數(shù)據(jù)在較高的速度下獲得，可以應(yīng)用的不同的過濾技術(shù)去試圖解決所遇到的問題。</p>&

38、lt;p>　　另一個錯誤的原因是，當(dāng)操作者開始用手臂做一個右轉(zhuǎn)時，該模型并不適用，因?yàn)樗豢紤]到機(jī)器的縱向平面的變動。由于橫向運(yùn)動通常發(fā)生在手臂到達(dá)頂部的位置，所以有足夠的時間來收集處理模型所需的足夠的數(shù)據(jù)。然而，如果操作者開始轉(zhuǎn)動手臂，同時還使其上升時，這將引入除了傳感器干擾之外，還有模型中不包含的部件干擾。</p><p>　　在試圖進(jìn)一步分析這個問題，每個測試數(shù)據(jù)被分為多個間隔，使用的是仰角區(qū)間，而不

39、是時間間隔。對于每一個時間間隔，計算平均誤差，用來比較真實(shí)的值（每個測試）和應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型得到的值。表2顯示了15個典型測試的平均誤差。</p><p>　　結(jié)果表明，在每個測試中，有一個間隔，平均誤差落在目標(biāo)之間的+2％。由于不需要重量的瞬時值，一個平均值是足夠的，可進(jìn)行實(shí)時計算，這可能是會采取的方法。但是，沒有一個單一的適合所有測試的時間間隔。例如，測試"din07"的最好的間隔以，能夠正

40、確的權(quán)衡，是從+，這就造成了-1.23％的平均誤差。測試“din250e”在相同的時間間隔的平均誤差是+4.64％，但如果選擇的間隔是從，平均誤差下降到0.7％。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　我們進(jìn)行了這項(xiàng)研究來評估糾正裝載機(jī)甘蔗重量的動態(tài)測量。得出了一個甘蔗裝載機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)的理論模型，它考慮的是機(jī)器的縱向平面上的動作。為了評估這個模

41、型，進(jìn)行了現(xiàn)場測試，在機(jī)器行為的中獲得了數(shù)據(jù)。集成的可用子系統(tǒng)提供手臂和爪的稱重傳感器和角位置的力的數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　在操作者開始轉(zhuǎn)向裝載機(jī)的手臂向右到達(dá)卡車卸載之前，在重點(diǎn)分析期間，實(shí)驗(yàn)所使用的系統(tǒng)的限制中，在基本上是縱向運(yùn)動時，得到的平均誤差是2％。在這一時期結(jié)束后，從傳感器和橫向組件傳來的干擾，不包括模型中的干擾，會影響數(shù)據(jù)，并增加錯誤。在實(shí)地測試中發(fā)現(xiàn)的角度變化的高頻分量超出了預(yù)期，并影響了

42、傳感器的響應(yīng)。子系統(tǒng)的低采樣率限制了收集和有限的可能應(yīng)用的過濾和處理的數(shù)據(jù)量。</p><p>　　總體而言，該模型提出了一個很好的近似值，并這個概念也表明了甘蔗單產(chǎn)測繪和其優(yōu)化運(yùn)輸?shù)臐摿??；谥R的獲取，進(jìn)一步的工作將著眼于發(fā)展商業(yè)稱重系統(tǒng)。這將會有一個更高的采樣率，更強(qiáng)大的處理能力的，GPS接收機(jī)的接口，可以生成產(chǎn)量圖，并會納入數(shù)學(xué)模型。其他類型的傳感器，如加速度計和陀螺儀，將會取代傾角儀。</p>

43、;<p><b>　　注釋</b></p><p>　　1.甘蔗種植者合作社,巴西圣保羅州的食糖和酒精生產(chǎn)商。</p><p>　　2.JStar電子秤指標(biāo)，模型JStar EZ210;精度為0.5％。</p><p>　　3.應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)，模型900-45，雙軸傾角傳感器。</p><p>　　4.發(fā)端電

44、腦公司,模型5FLCD小尺寸和低功耗的數(shù)據(jù)記錄器和具有12位AD轉(zhuǎn)換器，8個模擬通道，10個數(shù)字IO線，480字節(jié)RAM，32字節(jié)EEPROM和一個RS - 232串行端口的控制器。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　這項(xiàng)研究是由科貝蘇卡爾技術(shù)中心贊助，是科貝蘇卡爾技術(shù)中心、農(nóng)業(yè)自動化實(shí)驗(yàn)室、圣保羅大學(xué)、巴西的一個合作項(xiàng)目。裝載機(jī)動態(tài)稱重系

45、統(tǒng)被科貝蘇卡爾技術(shù)中心授予專利權(quán)。作者還希望承認(rèn)畢業(yè)于理工學(xué)校，做模型工作的本科學(xué)生杰森.桑塔納先生。</p><p><b>　　11、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　G.考克斯，H.哈里斯，R.帕克斯,見：原型產(chǎn)量測繪系統(tǒng)的開發(fā)和測試.澳大利亞甘蔗技師協(xié)會(布里斯班，澳大利亞,1997)第38-43頁.</p><p>　　G.考克斯

46、，H.哈里斯和D考克斯,見：甘蔗在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用.第四屆精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)國際會議論文集，由P.C.羅伯特，R.H.如斯，和W.E拉爾森編輯.(ASA/CSSA/SSSA,圣保羅，美國，1998)第753-765頁.</p><p>　　A.C.費(fèi)爾南德斯,1970-1997年在巴西甘蔗農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)績效,科貝蘇卡爾技術(shù)中心，皮拉西卡巴，巴西(1998).</p><p>　　M.A. 皮爾斯和J.

47、L. M.內(nèi)韋斯,見：甘蔗產(chǎn)量測繪（見：巴西農(nóng)業(yè)國家的精密藝術(shù)），由L.A.貝雷斯垂編輯（皮拉西卡巴，巴西，2000）第124-128頁.</p><p>　　A.M. 薩拉瓦等,見：甘蔗產(chǎn)量測繪：裝載機(jī)裝載機(jī)動態(tài)稱重.第二屆歐洲精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)會議（精確農(nóng)業(yè)'99），由J.V.塔福德編輯（英國，謝菲爾德大學(xué)出版社，1999）第343-352頁.</p><p>　　W.施泰德，分析機(jī)器人

48、與機(jī)電一體化，麥格勞 - 希爾，紐約（1995年）.</p><p><b>　　附件2：外文原文</b></p><p>　　Precision Agriculture, 2, 293 309, 2000</p><p>　　2001 Kluwer Academic Publishers. Manufactured in The Ne

49、therlands.</p><p>　　A Weighing System for Grab Loaders for Sugar</p><p>　　Cane Yield Mapping</p><p>　　A. M. SARAIVA, A. R. HIRAKAWA, C. E. CUGNASCA amsaraiv@usp.br</p>

50、<p>　　Uni ersidade de Sa?o Paulo, Escola Polit´ecnica, Agricultural Automation Laboratory, Caixa Postal 61548, Sa?o Paulo, SP, 05424-970, Brazil</p><p>　　M. A. PIEROSSI AND S. J. HASSUANI

51、</p><p>　　Centro de Tecnologia Copersucar, Caixa Postal 162, Piracicaba, SP, 13400-970, Brazil</p><p>　　Abstract. There are no commercial yield monitors for sugar cane despite the economic impo

52、rtance of the crop for sugar and alcohol production. As sugar cane is not mechanically harvested in some regions, special yield monitors need to be developed considering the harvest and load methods used. Grab loaders ar

53、e essential when the crop is manually harvested. If the weight of the crop being loaded is monitored, yield maps can be produced. This paper presents the development of a weight measurement </p><p>　　Keyword

54、s: instrumentation, sugar cane, modelling,yield monitor, grab loader</p><p>　　Introduction</p><p>　　Sugar cane is the third most important crop in Brazil, and represents 11% of total planted are

55、a, or 4.9 Mha.Sugar cane production is 300 Mt, for a sugar production of 14.8 Mt and an ethanol production of 14.9 Mm3.This ethanol is used as a car fuel, both mixed with gasoline(22% of anhydrous alcohol)and pure (hydra

56、ted Alcohol). (Fernandes, 1998.). Sugar cane can be harvested using manual (wholestalk sugar cane). or mechanical cutting (chopped sugar cane).</p><p>　　The wholestalk cane is cut by hand, windrowed and load

57、ed by conventional grab loaders (Figure 1). into trucks, and then transported to the sugar mill. Almost 90% of all sugar cane harvested is wholestalk, according to Copersucar1 estimates. Therefore, each year 270 Mt are l

58、oaded using conventional grab loaders.</p><p>　　The application of concepts and practices of precision agriculture to sugar cane production has been a matter of interest lately, due to the possible economic

59、and </p><p>　　environmental benefits that may result, emphasised by the large area and production involved. The size of the fields and the topography of the regions where the crop is grown usually result in

60、soil variability and consequently in yield variability. It is known that some sugar mills have already started doing precision farming experiments. Soil sampling was the first step followed by variable rate lime applicat

61、ion.</p><p>　　However the application of the complete precision agriculture cycle has been delayed because a major initial problem is the absence of an adequate yield monitor for sugar cane. Although there a

62、re references to research on sugar cane yield monitors for mechanically harvested chopped cane they are not available commercially yet.</p><p>　　Cox et al. (1997). report the development of a yield sensor ba

63、sed on the hydraulic pressure at the harvester chopper and elevator. Cox et al. (1998). report a case study that was carried out to assess the potential of applying precision agriculture principles to sugar cane. Part of

64、 the research focused on the development of a suitable sensor for measuring yield. Four different techniques ranging from direct mass measurement and volume measurement, to indirect techniques involving power consumpti&l

65、t;/p><p>　　In order to assess yield variability, Pierossi and Neves (2000). used an experimental system to map the yield in chopped cane. It consisted of a bin mounted over four load cells installed on a truck.

66、 The load cells signals were read by a data logger located inside the tractor’s cabin. A GPS system with differential correction was installed at the harvester and the position data were sent to a second data logger insi

67、de the cabin. Data on both systems were acquired at 1Hz and stored on PCMCIA memo</p><p>　　Although harvesting mechanisation is increasing due to environmental regulations, a significant part of the area pla

68、nted with sugar cane will remain manually cut because of limitations caused by topography. Also seed cane for re-planting will continue to be manually cut. In both cases, since there is no mechanical harvester involved,

69、a yield mapping system for wholestalk cane could be installed on a grab loader. As the machine picks up cane along the field to load the trucks, such a system could</p><p>　　An important problem in sugar can

70、e is transport. A significant part of the production cost of sugar and alcohol is due to transport from the field to the sugar mill. To minimise this cost and the damage caused by soil compaction, it is necessary to opti

71、mise the transport process, making a rational use of the load capacity of a truck within the legal limits regulating the maximum weight on the roads. This rational use can be based on dynamic weighing of sugar cane bundl

72、es during the loading opera</p><p>　　Thus, it can be seen that dynamically weighing cane bundles on the grab loaders could be the key both for precision agriculture and for rational transport of wholestalk s

73、ugar cane. The development of a yield monitor for sugar cane was proposed by Saraiva et al. (1999). As a (conventional) yield monitor, the system should show the operator the amount of cane that is being held by the grab

74、, besides displaying the total load that has already been put on the current truck. As a yield mapping system,</p><p>　　A system for sugar cane weighing on grab loaders</p><p>　　Grab loaders are

75、 subject to vibrations and shocks during their normal operation, thus a weighing system must be robust and immune to the dynamic effects present during the loading operation. Additionally, the sugar cane load is subject

76、to complex dynamic behaviour during its movement from the ground to the truck, and the force it imposes on a sensing device, such as a load cell, will be different from the force under static conditions. Thus the system

77、must compensate for these variations, correc</p><p>　　Development of the system involved three distinct phases: a mechanical system adapted to the loader arm; a mathematical model that represents the movemen

78、t of the loader and the sugar cane during loading; and an electronic system and sensors for data acquisition. Field tests were performed to validate and refine the model and to assess the system performance.</p>&

79、lt;p>　　Mechanical system</p><p>　　The mechanical model of the loader is shown in Figure 2. The main mechanical system, located in the extremity of the loader’s arm, consisted of an L-shaped beam, and a co

80、mpression load cell. The load cell was located at one end of the beam and on the other end was an axle that supported the grab holding the sugar cane. In the centre of the beam, there was a simple supported axle that art

81、iculated the assembly. The articulation allowed the load cell to receive the force generated by the sugar cane</p><p>　　Mathematical model</p><p>　　The mechanical system with the load cell allow

82、ed the measurement of sugar cane weight, but due to the dynamic conditions of the loading operation, the measured value had to be corrected. To make the correction, it was necessary to model the dynamic behaviour of the

83、loader with its load.</p><p>　　The parts of the assembly loader-sugar cane to be modelled were the loader arm, the claw and the cane bundle. It was assumed that the body of the loader was stationary during t

84、he loading of the trucks.</p><p>　　The complete model considering the weight, force and torque is shown in Figure 4. mi , ri and li are the mass of the link, the distance between link reference and the mass

85、centre and the link length, respectively. The coordinate system used as reference is shown.</p><p>　　As the ‘‘L’’ beam was in a fixed position in the loader’s arm, the angle 1 between the arm and the horizo

86、ntal can also be used to describe the movement of the ‘‘L’’ as shown in Figure 5. Fc represents the reaction force of the load cell upon the point A of the ‘‘L’’. Rx2 and Ry2 are the reaction forces of the claw upon the

87、‘‘L’’. Rx1 and Ry1 represent the reaction of the axle that supports the ‘‘L’’ upon the arm. ˙1 and ¨1 represent the angular velocity and the angular acceleration of the arm, </p><p>　　Figure 6 shows det

88、ails of the claw, the coordinate system and the forces involved. MG represents the total mass of the claw plus cane; ˙3 and ¨3 are the angular velocity and angular acceleration of the claw, respectively. </p>

89、;<p>　　The dynamics of the system, or the mathematical model, is based on the Lagrange-Euler formulation, which defines a Lagrangian function considering the system energy to derive the relation between positions,

90、 velocities and forces.(Stadler, 199).</p><p><b>　　(1)</b></p><p><b>　　Where:</b></p><p>　　L=Lagrangian function = kinetic energy K-potential energy P</p&

91、gt;<p>　　K=total kinetic energy of the loader system</p><p>　　P=total potential energy of the loader system</p><p>　　Qi=generalized coordinates of the loader</p><p>　　Applyin

92、g the Lagrange formulation to the mechanical system shown in Figure 4, yields the following general dynamic equation:</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　J=inertia matrix</p><p&g

93、t;　　H= matrix that includes viscous friction, Coriolis and centrifugal terms</p><p>　　G= term that includes the gravity acceleration</p><p>　　T=torque vector</p><p>　　=machine coord

94、inates used in the loader system</p><p>　　The goal of this formulation is to obtain the force function in the load cell related to all kinematic variables. In equation (2). and Figure 4, the term that repres

95、ents the force in the load cell is the coordinate of the ‘‘L’’ axle, that is 2 . Thus, equation (2). is transformed as follows, where the force transmitted to the load cell is obtained from the total mass and the system

96、 kinematics.</p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　Where:</b></p><p>　　are the first and second order derivative of.</p><p>　　are the inertia moment,

97、the length, the mass and the distance of the mass center of the link, respectively.is the gravity acceleration.</p><p>　　A first simplification of the model can be realised by considering that the first and

98、second links of the system move as a single link as shown in Figure 5, and as previously discussed.That means. Thus, in equation 3,all 2 terms are eliminated, which yields the following equation.</p><p>　　To

99、 evaluate the proposed model at this stage, experiments were performed to collect the kinematic data of the actual movement of the grab loader. The data was entered into equation (4)., the force variation obtained and co

100、mpared to the actual load cell measurements.</p><p>　　Variables and model analysis</p><p>　　Further theoretical analysis of the system was made in order to identify points that might be simplifi

101、ed without affecting significantly the accuracy. It reduced the number of variables to log, the sensors required and simplified the prototype. The following points were considered:</p><p>　　The friction in t

102、he links among the mechanical elements was not taken into account. This was due to the difficulty in assessing the actual friction and its variation from one machine to the other or in one machine with time.</p>&

103、lt;p>　　The loader works in a horizontal plane. Although this is not necessarily true, the small inclination in which it actually works in the field (<10%)., represents a small error (<0.5%). in the weight and so