农用收割机如何选择精度优于0.5%的非接触式地面测速方案，克服车轮打滑难题，实现精准农业高效作业？【智能农机】【测速传感器】

1. 收割机的基本结构与技术要求

收割机作为重要的农业机械，其作业效率和质量与前进速度息息相关。想象一下，收割机在田地里移动，就像一艘船在水中航行。船速过快，可能会来不及捕捞所有鱼；船速过慢，又会浪费时间和燃料。对于收割机而言，如果前进速度过快，脱粒和清选系统可能无法有效处理作物，导致大量谷物损失；速度过慢则会降低作业效率，增加燃料消耗和人工成本。

为了优化收割作业，实现精准农业，收割机需要一个精确的“地面速度表”。这个速度表必须能够准确反映机器相对于地面的真实移动速度，而不是仅仅依赖于车轮的转速。这是因为，在复杂的农田环境下，车轮经常会打滑（尤其是在湿滑或松软的土壤中），就像汽车在泥泞路面空转一样。此外，轮胎的磨损、胎压变化，甚至在不同载荷下轮胎与地面接触面积的变化（即“轮胎下沉”），都会导致轮胎的有效周长发生改变。这些因素都会让基于车轮转速计算出的速度与真实地面速度产生偏差，有时这种偏差可能达到10%甚至更高，这对于需要厘米级甚至更精细作业的精准农业来说是不可接受的。因此，收割机需要一种能够完全独立于车轮状态，直接测量真实地面速度的技术，以确保作业质量、提高效率并支持智能化控制。

2. 针对收割机的相关技术标准简介

农业机械的检测标准旨在确保机器的性能、安全性和环保性。在收割机速度测量方面，相关标准主要关注以下几个监测参数的定义和评价方法：

• 真实地面速度（True Ground Speed）：这是指收割机相对于地面的实际移动速度。评价方法通常要求在不同土壤类型、坡度、作物密度和载荷条件下进行测试，并与高精度参考测量设备（如差分GPS或高精度雷达）进行比对，以评估其准确性。

• 作业速度（Working Speed）：这是指收割机在执行特定农艺作业（如收割、脱粒、清选）时所需的推荐速度范围。评价方法包括在典型作业条件下，通过测量谷物损失率、清洁度、破碎率等指标来确定最佳作业速度区间。

• 速度测量精度（Speed Measurement Accuracy）：指所用速度测量设备输出值与真实地面速度之间的偏差程度。评价方法会指定在一定速度范围内，测量结果与真值之间的最大允许误差（通常以百分比或绝对值表示），以确保测量数据的可靠性。

• 速度响应时间（Speed Response Time）：指速度测量设备从实际速度变化到输出信号更新所需的时间。对于需要闭环控制（如自动调整喂入量或割台高度）的应用，要求传感器能够快速响应，以保证控制系统的实时性和稳定性。评价方法通过快速加减速测试来衡量传感器输出更新的延迟。

这些参数的准确监测和评价，对于指导收割机设计、性能测试、田间管理和智能化升级都至关重要。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在市场上，为了精确测量移动机械的地面速度，发展出了多种基于不同物理原理的技术方案，它们各有特点，适用于不同的应用场景。

雷达多普勒测速技术

这种技术利用了电磁波的多普勒效应，原理与我们日常生活中听到的救护车警笛声变化非常相似：当警笛靠近我们时，音调变高；远离时，音调变低。雷达测速传感器也类似，它持续向地面发射特定频率的微波（电磁波），当地面反射这些微波并被传感器接收时，如果收割机正在移动，反射波的频率就会发生微小的变化。这种频率变化被称为“多普勒频移”。

传感器通过测量这个精确的频移，并结合雷达波的已知传播速度（光速）以及发射角度，就能计算出收割机相对于地面的真实速度。其核心公式可以简化表示为：

Fd = (2 * V * f0 * cosθ) / c

其中：* Fd 是多普勒频移，即反射波频率与发射波频率的差值。* V 是收割机的真实地面速度，这也是我们想要测量的目标。* f0 是雷达发射的微波信号的原始频率。* θ 是雷达波束与收割机运动方向之间的夹角。传感器通常会以一个固定的倾斜角度安装，以获取地面反射信号。* c 是光速，即电磁波在空气中的传播速度。

通过这个公式，传感器内部的处理器可以解算出精确的地面速度V。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常可覆盖0.5 km/h到200 km/h甚至更高。* 测量精度：在特定速度段内可达到0.1 km/h或0.5%的读数精度。* 信号更新率：20 Hz到100 Hz，确保实时性。* 工作温度：-40°C至+85°C。* 防护等级：可达IP67甚至更高，适应恶劣环境。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式测量：这是其最大的优势，因为它直接测量相对于地面的速度，完全不受车轮打滑、轮胎磨损、胎压变化或轮胎下沉等因素的影响。这意味着无论田地是湿滑、干燥、松软还是坚硬，它都能提供准确的真实地面速度。 * 环境适应性强：微波穿透能力强，不易受灰尘、泥土、轻度作物残渣、雨雾等影响，非常适合恶劣的农田环境。坚固的外壳设计也能有效抵抗振动和冲击。 * 高动态性能：响应速度快，能实现实时监测和闭环控制，对于需要精确调整作业参数的收割机非常有利。 * 安装相对灵活：可以方便地安装在收割机底盘上，面向地面。* 缺点： * 成本相对较高：相较于简单的车轮传感器，雷达多普勒传感器成本更高。 * 可能受地面障碍物影响：在极端崎岖或地面有大块障碍物的情况下，可能会产生瞬时干扰，但通常通过算法进行滤波处理。

全球导航卫星系统 (GNSS) 测速技术

这种技术利用全球卫星定位系统（如GPS、GLONASS、北斗、Galileo等）来确定收割机在地球上的精确位置。传感器（GNSS接收机）接收来自多颗卫星的信号，通过计算信号到达接收机的延时，来确定自身的三维坐标。当地面上的收割机移动时，接收机会持续更新其位置信息。通过在连续时间点上监测位置的变化，就可以精确地推导出收割机的移动速度和方向。其基本原理是：

速度 = 距离 / 时间 或 V = ΔP / Δt

其中，ΔP 是两个连续时间点 Δt 内的位置变化量。

为了达到更高的精度，特别是在精准农业中所需的厘米级精度，通常会结合实时动态 (RTK) 技术。RTK技术通过接收来自地面基站或网络提供的差分修正信号，校正卫星信号在传输过程中受到的误差，从而将定位精度提高到厘米级别，进而实现更精确的速度测量，尤其是在低速和加速/减速过程中。

核心性能参数典型范围：* 定位精度：RTK模式下可达厘米级（例如2.5厘米）。* 速度精度：RTK模式下可达0.02米/秒。* 更新率：最高可达20 Hz或更高。* 工作温度：-40°C至+75°C。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度：RTK技术能提供极高的定位和速度测量精度，对于需要精细作业（如路径规划、变量施肥、自动驾驶）的精准农业至关重要。 * 功能集成：不仅提供速度，还能提供位置信息，便于实现农机的路径规划、自动转向和农机具控制等集成解决方案。 * 不受地形变化影响：只要信号良好，可以在复杂地块保持稳定测量。* 缺点： * 信号遮挡：容易受到树木、建筑物、高压线塔等障碍物的遮挡，导致信号丢失或精度下降。在山区或林区作业时尤其明显。 * 初始化时间：RTK系统通常需要一定的初始化时间才能达到高精度。 * 成本较高：RTK基站或网络服务费用较高。 * 多径效应：在信号被反射后到达接收机，可能引起定位误差。

激光多普勒测速技术

激光多普勒测速技术原理与雷达多普勒类似，但它使用的是激光束而非微波。传感器向目标表面发射两束相干激光，这两束激光在被测物体表面交汇形成一个微小的干涉区域。当收割机移动时，被照射的地面上的微小颗粒会散射激光。由于运动，散射回来的激光会发生多普勒频移。传感器内部的高灵敏探测器会检测并分析这些散射光的频率变化，从而精确计算出目标表面的速度。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常为毫米/秒到米/秒级别，如±0.01至±6,000毫米/秒。* 测量精度：可达读数的±0.1%。* 测量距离：通常较短，如50 ±10毫米。* 采样周期：非常快，可达0.5毫秒。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和分辨率：能够检测非常微小的速度变化，适用于需要高精细度测量的场景。 * 非接触、无磨损：与被测物体无物理接触，不会磨损传感器或影响被测物体。 * 响应速度快：适用于需要实时、精确速度控制的应用。* 缺点： * 对环境敏感：激光束容易受到灰尘、泥土、水汽和作物残渣的严重影响，可能导致信号衰减或丢失。 * 测量距离短：通常只能在非常近的距离内进行测量，安装位置受限，可能难以满足收割机地面测速的需要。 * 对安装角度和表面特性要求高：需要精确对准目标表面，且地面反射特性会影响测量效果。

光电增量式编码器

光电增量式编码器是一种用于测量旋转轴角度和速度的接触式传感器。其工作原理是在编码器内部有一个旋转的光栅盘和一个固定的光栅。当与收割机车轮或驱动轴相连的轴旋转时，光栅盘也随之转动。光线通过这两个光栅的缝隙时会产生周期性的明暗变化，光电接收器将这些变化转换为一系列电脉冲信号。

通过计算单位时间内产生的脉冲数量，可以精确测量轴的旋转角度和速度。为了判断方向和提供更精细的定位，编码器通常会输出两路相位相差90度的信号（A/B相），以及一个零位参考信号（Z相）。

核心性能参数典型范围：* 分辨率：最高可达50000脉冲/转（PPR）。* 最高转速：可达6000转/分钟。* 防护等级：最高IP67。* 工作温度：-30°C至+100°C。

技术方案的优缺点：* 优点： * 结构坚固，可靠性高：通常采用重载设计，适用于恶劣的工业和移动机械环境。 * 高分辨率和精确度：能满足对旋转速度和位置的精细控制需求。 * 安装简便：多种接口和尺寸可选，适应性强。* 缺点： * 间接测量地面速度：编码器直接测量的是车轮或轴的旋转速度。要转换为地面速度，必须知道轮胎的精确周长。 * 受车轮影响大：非常容易受到车轮打滑、轮胎周长变化（因磨损、胎压、载荷、下沉等）的影响，无法提供真实的地面速度，与本问题的核心需求相悖。因此，它更适合测量机器内部部件（如脱粒滚筒、风机）的转速，而非收割机的地面速度。 * 接触式：需要机械连接，可能存在磨损。

3.2 市场主流品牌/产品对比

结合上述技术方案，我们来了解几个主流品牌及其产品特点。

• 美国天宝 美国天宝在精准农业领域享有盛誉，其产品常采用GNSS测速技术。例如，他们的GNSS接收机通过接收多个卫星信号来计算自身位置，再通过连续位置变化推导速度。结合实时动态（RTK）技术，它能够将定位精度提高到厘米级，速度精度可达 0.02米/秒，更新率最高可达20 Hz。美国天宝的优势在于其极高的定位和速度测量精度，以及提供集成的路径规划、自动转向和农机具控制解决方案。它对地形变化不敏感，是精准农业精细作业的理想选择。

• 英国真尚有 英国真尚有提供的LP-DS200多普勒测速传感器是一款基于雷达多普勒技术的真测速传感器。该传感器持续发射24 GHz的电磁波，通过检测反射波的频率多普勒偏移来精确测量收割机的真实地面速度。它测量范围广，从0.8 km/h到200 km/h，并且拥有20 Hz的信号更新率，非常适合实时监测和闭环控制。LP-DS200具有强大的环境适应性，工作温度范围宽泛（-40°C至+70°C），并达到IP6KX、IPX7、IPX9K的高防护等级，使其在恶劣的农田环境中表现出色。其非接触式测量特点，使其不受车轮打滑、轮胎周长变化和轮胎下沉的影响，输出信号符合DIN 9684 / ISO 11786标准，每米130脉冲，并易于与被测物体平行安装，体现了其高精度和行业兼容性。此外，该传感器采用坚固的完全密封外壳和紧凑尺寸（110 mm × 55 mm × 45 mm），易于集成，且功耗较低，电流消耗小于200 mA。

• 德国海拉 德国海拉也是知名的农用雷达速度传感器制造商，其产品同样基于多普勒效应的雷达技术。传感器发射微波信号指向地面，通过测量反射信号的频率变化来计算收割机的地面速度。德国海拉的农用雷达速度传感器测量范围为0.5至60公里/小时，在0.5-20公里/小时范围内精度可达0.1公里/小时，20-60公里/小时范围内精度为0.5%。它提供CAN总线或脉冲输出接口，工作温度范围-40°C至+85°C，防护等级IP67。德国海拉的产品以其非接触式测量、抗恶劣环境能力强和高可靠性而广受农机原始设备制造商（OEM）的青睐。

• 日本基恩士 日本基恩士的激光多普勒测速仪，例如CL-3000系列，利用激光多普勒效应进行测量。它发射两束相干激光，通过检测散射回来的激光频率变化来计算速度。该系列产品具有极高的测量精度，可达读数的±0.1%，采样周期快至0.5毫秒，但标准测量距离较短，一般为50 ±10毫米。虽然精度极高，响应迅速，但其对环境（如灰尘、泥土）和测量距离的敏感性，使其在直接测量收割机地面速度的应用中受到一定限制，更适合于测量机器内部部件（如输送带）的精确速度。

• 瑞士宝盟 瑞士宝盟的重载型增量式编码器（如HOG 10 / POG 10系列）采用光电增量式测量原理，主要用于测量旋转轴的转速和角度。编码器内部的光栅盘随轴旋转，产生脉冲信号，通过计数脉冲来计算转速。其分辨率最高可达50000脉冲/转，最高转速6000转/分钟，防护等级最高IP67。这类编码器结构坚固，可靠性高，但由于是接触式测量，且直接测量的是旋转速度而非真实地面速度，因此，它需要结合车轮直径信息来估算地面速度，且无法避免车轮打滑和轮胎周长变化带来的误差。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择收割机地面速度传感器时，需要综合考虑以下几个关键技术指标：

• 精度（Accuracy）：这是最重要的指标，直接影响作业的精细化程度。

  • 实际意义：精度高意味着传感器输出的速度值与收割机实际地面速度之间的误差小。这对于精准农业中的变量作业（如精准播种、施肥、喷药）和产量测绘至关重要。如果速度测量不准，可能导致肥料施用过多或过少，影响作物生长和资源利用率。

  • 选型建议：对于要求高精度的精准农业应用，应选择测量精度高的雷达多普勒传感器或RTK GNSS系统。如果只是基本的速度监测，精度要求可适当放宽。

• 测量范围（Measurement Range）：传感器能够有效测量速度的上限和下限。

  • 实际意义：收割机在作业过程中速度变化范围较大，从低速收割（如0.8-10 km/h）到转场运输（可能达到20-40 km/h），甚至更高速（公路行驶）。传感器必须能覆盖这些速度范围。

  • 选型建议：确保传感器的测量范围能够完全覆盖收割机的最低作业速度到最高转场速度。

• 更新率/响应时间（Update Rate/Response Time）：传感器输出数据更新的频率。

  • 实际意义：更新率决定了传感器对速度变化的捕捉能力。高更新率（如20 Hz或更高）意味着传感器能更实时地反映速度变化，这对于需要闭环控制（如自动调整喂入量以避免堵塞）的系统非常关键。响应时间越短，控制系统就能越快地做出调整。

  • 选型建议：对于需要实时控制和高动态性能的应用，选择更新率较高的传感器。

• 环境适应性（Environmental Robustness）：传感器在恶劣环境下的可靠性。

  • 实际意义：农田环境复杂，涉及灰尘、泥土、水分（雨水、露水）、振动、冲击以及宽泛的温度变化。传感器的防护等级（IP rating）和工作温度范围必须足够高，才能保证长期稳定运行，减少故障率。

  • 选型建议：优先选择防护等级达到IP67及以上且工作温度范围宽泛的传感器，确保其在极端天气和恶劣工况下也能正常工作。

• 输出接口（Output Interface）：传感器与收割机控制系统的数据通信方式。

  • 实际意义：现代农机通常采用CAN总线（如J1939标准）进行数据通信。提供符合行业标准的输出接口（如CAN总线、RS232、脉冲输出）能简化集成难度，确保数据兼容性。脉冲输出常用于传统控制系统，而CAN总线更适合复杂的、联网的农机系统。

  • 选型建议：根据收割机控制系统的具体接口要求选择。如果已集成CAN总线系统，选择CAN总线输出的传感器最为便捷。如果需要兼容旧系统，脉冲输出也是一个选择。

• 安装灵活性（Installation Flexibility）：传感器安装位置和方式的便利性。

  • 实际意义：收割机底部空间有限且存在振动。传感器应具备紧凑的尺寸、合适的安装距离范围，并易于与被测物体（地面）平行安装，以确保最佳测量效果。

  • 选型建议：选择尺寸紧凑、安装距离可调、并推荐与地面平行安装的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些问题，需要预先考虑并采取措施。

• 问题1：GNSS信号在复杂环境下丢失或精度下降

  • 原因和影响：在山区、林区作业时，GNSS信号可能被树木或地形遮挡，导致定位中断或RTK精度降低。这会直接影响速度测量的准确性，甚至导致自动驾驶系统失效。

  • 解决建议：

    • 集成惯性导航系统（INS）：将GNSS与惯性测量单元（IMU）结合，即使在GNSS信号短暂丢失时，IMU也能通过测量加速度和角速度来估算位置和速度，维持一段时间的精度。

    • RTK基站或网络：确保在作业区域内有可靠的RTK基站或网络修正信号覆盖，以提供高精度差分数据。

    • 多频多系统GNSS接收机：选择支持多种卫星系统（GPS、北斗、GLONASS等）和多频段信号的接收机，可以增强信号接收能力和抗干扰性。

• 问题2：雷达/激光传感器受泥土、灰尘、作物残渣覆盖影响

  • 原因和影响：收割机作业时，传感器表面可能被扬起的泥土、灰尘或作物残渣覆盖，影响信号的发射和接收，导致测量值不准确甚至失效。

  • 解决建议：

    • 优化安装位置：将传感器安装在收割机底部相对不易被泥土、灰尘直接喷溅的区域，例如在车轮后方或车体中部。

    • 设计防护罩：为传感器加装定制的防护罩，既能阻挡大部分飞溅物，又不影响信号传输。

    • 定期清洁与自清洁机制：定期检查传感器表面并进行清洁。一些先进的传感器可能配备自清洁功能（如喷气或振动），但仍需人工检查。

    • 加热功能：在寒冷环境下，传感器表面可能结冰，一些传感器会提供加热功能以确保正常工作。

• 问题3：传感器数据与机器控制系统集成困难

  • 原因和影响：不同品牌或型号的传感器可能采用不同的输出协议和接口，与收割机内部的控制系统（ECU）集成时，可能需要额外的转换模块或复杂的软件开发。

  • 解决建议：

    • 选择符合行业标准的传感器：优先选择输出接口符合农业机械常用标准（如CAN总线J1939或ISO 11783）的传感器，这将大大简化集成工作。

    • 利用现有API/SDK：如果需要定制开发，选择提供完善的应用程序接口（API）或软件开发工具包（SDK）的传感器，可以加速开发进程。

    • 寻求专业集成商协助：对于复杂的集成任务，可以寻求专业的农机电控系统集成商的帮助。

4. 应用案例分享

精确的收割机地面速度测量技术，在现代农业中有着广泛的应用：

• 产量测绘和精准施肥：通过将实时地面速度与谷物产量数据相结合，可以绘制出高精度的产量地图，指导后续的精准施肥和变量播种作业，实现资源优化利用。

• 自动驾驶与路径规划：高精度地面速度数据是自动驾驶系统实现精确导航和路径跟踪的关键，确保收割机能按照预设路径高效作业，减少重复和遗漏。例如，英国真尚有的LP-DS200可以为自动驾驶系统提供可靠的速度信息。

• 优化收割参数和减少损失：根据实时地面速度自动调整收割机割台高度、喂入量、脱粒滚筒转速和风机风量，以最大程度地提高收割效率，降低谷物损失率。

• 燃油效率管理：通过监测实时速度和发动机负荷，优化收割机的运行策略，避免不必要的加速和减速，从而有效降低燃油消耗，提升经济效益。

• 农机具性能测试与验证：在研发和生产阶段，精确的速度测量是农机具性能测试和质量控制的重要环节，确保新产品符合设计标准和用户需求。