Embedded Control System for Agricultural Machinery implemented in Forage Harvesting

Koneiden tehokas käyttö on erityisen tärkeää rehunkorjuussa lyhyen korjuuajan ja koneiden kalleuden takia. Parhaan tehokkuuden saavuttamiseksi noukinvaunun kaltaisen korjuukoneen kuormituksen tulisi olla optimaalinen. Ylikuormitustilanteessa noukin voi tukkeutua, kun taas alikuormitus kuluttaa aikaa ja heikentää rehusilpun laatua. Laatua voidaan myös parantaa säilöntäaineen tarkalla annostelulla. Tässä diplomityössä kehitettiin kaksi ISO 11783 ohjainta parantamaan rehunkorjuun tehokkuutta. Ohjaimet kehitettiin käyttäen työkaluketjua, joka on suunniteltu ISO 11783 ohjainten kehitykseen. Työkaluketjun pääosat ovat Matlab Simulink C-koodin generoinnilla, PoolEdit ja siihen liittyvät parserit sekä Visual Studio ja Windows CE tietokonemoduuli. Rehun massavirtaa noukkimella estimoidaan Kalman-suotimella nopeuden, karhon koon, kuorman massan sekä kosteuden perusteella. Massaestimaatin perusteella säilöntäainetta voidaan levittää rehuun siten, että säilöntäaineen ja rehun suhde on optimaalinen. Traktorin nopeutta säädetään sumealla säätimellä koneen kapasiteetin, estimoidun massavirran sekä karhon koon perusteella. Lopputuloksena massavirta pysyy optimaalisena riippumatta karhon koon muutoksista eikä tukoksia pääse syntymään. Peltotesteissä laitteiston todettiin toimivan määrittelyn mukaisesti.Efficient use of machines is especially important in forage harvesting due to the short harvesting period and expensive machinery. To achieve the best efficiency, a harvesting machine, such as a loader wagon, should be used with optimal loading. Whereas overloading the machine can cause blockages in the cut-and-feed unit, underloading consumes more time and reduces the quality of the resulting silage. In addition, the quality can be improved by optimizing the dosage of the additive. In this thesis, two ISO 11783 compatible electronic control units were implemented for optimizing the harvesting process. The electronic control units were developed using a tool chain designed for developing ISO 11783 systems. The main parts of the tool chain are Matlab Simulink with C code generation, PoolEdit with the associated parsers, and Visual Studio with a Windows CE embedded target. Mass flow of forage in the cut-and-feed unit of the wagon is estimated with a Kalman filter according to tractor speed, swath size, mass of the load, and moisture content of the forage. The mass flow estimation is used to derive the optimal spreading rate of additive so that the ratio of additive and forage is precisely what is desired. The speed of the tractor is controlled with a fuzzy controller according to the capacity of the machine, the mass flow estimation, and the swath size. As a result, the mass flow in the cut-and-feed unit is always optimal regardless of the swath size and thus no blockages will be formed. In the field tests, the performance of the system proved to be in line with the specification

Optimization of forage harvesting by automatic speed control and additive application

vokKV

Traktori-noukinvaunuyhdistelmän integroitu automaatio säilörehun täsmäkorjuussa

Maatalouskoneteollisuus on pyrkinyt parantamaan tuotteidensa toimintoja ja ominaisuuksia tutkimalla ihminen-kone-rajapintaa. Sopeutuva säätö ja automaatio ovat keinoja, jotka lisäävät maatalouskoneiden kilpailukykyä. Automaattisten toimintojen käytettävyyden parantaminen on yhä merkittävämpi myyntiargumentti Euroopassa. Esimerkiksi rehunkorjuu noukinvaunulla vaatii kuljettajalta useiden asioiden lähes yhtäaikaista havainnointia ja säätöjen tarkennusta. Agromassi-hankkeessa yhtenä työpaketin osiona on säilörehun korjuun optimointi. Siinä tavoitteena oli säilöntäaineen annostelun ja ajonopeuden optimointi. Optimaalinen annostelu luo edellytykset parempilaatuiseen säilörehuun, ja ajonopeuden optimointi estää noukinvaunun ali- ja ylikuormittumisen ja samalla se aikaansaa lyhyemmän ja tasamittaisemman silpun. Viime mainittu helpottaa rehun tasaamista, tallaamista ja tiivistymistä siilossa ja siten parempia säilöntäedellytyksiä. Lisäksi paikkatiedon käyttö mahdollistaa satokartan teon korjuulohkolta. Vuosina 2009 – 2012 tutkittiin älykästä mittaus- ja säätöjärjestelmää, joka oli instrumentoitu traktori-noukinvaunuyhdistelmään. ISO11783 (ISOBUS) standardi traktorin ja työkoneen väliseen kommunikointiin (säätö, ohjaus ja tiedonsiirto) tarjoaa yleisen alustan uusien säätösysteemien soveltamiseen ja omaksumiseen. Testitraktorissa on class 3 TECU (Tractor electronic control unit), joka käsittää peruskäskyjen kuten esimerkiksi VOAn ja ulkopuolisen hydrauliikan hallinnan lisäksi ajono-peuden säädön. Vuonna 2009 selvitettiin osajärjestelmien soveltuvuutta karhon poikkipinta-alan ja rehun kosteuden mittaamiseen. Karhon poikkipinta-alan mittaamisessa päädyttiin traktorin eteen asennettavaan laser-skanneriin, joka mittaa 90-asteen kulmassa karhon pinnan profiilia. Kosteuden mittaamiseen selvitettiin kirjallisuuden perusteella eri vaihtoehtoja ja päädyttiin NIR-sensoriin (near–infrared photometric analyzer), joka asennettiin noukinvaunun etusermin alaosaan. Rehun kokonais-massaa vaunussa mitattiin kolmella painesensorilla ja pohjakuljettimen liikettä pulssianturilla. Vaunun sivuun asennettiin kahdella kalvopumpulla varustettu hapotinlaite, johon ECUn (Electronic control unit) suunnitteli ja teki Aalto yliopiston tutkijat. Vaunun analogiset mittausviestit muutettiin digitaaliseen muotoon väylälle Axiomatic CAN -controllerilla. Noukinvaunun ECUn emolevyyn liitettiin NIR-sensori sarjaportin kautta. Traktorin ohjaamossa oli noukinvaunulla ja hapottimella omat käyttöliittymät, joissa oli valittavissa joko manuaali- tai automaattimoodi. Dataa kerättiin tarkoitukseen räätälöidyllä mittausohjelmalla. Noukinvaunun ECU estimoi rehun massavirran Kalman-suodinta käyttäen. Suodin estimoi massavirran kolmen mittauksen perusteella: 1) karhon tilavuusvirta laskettuna laserskannerilta, 2) rehun kokonaismassa painesensoreilta ja 3) karhon tiheys, joka lasketaan NIR-sensorin mittauksesta. Traktorin ajonopeutta säädetään sumealla säätimellä, joka laskee sopivan nopeuden perustuen traktorin tilaan (nopeus ja kierrosluku), estimoituun massavirtaan sekä karhon pinta-alan muutokseen. Säilöntäaine levitetään rehun estimoituun massavirtaan perustuen käyttäen PID-säädintä, joka virtausmittarin avulla säätää virtauksen oikeaksi. Adaptiivinen säätöjärjestelmä on osoittanut, että se pystyy vastaamaan sille hankkeessa asetettuihin tavoitteisiin. Vaikka käyttöliittymä (terminaali ohjaamossa)on toimiva ja havainnollinen, sitä varmasti voi kehittää edelleen. Osa tästä tutkimuksesta on tehty Agromassi-hankkeessa, joka on osa FIMECCin EFFIMA-ohjelmaa

Automation and control system of tractor and loader wagon in forage harvesting

vokKV

Optimizing forage harvesting process with an intelligent control system

vokKV

Traktori-noukinvaunuyhdistelmän integroitu automaatio säilörehun täsmä-korjuussa

vokKV

Optimizing silage harvesting with an intelligent machinery control system

vokKV