图 5 是本发明实施例的流程图。 具体实施方式 国家粮食储藏数量检测系统的核心在于如何方便、 快捷、 准确地获取粮库中各粮 仓中储粮数量， 并有效检测储粮数量的变化。由于粮食价格便宜、 数量大等特点， 因此要求 储粮数量的检测设备成本低、 价格便宜， 检测速度快、 准确性高等。 基于这些要求， 本发明提 出的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法， 为实时准确地掌握我国国家粮食储备数量 提供技术手段， 为粮食管理部门的管理和科学决策服务。
目前比较常用的粮仓有平房仓、 浅圆仓、 深圆仓等， 具有不同形状和不同的大小。 粮食入仓后， 粮堆的形状为不同尺寸的规则立方体， 大致上可分为长方体和圆柱体等。 根据 粮堆和粮仓内表面压力关系， 可以将粮堆的受力情况简化为图 1 所示。
基于粮堆受力关系， 可以得出 （1） 其中， 为粮堆重量 ； 为粮堆底面压力 ； 为粮堆侧面摩擦力。粮堆底面压力 算公式为 （2） 其中， 为粮堆底面 ； 为 （3） 其中， 为粮堆底面 ； 数。从而有 （4） 从上式可以看出， 粮堆重量检测的关键在于获得粮仓底面与侧面压强分布以及粮堆和 粮仓侧面的摩擦系数。 从理论上讲， 粮仓底面与侧面压强分布应具有一定的规律性， 由于侧 面摩擦力的作用， 越接近侧面， 底面的压强会变小， 从粮堆底面到粮堆顶面， 侧面压强会逐 渐变小。但由于粮食流动性的有限性、 粮食入仓方式以及粮堆与压力传感器接触应力的影 响， 从而粮仓底面与侧面压强分布具有明显随机性， 这为粮仓储粮数量检测造成了困难。 因 此， 粮仓储粮数量检测的关键问题在于如何解决粮仓底面与侧面压力分布的随机性。
针对粮仓底面与侧面压强分布具有明显随机性的问题， 本发明提出了根据压力传 感器的压力检测值的平均值计算粮仓储粮数量的思想， 从而保证了粮仓储粮数量的可检测 性以及检测方法的简便性与准确性。 基于这种思想， 综合考虑粮仓粮食出入库的实际情况， 提出了压力传感器的布置模型与压力传感器的布置方法。提出了基于压力传感器粮仓地 面、 侧面压力平均值的粮仓储粮数量的计算模型与系统标定方法。具体发明内容如下 ： （1） 压力传感器布置模型 由于粮食价格便宜、 数量大等特点， 要求储粮数量的检测设备成本低、 价格便宜， 且检 测速度快、 准确性高等。基于这种要求， 同时考虑储粮数量的检测误差为 3% 以下的一般要 求， 根据实验结果， 依粮仓底面积的大小， 底面压力传感器数为 8-12 个为妥。依粮仓装粮高
5的计为粮堆底面中的压强分布。 粮堆侧面摩擦力 的计算公式为粮堆侧面 中的压强分布 ； 为粮堆与粮仓侧面的摩擦系101907481 A CN 101907485说明书4/6 页度， 侧面压力传感器数为 4-10 个为妥。
平房仓底面传感器的布置可采用图 2 所示两行布置方式。图中， 实线框为粮仓地 面形状示意图， 实圆为压力传感器示意图， 传感器距墙距离 d1、 d2、 d3 应大于 2 米，行距 d4 为 1.5 米左右， 各行压力传感器均匀分布 , 间距 d5 应大于 1.5 米。
浅圆仓、 深圆仓的底面传感器布置可采用图 3 所示方式， 传感器距墙距离 d6 应大 于 2 米， 压力传感器沿两相互垂直的直径方向均匀分布， 间距 d7 应大于 1.5 米。
平房仓以及浅圆仓、 深圆仓的侧面压力传感器布置可采用图 4 所示方式， 压力传 感器按分左右两列多行布置， 列间距 d8 应大于 1.5 米， 各行依装粮高度沿上下均匀分布， 行 间距 h 应大于 1.5 米， 且顶部压力传感器 、 距粮堆顶部应大于 1 米。
（2） 粮仓储粮数量的计算模型 根据上面的压力传感器布置， 对底面所有压力传感器的压强输出值求平均， 则粮仓底 面的平均压强为 （5） 其中， 为粮堆底面传感器， 为 传感器的输出值， （6） 其中， 为粮仓底面面积， 对于底面为长方形的粮仓， ， 其中 分别为粮仓 。粮仓底面的压力估计值为底面的长和宽。对于圆形仓，
， 其中 为圆形底面的半径。侧面压力估计值采用逐层平均计算法。如图 4 所示， 假设侧面传感器的行 间距为 。对于两列布置的每层两个侧面压力传感器， 可计算出每层压力传感器的平均值 。例如， 对于图 3-4 所示的两列 4 行的 8 个压力传感器， 第 层有两个传感器 、 ， 则 该层压力传感器的平均值 为 （7） 其中， 为粮仓底面面积的周长， 对于底面为长方形的粮仓， 仓， ， 其中 为圆形仓底面的直径。因此， 侧面摩擦力估计值为 （8） 对于 （8） 式， 令 （9） 为侧面压力估计值， 则有 （10） 由 （4） 式、 （6） 式、 （10） 式和实际试验结果， 得出本发明的粮仓重量计算模型为 （11） 其中， 为模型系数， 与粮仓存储粮食种类、 压力传感器类型等特性有关， 可通 过下节所提出的系统标定方法确定。6。因此， 每层的侧面平均摩擦力估计值为， 对于圆形101907481 A CN 101907485
说明书5/6 页此外， 对于粮仓储量高度小于 3-4 米的粮仓， 可不考虑侧面压力的影响， 此时 （11） 式可简化为 （12） （3） 系统标定方法 对于 （11） 式和 （12） 式中的系数
， 可通过如下系统标定方法确定。对于不同厂家的不同传感器、 不同的粮食种类以及不同的仓型以及不同的粮仓底 面积与侧面积比例， 需要分别标定。对于给定的传感器、 粮食种类以及具体的仓型， 可通过 如下方法标定。
选择若干个设有相同压力传感器、 储存相同种类的粮食， 相同仓型的粮仓， 对于每 个粮仓， 安装压力传感器， 然后逐步进粮并摊平， 则可以获得一组粮仓粮食重量 、 粮仓底 面的压力估计值
以及侧面估计压力值的实验数据， 可表示为数据元组， 具体计算公式见式 （6） 和式 （9） ， 从而构成 （11） 式和 （12） 式模型建模的样本数据集。 由于粮仓的粮堆中埋有通风等设备， 为了保证所获得模型参数的通用性， 在系统 标定中， 应估算通风等设备的体积和粮食的比重， 根据此体积和粮食的比重， 计算通风等设 备所占空间的粮食重量
， 并将样本数据集数据修正为， 利用所获得的样本 。数据， 通过多元线形回归， 则可确定 （11） 式和 （12） 式中的系数对于不同厂家的不同传感器、 不同的粮食种类、 不同的仓型以及不同的粮仓底面 积与侧面积比例， 对系统进行适用范围分类并标定， 并建立系统参数表， 以便于标定参数的 重复使用。
本发明所提出的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法实施例的流程图如图 5 所示， 具体步骤如下 ： （1） 选定具体厂家的压力传感器， 确定储存粮食的种类和粮仓的类型。
（2） 针对不同仓型， 根据图 2- 图 4， 安装压力传感器， 粮堆底面压力传感器数为 8-12 个， 侧面压力传感器数为 4-10 个。平房仓底面传感器的布置采用图 2 所示方式， 传感 器距墙距离 d1、 d2、 d3 应大于 2 米，行距 d4 为 1.5 米左右， 各行压力传感器均匀分布 , 间 距 d5 应大于 1.5 米。 浅圆仓、 深圆仓传感器的底面传感器布置采用图 3 所示方式， 传感器距 墙距离 d6 应大于 2 米， 压力传感器沿两相互垂直的直径方向均匀分布， 间距 d7 应大于 1.5 米。平房仓以及浅圆仓、 深圆仓的侧面压力传感器布置采用图 4 所示， 压力传感器按分左右 两列多行布置， 列间距 d8 应大于 1.5 米， 各行依装粮高度沿上下均匀分布， 行间距 h 应大于 1.5 米， 且顶部压力传感器 、 距粮堆顶部应大于 1 米。
（3） 如果对于给定的传感器、 粮食种类以及粮仓仓型， 若是有标定好的模型系数 则直接采用， 若没有标定好的模型系数， 则选择若干个粮仓， 对于每个粮仓， 采用逐步进粮 以及侧面估计压力值 的实 ， 具体计算方法见式 （6） 和式 （9） 。估算通风等设备的体积和粮食的比重， ， 并将实验数据修正为 ， 利用获得粮仓的实验数据， 通过多元线形回归， 确定 （11） 式和 （12） 式中的系并摊平， 获得一组粮仓粮食重量 、 粮仓底面的压力估计值 验数据根据此体积和粮食的比重， 计算通风等设备所占空间的粮食重量 数 。对于不同厂家的不同传感器、 不同的粮食种类、 不同的仓型以及根据粮仓的粮堆 底面积与侧面积比例， 对系统进行适用范围分类并标定， 并建立系统参数表， 以便于标定参 数的重复使用。
（4）根 据 粮 仓 底 面 压 力 传 感 器 的 输 出 值 ， 其中 为粮堆底面传感器，计算粮仓底面的平均压强 ， 测量并求得为 传感器的输出值，粮仓底面面积， 并根据公式 面积。
得出粮仓底面的压力估计值， 其中， 为粮仓底面（5） 根据粮仓侧面压力传感器的输出值计算出每行压力传感器的平均值 ， 求出侧面压力估计值， 再 。由侧面传感器的行间距 h 和粮仓底面的周长
（6） 根据测得的通风等设备的体积和粮食的比重， 计算通风等设备所占空间的粮 ， 并利用下式 （13）食重量所示模型进行粮仓储粮数量的计算。