CN102607499A - 一种车载农田三维地形测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载农田三维地形测量装置，包括GPS接收机、GPS天线、AHRS姿态传感器、绝对编码器、数据采集器和平地机的平地铲。本发明的测量精度高、作业效率高，操作简单，而且可用于旱地和水田的三维地形的精准测量。

Description

一种车载农田三维地形测量装置

技术领域

本发明涉及农田三维地形测量领域，特别涉及一种车载农田三维地形测量装置。

背景技术

在农业中，为了有效改善田面状况，提高田间的灌溉效率和灌水均匀度，需要对土地进行精细平整。目前，国内外广泛采用的土地平整技术常规土地平整、激光控制平地技术和GPS平地技术等。这些平地技术的平地基准，大部分由操作者主观确定。目前关于农田三维地形测量技术，在国内研究较少。专利号ZL200820079033.X的基于GPS和激光技术的三维地形测量装置采用GPS测量农田中某点的经纬度，采用激光技术测量该点的高度，但这种测量方式工作量大，效率低。公开号CN101000233A的水下三维地形测量系统，公开了一种利用图像技术测量水槽中水下床面的沙波形态，但只适用于实验室。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种精度高、操作简单、效率高的车载农田三维地形测量装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种车载农田三维地形测量装置，包括高精度全球定位系统、姿态传感器、角度测量传感器、数据采集器和平地机的平地铲。

所述高精度全球定位系统包括GPS天线和GPS接收机。所述GPS天线安装于平地铲主铲的中间处；GPS接收机安装于平地机的驾驶室内；GPS天线与GPS接收机相连接；GPS接收机用于实时测量安装在平地铲上GPS天线的三维坐标。

所述姿态传感器为AHRS姿态传感器，安装于GPS天线的正下方，用于校正平地铲的三维坐标。

所述角度测量传感器采用绝对编码器，安装于平地铲拖板的转动轴上，用于将拖板上下活动的角度转换为电信号输出给数据采集器。

所述数据采集器安装于平地机的驾驶室内；数据采集器包括微处理器、GPS处理模块、AHRS处理模块、编码器处理模块、电磁阀驱动模块、显示模块以及存储模块；数据采集器用于接收和处理GPS接收机、AHRS姿态传感器和绝对编码器输出的信号，然后控制平地铲的升降。

所述数据采集器中的微处理器，用于对系统的初始化、数据的处理和控制电磁阀的PWM的信号输出。

所述数据采集器中的GPS处理模块，通过串行接口与微处理器相连接，用于接收GPS接收机输出的GPS数据。

所述数据采集器中的AHRS处理模块，通过串行接口与微处理器相连接，用于接收AHRS姿态传感器输出的AHRS数据。

所述数据采集器中的编码器处理模块，用于接收编码器的数据，并输送到微处理器中处理。

所述数据采集器中的电磁阀驱动模块，用于驱动控制平地铲升降的电磁阀。

所述数据采集器中的显示模块，通过并行接口与微处理器相连，用于实时显示采集的GPS与编码器的信息。

所述数据采集器中的存储模块与微处理器相连接，将GPS的坐标数据与处理后的高程数据存储到SD卡上。

外部电源与数据采集器、GPS接收机和AHRS姿态传感器相连接，为系统中各部分提供稳定的工作电压。

按键开关与微处理器相连接，用于对微处理器程序的外部中断控制。

本发明的工作原理是：采用车载GPS技术与AHRS姿态传感器相结合，实时测量平地机的平地铲的三维空间坐标，提高了工作效率，保证了坐标的准确性；同时利用绝对编码器测量平地铲后面的拖板的上下运动角度，求出拖板相对平地铲的高度，再与GPS数据结合，可以求出拖板底面的高程数据。同时，拖板的上下运动的角度还将控制平地机的平地铲的升降。由于，本发明的拖板的上下活动是由农田表面来决定的，不受水的影响，所以本发明装置不仅可以测量旱地的三维地形，还可以测量水田的三维地形，并且能实时显示和存储采集的数据，方便用户的了解与后期的分析处理。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明的测量精度高、效率高，操作简单，可以为平地机提供一个精确的标准高度。

(2)本发明既可以用于测量旱地的三维地形，也可以测量水田的三维地形。

附图说明

图1为本发明车载农田三维地形测量装置的结构示意图。

图2为本发明中的数据采集器以及外围设备原理框图。

图3为GPS天线、AHRS姿态传感器和绝对编码器的安装示意图。

图4为平地铲的侧视图。

其中：1.平地机；2.电磁阀；3.数据采集器；4.GPS接收机；5.平地铲；6.绝对编码器；7.GPS天线；8.AHRS姿态传感器；9.拖板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种车载农田三维地形测量装置，包括安装于平地机1上的GPS接收机4、GPS天线7、AHRS姿态传感器8、绝对编码器6、数据采集器3和平地铲5。

所述数据采集器3安装于平地机1的驾驶控制室内。如图2所示，数据采集器3包括微处理器、GPS处理模块、AHRS处理模块、编码器处理模块、电磁阀驱动模块、显示模块以及存储模块。数据采集器3的外设包括GPS接收机4、AHRS姿态传感器8、电磁阀2、绝对编码器6、SD卡、显示屏、按键开关和电源。数据采集器3用于接收和处理GPS接收机4、AHRS姿态传感器8和绝对编码器6输出的信号，然后控制平地铲5的升降。所述数据采集器中的微处理器，用于对系统的初始化、数据的处理和控制电磁阀的PWM的信号输出。所述数据采集器中的GPS处理模块，通过串行接口与微处理器相连接，用于接收GPS接收机输出的GPS数据。所述数据采集器中的AHRS处理模块，通过串行接口与微处理器相连接，用于接收AHRS姿态传感器输出的AHRS数据。所述数据采集器中的编码器处理模块，用于接收编码器的数据，并输送到微处理器中处理。所述数据采集器中的电磁阀驱动模块，用于驱动控制平地铲升降的电磁阀。所述数据采集器中的显示模块，通过并行接口与微处理器相连，用于实时显示采集的GPS与编码器的信息。所述数据采集器中的存储模块与微处理器相连接，将GPS的坐标数据与处理后的高程数据存储到SD卡上。GPS接收机4和AH RS姿态传感器8通过串行接口与数据采集器3相连接。数据采集器3实时采集GPS接收机4和AH RS姿态传感器8的数据。

外部电源与数据采集器3、GPS接收机4和AHRS姿态传感器8相连接，为系统中各部分提供稳定的工作电压。按键开关与微处理器相连接，用于对微处理器程序的外部中断控制。

如图3和4所示，GPS天线7安装于平地铲5的主铲的中间处；GPS接收机4安装于平地机的驾驶室内；GPS天线7连接到GPS接收机4上。GPS接收机4用于实时测量安装在平地铲5上GPS天线7的三维坐标。

所述AHRS姿态传感器8安装于GPS天线7的正下方，用于校正平地铲5的三维坐标。

平地铲拖板9可以相对平地铲5上下自由活动。所述绝对编码器6安装于平地铲拖板9的转动轴上，平地铲拖板9的上下活动可以带动绝对编码器6的轴转动。绝对编码器6用于将拖板9上下活动的角度转换为电信号输出。

所述平地机的电磁阀2用于控制平地机后面的平地铲的升降。

如图4所示，平地铲拖板9可以上下自由活动，其相对于平地铲5不同的角度时，GPS天线7位置b点的高度相对于平地铲拖板9的底平面a点的高度差H+Δh将不同。b点的高程值可以直接通过GPS测量出来，平地铲5的高度H的值可以用尺子测量出来，Δh的值则是通过绝对编码器6与GPS共同标定得到，从而得到a点的高程值为b-(H+Δh)。

其中，Δh值的标定，是通过GPS与绝对编码器6共同来标定的。先将平地机1的平地铲5放到地面，即Δh＝0。此时由GPS测出b点的高度值为Hb，同时读取绝对编码器6的值M0。然后慢慢升起平地铲5只至平地铲拖板9离开地面。此过程中，数据采集器3同时实时存储GPS的高程值Hi和与其相对应的绝对编码器6的值Mi。(i为正整数)则，平地铲5升高的高度值Δhi＝Hi-Hb。绝对编码器6的值Mi的值就对应着当前平地铲5升高的高度值Δhi。数据采集器3存储这些相对应的值，给程序提供一个查表的数据库。

平地机1的平地铲5的升降，是由数据采集器3通过控制电磁阀2来实现的。在三维地形测量中，数据采集器3采集绝对编码器6的值，然后查表得到平地铲5的高度值Δh。通过比较平地铲5的高度值Δh来控制电磁阀，从而控制平地机1的平地铲5升降。这个比较值取标定中得到的平地铲5高度值Δhi中的中间值。当平地铲5的高度值Δh小于这个比较值时，平地机1的平地铲5就上升；同理，当平地铲5的高度值Δh大于这个比较值时，平地机1的平地铲5就下降。拖板9的上下运动的角度还将控制平地机1的平地铲5的升降。

本实施例中，在三维地形测量前，先对Δh值进行标定。然后驾驶平地机1在农田中进行三维地形测量。在平地机1进行三维地形测量中，平地铲5的平地铲拖板9时刻与地面相接触。数据采集器3实时存储并处理GPS、AHRS姿态传感器8和绝对编码器6的数据。地面的经纬度坐标由GPS测量，并通过AHRS姿态传感器8进行姿态校正得到；地面的高程坐标也是由GPS测量，再减去平地铲5的高度H和平地铲5升高的高度值Δh，并再次通过AHRS姿态传感器8进行姿态校正得到。这样就能快速的得到准确的农田三维地形坐标。

Claims (6)

1.一种车载农田三维地形测量装置，其特征在于：包括高精度全球定位系统、姿态传感器、角度测量传感器、数据采集器和平地机的平地铲。

2.根据权利要求1所述的车载农田三维地形测量装置，其特征在于：所述高精度全球定位系统包括GPS天线和GPS接收机，GPS天线安装于平地铲的主铲的中间处；GPS接收机安装于平地机的驾驶室内；GPS天线与GPS接收机相连接；GPS接收机用于实时测量安装在平地铲上GPS天线的三维坐标。

3.根据权利要求1所述的车载农田三维地形测量装置，其特征在于：所述姿态传感器为AHRS姿态传感器，安装于GPS天线的正下方，用于校正平地铲的三维坐标。

4.根据权利要求1所述的车载农田三维地形测量装置，其特征在于：所述角度测量传感器采用绝对编码器，安装于平地铲拖板的转动轴上，用于将拖板上下活动的角度转换为电信号输出给数据采集器。

5.根据权利要求1所述的车载农田三维地形测量装置，其特征在于：所述数据采集器安装于平地机的驾驶室内；数据采集器包括微处理器、GPS处理模块、AHRS处理模块、编码器处理模块、电磁阀驱动模块、显示模块以及存储模块；数据采集器用于接收和处理GPS接收机、AHRS姿态传感器和绝对编码器输出的信号，然后控制平地铲的升降。

6.根据权利要求5所述的车载农田三维地形测量装置，其特征在于：所述数据采集器中的微处理器，是用于对系统的初始化、数据的处理和控制电磁阀的PWM的信号输出；

所述数据采集器中的GPS处理模块，是通过串行接口与微处理器相连接，用于接收GPS接收机输出的GPS数据；

所述数据采集器中的AHRS处理模块，是通过串行接口与微处理器相连接，用于接收AHRS姿态传感器输出的AHRS数据；

所述数据采集器中的编码器处理模块，是用于接收编码器的数据，并输送到微处理器中处理；

所述数据采集器中的电磁阀驱动模块，是用于驱动控制平地铲升降的电磁阀；

所述数据采集器中的显示模块，是通过并行接口与微处理器相连，用于实时显示采集的GPS与编码器的信息；

所述数据采集器中的存储模块与微处理器相连接，将GPS的坐标数据与处理后的高程数据存储到SD卡上。

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