CN103134457A - 一种农机具耕深实时监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种农机具耕深实时监测系统和方法属农业机械测试技术领域，本发明的系统中的主轴上安装正反向扭转弹簧，能对轮架施加一定的力矩，避免用于地面仿形的地轮的浮动，使其紧贴地面，使耕深的测量更为精准；角度测量装置与主轴同轴连接，可将测得的耕深信号，通过A/D转换电路、以微处理器为核心的主控制系统、显示模块、文件存储系统、报警系统、信息输入模块和差分全球定位系统组成的电气部分进行控制、转换、报警、显示等，总之利用本发明的系统和方法，能实时监测作业机具的耕深，还能警示耕深的异常区域，随时存储耕深数据，为操作人员及时调整和提高作业质量，以及后期的分析处理奠定了基础，也为发展现代农机提供了新的系统和方法。

Description

一种农机具耕深实时监测系统和方法

技术领域

本发明属农业机械测试技术领域，尤其涉及一种对耕作机械的耕深状况进行实时监测的系统和方法。

背景技术

耕深是衡量耕作机械作业性能的重要参数，而目前我国对于耕深的测量大部分还是采用人工扒开机具作业过的土层，露出作业土层的底部，然后采用钢板尺进行测量的方法。这种方式不仅劳动强度大，而且靠扒开作业后的土层来确定沟底，带有不确定性，使测量不准确，并且无法连续地记录耕深数据。

早期有国外学者提出过采用机械传动的方式带动机械仪表测量耕深的方法，但该技术已不能满足时代的要求。将智能控制领域的研究成果，应用于农业机械行业是发展现代农机的一个趋势。

发明内容

针对目前耕深测量方式存在的缺陷，本发明提出一种耕深测量的电子解决方案。本发明提供了一种能够对机具工作时耕深状况进行实时监测的系统，该系统能够实时记录耕作深度，并在耕深超出设定的范围时发出声光报警信号。

本发明由机械部分和电气部分组成，机械部分主要由用于地面仿形的地轮、地轮轴、螺母、连接地轮的轮架、固定架、带座轴承、扭转弹簧和主轴组成。

其中的主轴8正中与轮架4上端固接，主轴8两边分别套有正向扭转弹簧7和反向扭转弹簧9，主轴8两端分别与带座轴承I6和带座轴承I10过盈配合，带座轴承I6和带座轴承I10经方颈螺栓与固定架5连接；正向扭转弹簧7外端与固定架5固接，正向扭转弹簧7内端与轮架4上端一侧固接，反向扭转弹簧9外端与固定架5固接，反向扭转弹簧9内端与轮架4上端另一侧固接，正向扭转弹簧7和反向扭转弹簧9对轮架4施加一定的力矩，避免地轮1的浮动，使其紧贴地面；地轮轴2中部经轴承与地轮1活动连接，地轮轴2两端分别经螺母I3和螺母I12与轮架4下端固接；安装带座轴承I6和带座轴承I10是为了使主轴8转动灵活；所述的地轮1紧贴地面进行仿形，地轮1相对于机具的位置反映了机具耕深的状况；所述的固定架5用于装配主轴8、带座轴承I6、带座轴承I10、正向扭转弹簧7、反向扭转弹簧9等系统部件，使用U型螺栓14将固定架5固定到机具横梁13上。

电气部分由角度测量装置11，A/D转换电路15，以微处理器为核心的主控制系统16，显示模块17，文件存储系统18，报警系统19，信息输入模块20和差分全球定位系统21组成，其中的角度测量装置11经A/D转换电路15与主控制系统16输入端连接，信息输入模块20、差分全球定位系统21分别与主控制系统16输入端连接，主控制系统16输出端分别与显示模块17、文件存储系统18和报警系统19连接；机械部分的主轴8与电气部分的角度测量装置11同轴连接。

所述的角度测量装置11将角度信息转化为电信号。

所述的报警系统19由报警器驱动电路和报警器组成，其中报警器采用声光报警器，当耕深超出设定的范围时发出报警。

所述的主控制系统16存储有机具工作耕深的设定范围值。

所述的显示模块17显示机具当前的耕深，设定的耕深范围以及机具的行进轨迹图。

所述的差分全球定位系统21包括基准站和流动站，用于提供作业机具的位置信息；基准站放置在距离作业地块10km以内的任意位置，且作业过程中基准站位置固定不变；流动站安装在拖拉机上，与机组一起移动。

所述的文件存储系统18的存储介质为闪存设备，将耕深数据存储到闪存中，用于后期的数据处理或其他用途。

利用本发明的农机具耕深实时监测系统进行实时监测的方法，包括下列步骤：

1.选定作业地块的作业基点O，以该基点O为原点，在主控制系统16中建立二维坐标系，其中：纵轴y为垄长延伸的方向，横轴x为垂直于垄长的方向；

2.将差分全球定位系统21的基准站放置在距离作业地块10km以内的某一位置，并保持不变，利用差分全球定位系统21确定基点O的经纬度，将基点O的经纬度信息传递给主控制系统21存储；

3.根据耕作的农艺要求，通过信息输入模块20设定耕深的允许范围值，并在主控制系统21内存储，在显示模块17上显示；

4.开始作业时农机具首先沿着垄长方向作业，并在到达对面地头之后反向作业，如此往复直至作业结束；在整个作业过程中，主控制系统16根据差分全球定位系统21提供的经纬度信息，确定农机具实时经纬度信息，并在所述坐标系中绘制机具的行进轨迹图；主控制系统16每0.5秒记录一次耕深和机具的经纬度数据，将耕深和机具的经纬度数据组合后，传输到文件存储系统18并存储；

5.将步骤4中记录的耕深数据与步骤3中设定的耕深允许范围值进行比较，当耕深超出设定的范围时，主控制系统16控制报警系统19进行声光报警，并在农机具行进轨迹图上标识耕深超限区域在作业地块中的位置，完成实时监测。

本发明可根据角度测量装置的输出信号，实时监测机具当前的耕深状况；当机具的耕深超出正常范围时，能及时发出声光报警信号，以便操作人员随时调整；能根据差分全球定位系统提供的位置信息，生成机具的行驶轨迹图，并将耕深异常的区域给予标示；将耕深数据以文件的形式存储到闪存设备中，可用于后期的分析处理。

总之，利用本发明的系统和方法，能实时监测作业机具的耕深，还能警示耕深的异常区域，随时存储耕深数据，为操作人员及时调整和提高作业质量，以及后期的分析处理奠定了基础，也为发展现代农机提供了新的系统和方法。

附图说明

图1为农机具耕深实时监测系统结构示意图

图2为农机具耕深实时监测系统的机械部分结构主视图

图3为农机具耕深实时监测系统的机械部分结构侧视图

图4为农机具耕深实时监测系统的电气部分结构示意图

图5为农机具耕深实时监测系统的测量实现原理图

图6为使用农机具耕深实时监测系统的农机具行驶轨迹示意图

图中：1.地轮  2.地轮轴  3.螺母I  4.轮架  5.固定架  6.带座轴承I  7.正向扭转弹簧  8.主轴  9.反向扭转弹簧  10.带座轴承Ⅱ  11.角度测量装置  12.螺母II  13.机具横梁  14.U型螺栓  15.A/D转换电路  16.主控制系统  17.显示模块  18.文件存储系统19.报警系统  20.信息输入模块  21.差分全球定位系统

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的解释和说明。

图2所示为本发明的机械部分，地轮1紧贴地面行走，从而对地面进行实时仿形，轮架4通过地轮轴2将地轮1与主轴8进行连接，固定架5将系统各机械部分部件连接起来，U型螺栓14又将固定架固定到机具的横梁上。为了使主轴8转动灵活，在轴两端安装有带座轴承I6和带座轴承Ⅱ10。正向扭转弹簧7和反向扭转弹簧9对轮架4施加一定扭矩，使地轮1紧贴地面行走，有利于提高仿形的效果。角度测量装置11通过固定座固定到固定架5上，角度测量装置11与主轴8同轴连接，当耕深发生变化时，其输出的电压相应的随之变化。

图3所示为本发明所述的电气部分，角度测量装置11将主轴的转动角度信号转换为电压信号，此电压信号经A/D转换电路15处理，将模拟量转换为主控制系统16能够识别的数字量；微处理器每0.5秒对此数字量进行识别处理，通过转换公式得到实际的耕深值，控制显示模块17进行测量耕深的显示，同时与工作之前由信息输入模块20输入，并存储在主控制系统16中的设定耕深范围值进行比较，如果超限则控制报警系统19发出警报，提示操作人员进行耕深调整。主控制系统16将每0.5秒得到的耕深数据和机具的经纬度数据组合后，传输到文件存储系统18，文件存储系统18将它们存储到闪存中。

所述的电气部分的A/D转换电路15、信息输入模块20、报警系统19、主控制系统16、文件存储系统18安装在控制器中，显示器在控制器表面，控制器放置在驾驶室中。

本系统的工作过程以及利用本发明的农业机械耕深实时监测系统进行实时监测的方法，包括下列步骤：

1.选定作业地块的作业基点O，以该基点O为原点，在主控制系统中建立二维坐标系，纵轴y为垄长延伸的方向，横轴x的方向为垂直于垄长的方向。

2.将差分全球定位系统21的基准站放置在距离作业地块10km以内的某一位置并且保持不变，利用差分全球定位系统21确定基点O的经纬度，将基点O的经纬度信息传递给主控制系统16进行存储。

3.根据耕作的农艺要求通过信息输入模块20设定耕深的允许范围，在主控制系统21内对其进行存储，在显示模块17上进行显示。

4.开始作业时农机具首先沿着y轴的方向作业，并在到达对面地头之后反向作业，如此往复直至作业结束；在整个作业过程中，主控制系统16根据差分全球定位系统21提供的经纬度信息确定农机具实时经纬度信息并在所述坐标系中绘制机具的行进轨迹图，如图6所示。

系统开始工作时，将用于存储耕深数据的闪存插到系统端口上。将深松铲等耕作部件紧贴地表，使机具处于耕深为0cm的状态，这种状态下轮架4与铅垂线的夹角为θ₀，系统记录下此角度，作为后期确定耕深的基准。然后，当机具下降进行工作时，系统软件进入测量状态，耕作深度H改变时，轮架与铅垂线的夹角θ随着改变，由图5确定的关系可得到耕深H与θ之间的关系：

H＝Lcosθ₀-Lcosθ

主轴8带动与其同轴连接的角度测量装置11转动，将θ的变化转换为角度测量装置11输出的电压信号，此电压信号经A/D转换电路15处理，转换为数字信号，每隔0.5秒主控制系统16读取此数字信号，并通过计算得到实际的耕深，显示模块17显示此耕深数据。

主控制系统16每0.5秒记录一次耕深数据和机具的经纬度数据，将耕深数据和机具的经纬度数据组合后，传输到文件存储系统18并存储。同时，将此耕深数据与步骤3中设定的耕深范围值进行比较，当耕深超出设定的范围时，主控制系统16控制报警系统19进行声光报警，并在农机具行进轨迹图上标识耕深超限区域在作业地块中的位置，图6中黑色块即为耕深异常的区域。

Claims (5)

1.一种农机具耕深实时监测系统由机械部分和电气部分组成，其特征在于：机械部分主要由地轮、地轮轴、螺母、轮架、固定架、带座轴承、扭转弹簧和主轴组成，其中的主轴(8)正中与轮架(4)上端固接，主轴(8)两边分别套有正向扭转弹簧(7)和反向扭转弹簧(9)，主轴(8)两端分别与带座轴承I(6)和带座轴承II(10)过盈配合，带座轴承I(6)和带座轴承II(10)经方颈螺栓与固定架(5)连接；正向扭转弹簧(7)外端与固定架(5)固接，正向扭转弹簧(7)内端与轮架(4)上端一侧固接，反向扭转弹簧(9)外端与固定架(5)固接，反向扭转弹簧(9)内端与轮架(4)上端另一侧固接；地轮轴(2)中部经轴承与地轮(1)活动连接，地轮轴(2)两端分别经螺母I(3)和螺母II(12)与轮架(4)下端固接；电气部分由角度测量装置(11)，A/D转换电路(15)，以微处理器为核心的主控制系统(16)，显示模块(17)，文件存储系统(18)，报警系统(19)，信息输入模块(20)和差分全球定位系统(21)组成，其中的角度测量装置(11)经A/D转换电路(15)与主控制系统(16)输入端连接，信息输入模块(20)、差分全球定位系统(21)分别与主控制系统(16)输入端连接，主控制系统(16)输出端分别与显示模块(17)、文件存储系统(18)和报警系统(19)连接；机械部分的主轴(8)与电气部分的角度测量装置(11)同轴连接。

2.按权利要求1所述的农机具耕深实时监测系统，其特征在于：所述的报警系统(19)由报警器驱动电路和报警器组成，其中报警器采用声光报警器。

3.按权利要求1所述的农机具耕深实时监测系统，其特征在于：所述的文件存储系统(18)的存储介质为闪存设备。

4.按权利要求1所述的农机具耕深实时监测系统，其特征在于：所述的差分全球定位系统(21)包括基准站和流动站，基准站放置在距离作业地块10km以内的任意位置，且作业过程中基准站位置固定不变；流动站安装在拖拉机上，与机组一起移动。

5.一种利用权利要求1所述农机具耕深实时监测系统进行实时监测的方法，其特征在于包括下列步骤：

5.1选定作业地块的作业基点O，以该基点O为原点，在主控制系统(16)中建立二维坐标系，其中：纵轴y为垄长延伸的方向，横轴x为垂直于垄长的方向；

5.2将差分全球定位系统(21)的基准站放置在距离作业地块10km以内的某一位置，并保持不变，利用差分全球定位系统(21)确定基点O的经纬度，将基点O的经纬度信息传递给主控制系统(21)存储；

5.3根据耕作的农艺要求，通过信息输入模块(20)设定耕深的允许范围值，并在主控制系统(21)内存储，在显示模块(17)上显示；

5.4开始作业时农机具首先沿着垄长方向作业，并在到达对面地头之后反向作业，如此往复直至作业结束；在整个作业过程中，主控制系统(16)根据差分全球定位系统(21)提供的经纬度信息，确定农机具实时经纬度信息，并在所述坐标系中绘制机具的行进轨迹图；主控制系统(16)每0.5秒记录一次耕深和机具的经纬度数据，将耕深和机具的经纬度数据组合后，传输到文件存储系统(18)并存储；

5.5将步骤5.4中记录的耕深数据与步骤5.3中设定的耕深允许范围值进行比较，当耕深超出设定的范围时，主控制系统(16)控制报警系统(19)进行声光报警，并在农机具行进轨迹图上标识耕深超限区域在作业地块中的位置，完成实时监测。

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