CN107493703B - 一种深松整地联合作业机作业质量测控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深松整地联合作业机作业质量测控系统，包括旋耕机，旋耕机通过旋耕连接吊耳挂接有深松机，旋耕连接吊耳上固定有第三倾角传感器，旋耕机上固定有图像传感器连接构件，图像传感器连接构件上固定安装有图像传感器，旋耕机上轴接有整地深度调节液压油缸，深松机上固定连接有旋耕机上悬挂连接构件，旋耕机上悬挂连接构件和整地深度调节液压油缸相互轴接，深松机上固定连接有深松连接吊耳，深松连接吊耳上固定连接有第二倾角传感器，深松机上通过单体深松深度调节装置连接有深松铲。本发明能降低深松深度的测量误差、实现深松铲深松深度单独调控和旋耕整地质量的检测与控制。

Description

一种深松整地联合作业机作业质量测控系统及方法
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，尤其是一种深松整地联合作业机作业质量测控系统及方法。
背景技术
深松联合整地作业对于增强土壤透气性，蓄水、保墒能力，改善苗床质量、提高作物产量意义重大。耕作深度和秸秆覆盖率是衡量作业质量的两个重要指标。若深松深度不达标，难以打破犁底层，不能达到深松效果，影响作物的生长发育；整地深度对土壤营养成分、作物根系的发育等有重要的影响；若整地作业后地表表面植被覆盖过多，对播种作业质量要求高，且不利于出芽，影响作物产量。若耕整地作业后地表表面植被覆盖过少，会削弱秸秆的保温保湿作用，影响作物出芽。
本系统的目的是通过测量装置测量耕作深度和植被覆盖率这两项参数,并把相应的参数转换为某种电参考量，由这种电参考量模拟深松整地联合作业机械作业质量的好坏。同时控制优化模块，使其未达标参数达标。由上文可知，参数的测量和未达标参数的控制优化成为本系统设计的两大关键方面：
其一、指标参数的测量。早期耕作深度是人工使用铁棍、卷尺抽查耕作深度，随后各科研单位和个人借助超声探测、受力部件位移传感、机具姿态位置变化测量等不同的原理和方法，实现深松机具耕深质量动态监测，开发了若干种装置。因为超声波有遇到测量介质媒介即返回的特点，容易受土块、碎茬和杂草的影响，故其测量精度存在误差；受力部件位移传感装置触土部件需长期与地面接触，装置相对容易发生故障或损坏，并会因地面的凹凸不平易造成触土部件的震动，无法测量准确的耕深值；机具姿态位置变化是基于测量机架与地面的角度的变化，通过几何关系换算到耕深值，但因深松机架上通常装配多个深松铲，其测量的是一个相对整体的深松值，不能单独测量每个深松铲的深松深度。目前，鲜有自动测量地表植被覆盖质量的方法，在深松整地联合作业机械上的应用，多是通过人工方式测量。人工测量的方式受人为因素和土壤条件的影响，测量精度难以保证。其次，手工测定只能得到有限的离散数据，无法测量植被覆盖质量的连续变化情况，这样就会给数据处理、动态特性方面的研究带来不便。
其二、指标参数的控制优化。针对相应不达标指标参数，少有自动调整优化方式，整地质量的自动检测和控制方法较为少见。其中耕深的控制采用定位调节方式,由倾角传感器间接测量耕深值,作为反馈信号,控制器在比较耕深设定值和反馈值后,通过控制电磁阀,调节拖拉机下拉杆上的液压油缸,从而调节耕作深度。但当地表凹凸不平时，会因深松机整体高度的提高或降低，造成单体深松铲深松作业深度不一，影响耕作质量和消耗功率，甚至导致机体受力不均而出现机架变形。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种深松整地联合作业机作业质量测控系统及方法，能够解决现有技术的不足，具有快速、精确检测，自动调整深松整地的作业效果的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种深松整地联合作业机作业质量测控系统，包括旋耕机，旋耕机通过旋耕连接吊耳挂接深松机，旋耕连接吊耳上固定有第三倾角传感器，旋耕机上固定有图像传感器连接构件，图像传感器连接构件上固定安装有图像传感器，旋耕机上轴接有整地深度调节液压油缸，深松机上固定连接有旋耕机上悬挂连接构件，旋耕机上悬挂连接构件和整地深度调节液压油缸相互轴接，深松机上固定连接有深松连接吊耳，深松连接吊耳上固定连接有第二倾角传感器，深松机上通过单体深松深度调节装置连接有深松铲，单体深松深度调节装置上固定有超声波传感器连接构件，超声波传感器连接构件上固定有超声波传感器，深松连接吊耳通过下拉杆与拖拉机相连，下拉杆上固定有第一倾角传感器；还包括控制器，控制器的输入端分别与第一倾角传感器、第二倾角传感器、第三倾角传感器、超声波传感器和图像传感器通讯连接，控制器的输出端分别与整地深度调节液压油缸和单体深松深度调节装置连接。
作为优选，所述控制器与GPS定位装置和人机交互显示器通讯连接。
一种上述的深松整地联合作业机作业质量测控系统的测控方法，包括以下步骤：
A、标定传感器；
B、控制器根据第一倾角传感器、第二倾角传感器、第三倾角传感器和超声波传感器的检测数据计算实际深松深度值，与深松深度设定值进行比较，然后控制单体深松深度调节装置中液压油缸伸缩，直到实际深松深度值达到深松深度设定值；
C、控制器根据第一倾角传感器、第二倾角传感器、第三倾角传感器和超声波传感器的检测数据计算实际整地深度值，与整地深度设定值进行比较，然后控制整地深度调节液压油缸伸缩，直到实际整地深度值达到整地深度设定值；
D、控制器根据图像传感器采集的图像进行分析计算，计算植被的覆盖比率，当植被的覆盖比率比例大于设定值时，则判定为不能满足其植被覆盖率要求，控制器控制拖拉机的油门，降低拖拉机行进速度，改变旋耕机的切土截距。
作为优选，步骤A中，包括以下步骤，
A1、测量下拉杆的长度H5，并输入控制器；
A2、挂接好农具后，深松机架和旋耕机架横梁处于水平位置，第一倾角传感器、第二倾角传感器、第三倾角传感器角度值为零时，测量得到深松深度最大值H1，整地深度最大值H2，并输入控制器；
A3、测量深松机下悬挂点至旋耕机下悬挂点方向上深松机下悬挂点与距离最近深松铲的之间距离H6和距离最远深松铲的之间的距离H7，并输入控制器；
A4、测量深松机下悬挂点到旋耕机下悬挂点的距离H8，并输入控制器；
A5、测量旋耕机下悬挂点到旋耕机刀轴的轴线侧面投影点的距离H9，并输入控制器。
作为优选，步骤B中，包括以下步骤，
B1、以每个单体铲的超声波装置测量的深度作为测量值，
L＝L1-L2，
其中，L1为超声波传感器探头端面到铲尖的垂直距离，L2为深松作业时超声波传感器探头端面到地面的距离，L为测量值；
B2、以机具姿态装置测量的深度值作为比较值，
H3＝H1-H5×sin a1-H6×sin a2，a2≤0，
H3＝H1-H5×sin a1-H7×sin a2，a2＞0，
其中，H3为实际深松深度数值，a1为下拉杆在深松整地联合作业前后的位置角度差值，a2为深松机下悬挂点与旋耕机下悬挂点的连线在深松整地联合作业前后的位置角度差值；
B3、当ΔH＝|L|-|H3|的差值在0～3cm之间，且测量值小于设定值时，认定测量值有效，转至步骤B6；否则转至步骤B1；
B4、控制单体深松深度调节装置中液压油缸伸缩，直到实际深松深度值达到深松深度设定值。
作为优选，步骤C中，包括以下步骤，
C1、测量深松机下悬挂点到旋耕机下悬挂点的距离H8，
H4＝H2-H5×sin a1-H8×sin a2-H9×sin a3，
其中，a1为下拉杆在深松整地联合作业前后的位置角度差值，a2为深松机下悬挂点与旋耕机下悬挂点的连线在深松整地联合作业前后的位置角度差值，a3为旋耕机下悬挂点与旋耕机刀轴的轴线侧面投影点在深松整地联合作业前后的位置角度差值；
C2、H4为实际整地深度值，当实际整地深度值小于设定值时，控制整地深度调节液压油缸伸缩，直到实际整地深度值达到整地深度设定值。
作为优选，通过图像识别每个行程多个点的数据值,每点按1m×1m面积，按照
Figure GDA0004017080080000051
Figure GDA0004017080080000052
计算全部行程植被覆盖率平均值；
其中，akh为第k个行程中的第h个点的植被覆盖率，ak为第k个行程中的第h个点的植被覆盖的平均值，nkj为第k个行程中测定的个数，q为全部行程植被覆盖率平均值；
当全部行程植被覆盖率平均值大于设定值时，则判定为不能满足其植被覆盖率要求，控制器控制拖拉机的油门，降低拖拉机行进速度，从而改变旋耕机的切土截距。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明从深松深度测量、整地深度测量、整地后地表植被覆盖测量，深松深度调节、整地深度调节、地表植被覆盖质量控制六个方面，发明一种能对深松旋耕作业质量进行检测控制的系统及方法。通过超声波检测和机具姿态测量的方法测量深松深度，并通过液压调整装置控制安装在机架上单体铲的作业深度。通过机具姿态探测的方法测量旋耕机的整地深度，并通过液压调整装置控制整地深度。通过图像检测方法，测量地表表面植被覆盖率过高时，当植被覆盖率不达标时通过改变拖拉机前进速度来调整地表植被的覆盖率。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的结构图。
图2是本发明一个具体实施方式中下拉杆的结构图。
图3是本发明一个具体实施方式中机具处于初始状态的结构原理图。
图4是本发明一个具体实施方式中机具处于深松整地联合作业时的结构原理图。
图5是本发明一个具体实施方式的控制原理图。
图6是本发明一个具体实施方式的测控方法流程图。
具体实施方式
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。
参照图1、图2和图5，本发明一个具体实施方式包括旋耕机1，旋耕机1通过旋耕连接吊耳2挂接有深松机3，旋耕连接吊耳2上固定有第三倾角传感器10，旋耕机1上固定有图像传感器连接构件13，图像传感器连接构件13上固定安装有图像传感器14，旋耕机1上轴接有整地深度调节液压油缸12，深松机3上固定连接有旋耕机上悬挂连接构件11，旋耕机上悬挂连接构件11和整地深度调节液压油缸12相互轴接，深松机3上固定连接有深松连接吊耳4，深松连接吊耳4上固定连接有第二倾角传感器5，深松机3上通过单体深松深度调节装置9连接有深松铲8，单体深松深度调节装置9上固定有超声波传感器连接构件7，超声波传感器连接构件7上固定有超声波传感器6，深松连接吊耳通过下拉杆16与拖拉机17相连，下拉杆16上固定有第一倾角传感器15；还包括控制器18，控制器18的输入端分别与第一倾角传感器15、第二倾角传感器5、第三倾角传感器10、超声波传感器6和图像传感器14通讯连接，控制器18的输出端分别与整地深度调节液压油缸12和单体深松深度调节装置9连接。控制器18与GPS定位装置19和人机交互显示器20通讯连接。
本发明的原理：
沿机组前进方向每隔一定距离测定一点，每个行程左右各测定11个点，下式计算，
Figure GDA0004017080080000061
Figure GDA0004017080080000071
Figure GDA0004017080080000072
Uj＝1-Vj，
式中：
aji为第j个行程中的第i个点的深松(整地)深度，mm；
aj为第j个行程中的深松(整地)深度平均值，mm；
nj为第j个行程中测定点数，个；
Sj为第j个行程的深松(整地)深度标准差，mm；
Vj为第j个行程的深松(整地)深度变异系数，％；
Uj为第j个行程的深松(整地)深度稳定系数，％。
参照图3、图4和图6，本发明的具体技术方案：
因为超声波有遇到测量介质媒介即返回的特点，无法直接测量耕深，所以采用间接法测的耕深。所以先测深松机架与地面的距离，在测得刀具到达最大深度时所在深松机架与地面的距离。超声波传感器通过超声波传感器连接构件安装在深松铲前侧。在深松铲在打破犁底层过程中，因土壤撕裂、挤压和扰动的作用，造成深松铲周围土壤上抬，影响超声波传感器的测量值的准确性，故把超声波传感器放置在深松铲前侧，在深松铲还未到达时，提前测量数值。因超声波测量和机具姿态测量两种方式的缺陷，同时本发明的创新点在于单体深松深度的调节。故本发明把两种测量方式结合，以每个单体铲的超声波装置测量的深度作为测量值，机具姿态装置测量的深度值作为比较值。当ΔH＝|L|-|H3|的差值在0～3cm之间时，则认为测量数据有效。在ΔH满足条件下，当超声波测量的耕深值与设置值不同时，控制系统控制单体深度调节装置中液压油缸的伸缩，直到深松深度达到设置值。
A点为拖拉机上铰接点、B点为拖拉机下悬挂连接销、C点为深松机下悬挂点、D点为深松机上悬挂点、E点为深松机上铰接点、F点为旋耕机下悬挂点、G点为旋耕机上悬挂点、H点为旋耕机刀轴的轴线侧面投影点。其中A、B、E的位置固定，BC的长度H5为拖拉机下拉杆长度，BC长度一旦确定不在变化。可通过改变AD(深松上拉杆)距离和EH(旋耕上拉杆)的长度改变深松(整地)深度(三点悬挂)。第一倾角传感器安装在拖拉机下拉杆BC上，其X正箭头方向指向C(深松机下悬挂点)。第二倾角器安装在深松连接吊耳与地面平行的水平面上，其中X正箭头方向指向F(旋耕机下悬挂点)；第三倾角器安装在旋耕连接吊耳与地面平行的水平面上，其中X正箭头方向指向H(旋耕机刀轴的轴线侧面投影点)。
挂接好农具后，深松机架和旋耕机架横梁处于水平位置，第一、二、三倾角传感器角度值为零时，由此测量得到深松深度最大值H1，整地深度最大值H2。为了保证角度测量值每次测得的深松深度置都为最小(同一个机架上深松深度最小的铲能满足深度要求的话，那所有的铲的耕作深度都能满足设计要求)于是，测量C点(深松机下悬挂点)沿CF方向离最近深松铲的之间水平距离H6和离最远深松铲的之间的水平距离H7；C点(深松机下悬挂点)到F点(旋耕机下悬挂点)的距离H6；因为旋耕机的旋耕刀轴不同于深松机的深松铲(前置或后置)有距离差，故只需测得F点(旋耕机下悬挂点)到H点(旋耕机刀轴的轴线侧面投影点)的距离H5。一旦深松整地联合作业机的设计参数确定。当深松整地联合作业机械挂装好后，其H1、H2、H5、H6、H7、H8和H5的具体数值将不在变化。其实际深松深度数值为H3和整地深度H4。
旋耕的作业是通过刀辊的旋转，刀辊上的刀片向后切削土壤，并将土块向后上方抛到罩壳和托板上，使之进一步破碎。因为旋耕机的旋耕刀轴不同于安装在深松机架上的深松铲(前置或后置)有距离差，故只需测得F点(旋耕机下悬挂点)到H点(旋耕机刀轴的轴线侧面投影点)的距离H8。然后计算出整地深度。若整地深度与设置值不同，控制系统控制整地深度调节液压油缸中液压油缸的伸缩，直到整地深度达到设定值。
对采集的图像进行图像处理获取每个像素点的RGB值。因植被同土壤颜色或其它物体颜色RGB值的不同，根据植被的RGB阈值(在阈值之外认为是土壤或其它)所占的整个图片像素点的百分比，计算出地表表面植被的覆盖率。
在获取图像后，对图像进行一维近似的子带分数阶傅立叶变换，提取特征频率点和干扰噪声频率点，对干扰噪声的频域分量进行奇异值分解，并建立高通滤波器和低通滤波器，将位于特征频率点上的频域分量进行提取组合，进行傅里叶逆变换得到修正后的特征图像，以位于特征频率点上的像素作为微分运算点，求得特征图像的黑塞矩阵。求得h′的黑塞矩阵的特征向量，使用与特征频率点上像素相似度最高的特征向量对原始图像进行修正，然后使用高通滤波器和低通滤波器对修正后的图像进行串联滤波；在对原始图像进行修正后，对修正后图像的特征频率点与修正前图像的特征频率点进行对比，如果偏差超过设定阈值，则对图像进行二次修正。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于深松整地联合作业机作业质量测控系统的测控方法，其特征在于：所述深松整地联合作业机作业质量测控系统包括旋耕机(1)，旋耕机(1)通过旋耕连接吊耳(2)挂接有深松机(3)，旋耕连接吊耳(2)上固定有第三倾角传感器(10)，旋耕机(1)上固定有图像传感器连接构件(13)，图像传感器连接构件(13)上固定安装有图像传感器(14)，旋耕机(1)上轴接有整地深度调节液压油缸(12)，深松机(3)上固定连接有旋耕机上悬挂连接构件(11)，旋耕机上悬挂连接构件(11)和整地深度调节液压油缸(12)相互轴接，深松机(3)上固定连接有深松连接吊耳(4)，深松连接吊耳(4)上固定连接有第二倾角传感器(5)，深松机(3)上通过单体深松深度调节装置(9)连接有深松铲(8)，单体深松深度调节装置(9)上固定有超声波传感器连接构件(7)，超声波传感器连接构件(7)上固定有超声波传感器(6)，深松连接吊耳(4)通过下拉杆(16)与拖拉机(17)相连，下拉杆(16)上固定有第一倾角传感器(15)；还包括控制器(18)，控制器(18)的输入端分别与第一倾角传感器(15)、第二倾角传感器(5)、第三倾角传感器(10)、超声波传感器(6)和图像传感器(14)通讯连接，控制器(18)的输出端分别与整地深度调节液压油缸(12)和单体深松深度调节装置(9)连接；
该方法包括以下步骤：
A、标定传感器；
B、控制器(18)根据第一倾角传感器(15)、第二倾角传感器(5)、第三倾角传感器(10)和超声波传感器(6)的检测数据计算实际深松深度值，与深松深度设定值进行比较，然后控制单体深松深度调节装置(9)中液压油缸伸缩，直到实际深松深度值达到深松深度设定值；
C、控制器(18)根据第一倾角传感器(15)、第二倾角传感器(5)、第三倾角传感器(10)和超声波传感器(6)的检测数据计算实际整地深度值，与整地深度设定值进行比较，然后控制整地深度调节液压油缸(12)伸缩，直到实际整地深度值达到整地深度设定值；
D、控制器(18)根据图像传感器(14)采集的图像进行分析计算，计算植被的覆盖比率，当植被的覆盖比率比例大于设定值时，则判定为不能满足其植被覆盖率要求，控制器(18)控制拖拉机(17)的油门，降低拖拉机(17)行进速度，改变旋耕机的切土截距；
步骤B中，包括以下步骤，
B1、以每个单体铲的超声波装置测量的深度作为测量值,
L＝L1-L2,
其中，L1为超声波传感器探头端面到铲尖的垂直距离，L2为深松作业时超声波传感器探头端面到地面的距离，L为测量值；
B2、以机具姿态装置测量的深度值作为比较值，
H3＝H1·H5×sin a1·H6×sin a2，a2≤0，
H3＝H1·H5×sin a1·H7×sin a2，a2＞0，
其中，H3为实际深松深度数值，a1为下拉杆(16)在深松整地联合作业前后的位置角度差值，a2为深松机下悬挂点与旋耕机下悬挂点的连线在深松整地联合作业前后的位置角度差值；
B3、当ΔH＝|L|-|H3|的差值在0～3cm之间，且测量值小于设定值时，认定测量值有效，转至步骤B6；否则转至步骤B1；
B4、控制单体深松深度调节装置(9)中液压油缸伸缩，直到实际深松深度值达到深松深度设定值。
2.根据权利要求1所述的基于深松整地联合作业机作业质量测控系统的测控方法，其特征在于：所述控制器(18)与GPS定位装置(19)和人机交互显示器(20)通讯连接。
3.根据权利要求1所述的基于深松整地联合作业机作业质量测控系统的测控方法，步骤A中，包括以下步骤，
A1、测量下拉杆(16)的长度H5，并输入控制器(18)；
A2、挂接好农具后，深松机架和旋耕机架横梁处于水平位置，第一倾角传感器(15)、第二倾角传感器(5)、第三倾角传感器(10)角度值为零时，测量得到深松深度最大值H1，整地深度最大值H2，并输入控制器(18)；
A3、测量深松机下悬挂点至旋耕机下悬挂点方向上深松机下悬挂点与距离最近深松铲的之间水平距离H6和距离最远深松铲的之间的水平距离H7，并输入控制器(18)；
A4、测量深松机下悬挂点到旋耕机下悬挂点的距离H8，并输入控制器(18)；
A5、测量旋耕机下悬挂点到旋耕机刀轴的轴线侧面投影点的距离H9，并输入控制器(18)。
4.根据权利要求1所述的基于深松整地联合作业机作业质量测控系统的测控方法，其特征在于：步骤C中，包括以下步骤，
C1、测量深松机下悬挂点到旋耕机下悬挂点的距离H8，
H4＝H2-H5×sin a1-H8×sin a2-H9×sin a3，
其中，a1为下拉杆(16)在深松整地联合作业前后的位置角度差值，a2为深松机下悬挂点与旋耕机下悬挂点的连线在深松整地联合作业前后的位置角度差值，a3为旋耕机下悬挂点与旋耕机刀轴的轴线侧面投影点在深松整地联合作业前后的位置角度差值；
C2、H4为实际整地深度值，当实际整地深度值小于设定值时，控制整地深度调节液压油缸(12)伸缩，直到实际整地深度值达到整地深度设定值。
5.根据权利要求1所述的基于深松整地联合作业机作业质量测控系统的测控方法，其特征在于：步骤D中，包括以下步骤，
通过图像识别每个行程多个点的数据值,每点按1m×1m面积，按照
Figure FDA0004017080070000041
Figure FDA0004017080070000042
计算全部行程植被覆盖率平均值；
其中，akh为第k个行程中的第h个点的植被覆盖率，ak为第k个行程中的第h个点的植被覆盖的平均值，nkj为第k个行程中测定的个数，q为全部行程植被覆盖率平均值；
当全部行程植被覆盖率平均值大于设定值时，则判定为不能满足其植被覆盖率要求，控制器(18)控制拖拉机(17)的油门，降低拖拉机(17)行进速度，从而改变旋耕机的切土截距。
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