CN108061521A

CN108061521A - 一种自动测量树木直径生长量的装置及系统

Info

Publication number: CN108061521A
Application number: CN201711386297.XA
Authority: CN
Inventors: 龙时胜; 肖化顺
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-05-22

Abstract

本发明公开了一种自动测量树木直径生长量的装置及系统，自动测量树木直径生长量的装置包括抱箍式固定机构和读数机构；抱箍式固定机构包括第一弧形部件(1)、第二弧形部件(2)和伸缩筋(4)；测量树木直径时，第一弧形部件和第二弧形部件与2根伸缩筋组成的封闭环状机构将待测的树木环绕并抱紧；抱箍式固定机构还包括2个连杆，即第一连杆和第二连杆；第一弧形部件和第二弧形部件上分别连接有所述的第一连杆(5)和第二连杆(6)；测量直径时，保持第一连杆与第二连杆平行，通过读数机构读取第一连杆和第二连杆之间的距离，并进一步计算出待测树木的直径。本发明结构紧凑，易于实施，能实现直径及生长量的自动连续测量。

Description

一种自动测量树木直径生长量的装置及系统

技术领域

本发明涉及一种自动测量树木直径生长量的装置及系统。

背景技术

立木直径，特别是胸高直径，简称胸径(diameter at breast height)，是森林计测工作中的重要基本测树因子，直接关系到森林生长量、森林蓄积量、森林生产力、森林质量的估测。

目前，测定直径的常用工具有轮尺、围尺、激光测径仪；

(1)轮尺：又称卡尺，有木制和铝制。可分为固定脚、滑动脚和尺身。测径时，尺身与两脚同时与所测树木断面接触、读数。

其缺点是：滑动脚与尺身接触过紧，不好滑动，过松则导致经常与固定脚不平行，量不准，且受湿度、晴雨天影响大，不便携带(滑动脚容易掉落)。

(2)直径卷尺：又称围尺，有布围尺、钢围尺与篾围尺。围尺一面的上下刻划圆周长、圆周长相对应的直径读数。测量时，围尺要拉紧绕树干一周，双手不可避免地与树干接触，如果施力有限，则难以拉紧；树木旁有沟、坑，树干上有蜂巢、刺(杉木、刺楸)或过敏性树种(漆树)，就不方便测定，树干测定部位如有凹陷，则尺子不能围紧树干，精度不高。

(3)CCD测径仪和激光扫描测径仪，利用光学几何原理。

将线阵CCD置于平行光路，被测物放于CCD前方光路中，射向CCD的光就被物体挡住一部分，因此CCD输出的信号就有一个凹口，通过凹口的宽度与物体的尺寸的对应关系得到被测对象直径，但大尺寸的CCD特别昂贵。

激光扫描测量：高速扫描置于测量区域的物件，投射到光电接收器上的光线在光束扫描物件时被遮断，通过分析光电接受器输出的信号，可获得与物件直径有关系的数据。

这两种光学产品，结构复杂、成本高、测定直径范围受限，对测定对象的操作环境要求高，携带、测定不方便。不适合大范围的林区、山地、野外复杂多变的森林环境应用推广。

另外，现有的树木直径测量装置无法实现连续的测量。

因此，有必要设计一种新的直径测量装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自动测量树木直径生长量的装置及系统，该自动测量树木直径生长量的装置及系统易于实施，测量方便。

发明的技术解决方案如下：

一种自动测量树木直径生长量的装置，包括抱箍式固定机构和读数机构；

抱箍式固定机构包括第一弧形部件(1)、第二弧形部件(2)和伸缩筋(4)；

所述的第一弧形部件和第二弧形部件上均设有用于挂伸缩筋的挂钩(3)；测量树木直径时，通过1根伸缩筋将第一弧形部件的第一端与第二弧形部件的第一端相连；通过另一根伸缩筋将第一弧形部件的第二端与第二弧形部件的第二端相连；第一弧形部件和第二弧形部件与2根伸缩筋组成的封闭环状机构将待测的树木环绕并抱紧；

抱箍式固定机构还包括2个连杆，即第一连杆和第二连杆；第一弧形部件和第二弧形部件上分别连接有所述的第一连杆(5)和第二连杆(6)；

测量直径时，保持第一连杆与第二连杆平行，通过读数机构读取第一连杆和第二连杆之间的距离，并进一步计算出待测树木的直径。

所述的读数机构为直尺、皮尺或卷尺。

第一弧形部件和第二弧形部件均有不同尺寸规格的多组。根据不同直径的测量对象，使用不同规格的弧形部件，如分为大中小3个型号。

伸缩筋为长度不同的多组。根据不同直径的测量对象，使用不同规格的伸缩筋，如分为大中小3个型号。

直径D＝L-2*C；其中L为2个连杆之间的距离，C为固定长度(具体包括弧形部件的厚度，以及弧形部件与连杆之间的连接部件的长度)；

读数机构为电子读数机构；读数机构包括带凹槽(13)的滑轨(10)、位移传感装置以及处理器；位移传感装置的输出信号与处理器相连；滑轨中设有与第一连杆相连的活动端，第二连杆与滑轨固定连接；活动端设置在凹槽中，能沿滑轨滑动。

位移传感装置有多种类型，如磁感应式位移传感器。具体可以采用公开号为104534974A的传感器，名称：一种大量程电感调频式位移测量装置及方法，申请号：201510043676.3。

位移传感装置为设置在一个连杆上的滑轮(7)；滑轮上设有拉绳(9)；拉绳的外端部设置在另一连杆上，拉绳与滑轨平行，滑轮的转轴上装有与滑轮随动的码盘。作为优选，滑轮上设有扭簧，以保持拉绳的一定的张力，从而提高测量的准确度。

读数机构上设有显示屏和无线通信模块中的至少一种；显示屏与处理器相连，无线通信模块与处理器相连；无线通信模块用于将测量数据发送到现场的数据处理中心或远程的数据处理平台，显示屏用于显示最终的直径值。无线通信模块优选GPRS、3G、4G或5G通信模块。

读数机构上设有与处理器相连的定位模块。定位模块为GPS定位模块或北斗定位模块。

一种连续测量树木直径的系统，包括远程数据收集平台和多个直径检测终端，直径检测终端为前述的自动测量树木直径生长量的装置；多个直径检测终端与远程数据收集平台无线通信连接。

电子读数机构上设有锂电池，锂电池为MCU供电。另外，光伏模组通过充电电路与锂电池相连，使用太阳能为电池充电，可以保障电子装置持续稳定工作。

一种连续测量树木直径的方法，包括以下步骤:

步骤1：在待测的树木上安装抱箍式固定机构；

步骤2：通过读数机构读取测量数据，并换算出直径；

所述的读数机构为直尺。

所述的读数机构为电子式读数机构。

采用基于拉绳和滑轮的测量机构，测量原理为，直径增大时，拉绳会拉动滑轮旋转，滑轮上的码盘在旋转过程中会发出脉冲给处理器(MCU)，MCU对脉冲计数即可检测出位移的增量，脉冲数换算成长度即可实现位移的测量。

远程数据收集平台为服务器，或智能手机。现场还可以进一步设置现场数据传输平台，现场数据平台通过有线或无线与远程平台通信，多个直径检测终端与现场数据传输平台通过无线通信连接，如WiFi，蓝牙，ZigBee等。

传输的数据可以包括直径数据和位置数据；

有益效果：

本发明的自动测量树木直径生长量的装置及系统，具有以下特点：

(1)本发明设计了新的抱箍式的固定机构，稳定性好，而且2个弧形部件是通过柔性的伸缩筋连接的，能实现连续的直径测量。

(2)2个连杆平行布置，其中一个连杆能沿着滑轨滑动，这样能从原理上保证测出的数据准确。

(3)采用2种位移测量机构实现位移测量，其中，基于拉绳-滑轮-码盘的测量机构精度更高，是为优选方案。

(4)能实现全自动的测量，无需人员干预，而且数据能远程传输。能极大地提高测量效率和精度(原有的测量需要人工跑到现场进行测量，效率低，测量环境艰苦)，以及保障数据的一致性(因为人工测量时，不同的人测量有不同的结果和精度)。

(5)采用太阳能供电，无需格外配置电源，另外，采用恒流充电电路，能保障较高的充电效率，且有利于维持锂电池的长期稳定工作。

综上所述，本发明的自动测量树木直径生长量的装置及系统，结构巧妙，易于实施，测量精确度高，适合推广应用。

附图说明

图1为自动测量树木直径生长量的装置的总体结构示意图；

图2为导轨的结构示意图；

图3为电原理框图；

图4为长度测量示意图；

图5为长度测量电路原理图。

图6为恒流充电电路的原理图。

图7为具体应用场景时的原理图。

标号说明：1-第一弧形部件，2-第二弧形部件，3-挂钩，4-伸缩筋，5-第一连杆，6-第二连杆，7-滑轮，8-拉绳固定件，9-拉绳，10-滑轨，11-固定端，12-活动端，13-凹槽。20-电阻式位移传感器，21-电阻，22-导电刺，23-导电片。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1-3,一种自动测量树木直径生长量的装置，包括抱箍式固定机构和读数机构；

抱箍式固定机构包括第一弧形部件1、第二弧形部件2和伸缩筋4；

所述的第一弧形部件和第二弧形部件上均设有用于挂伸缩筋的挂钩3；测量树木直径时，通过1根伸缩筋将第一弧形部件的第一端与第二弧形部件的第一端相连；通过另一根伸缩筋将第一弧形部件的第二端与第二弧形部件的第二端相连；第一弧形部件和第二弧形部件与2根伸缩筋组成的封闭环状机构将待测的树木环绕并抱紧；

抱箍式固定机构还包括2个连杆，即第一连杆和第二连杆；第一弧形部件和第二弧形部件上分别连接有所述的第一连杆5)和第二连杆6；

所述的读数机构为直尺、皮尺或卷尺。

读数机构为电子读数机构；读数机构包括带凹槽13的滑轨10、位移传感装置以及处理器；位移传感装置的输出信号与处理器相连；滑轨中设有与第一连杆相连的活动端，第二连杆与滑轨固定连接；活动端设置在凹槽中，能沿滑轨滑动。

位移传感装置为现有成熟技术，如磁感应式位移传感器。具体可以采用公开号为104534974A的传感器，名称：一种大量程电感调频式位移测量装置及方法，申请号：201510043676.3。

位移传感装置为设置在一个连杆上的滑轮7；滑轮上设有拉绳9；拉绳的外端部设置在另一连杆上，拉绳与滑轨平行，滑轮的转轴上装有与滑轮随动的码盘。作为优选，滑轮上设有扭簧，以保持拉绳的一定的张力，从而提高测量的准确度。

实施例2：

另一种测量位移的装置如下：即可以代替滑轮和拉线。

如图3-5，长度(位移)测量电路安装在导轨的凹槽中，长度(位移)测量电路包括恒流源、电阻串和电压检测电路；恒流源为电阻串供电；电压检测电路用于检测实际有效的电阻上的总压降U；

则长度L＝n*△k＝U*△k/(R0*I0)；

其中，n为实际有效的电阻个数；△k为相邻导电刺之间的距离；R0为单个电阻的电阻值；I0为恒流源的供电电流；

电阻式位移传感器上设有多个串联的阻值相同的电阻21，相邻的电阻的连接点设有一个导电刺22，导电刺等间距设置；电阻式位移传感器上设有条形的接地的导电片23。

工作原理说明，一旦某一点与被测物接触，在压力在作用下，与该点最近的导电刺与导电片相连，则实际接入电路中的电阻的个数n与接触点到铰接点A的距离L则有一个对应关系，L＝n*△k，n又可以通过伏安定律计算出来，即n＝U/(R0*I0)，具体运算过程在MCU中完成。

△k为2～20mm。优选5mm或10mm。

MCU还连接有通信模块和定位模块。定位模块为北斗或GPS模块，通信模块为GPRS,3G,4G,或5G通信模块。

另外，采用光伏组件通过恒流充电电路为锂电池充电，锂电池为MCU供电。如图6-7，恒流充电电路包括恒压驱动芯片和电流反馈电路；

(1)恒压驱动芯片的电压输出端为恒流充电电路的正输出端VOUT+；恒压驱动芯片的负输出端接地；

恒压驱动芯片由直流电压供电端VIN+和VIN-供电；

(2)所述的电流反馈电路包括电阻R1、R2和R5和参考电压端VREF+；

参考电压端VREF+通过依次串联的电阻R1、R2和R5接地；

电阻R5与R2的连接点为恒流充电电路的负输出端VOUT-；

电阻R1与R2的连接点接恒压驱动芯片的反馈端FB。

图6为原理图，各元件或标号说明：

VIN+ -----输入电源正极。

VIN- -----输入电源负极。

VOUT+ -----输出电源正极。

VOUT- ----输出电源负极。

VREF+ -----参考电源的正极

C1为输入滤波电容。

C2为输出滤波电容。

C3为电流采样反馈滤波。

R1，R2，R5，C3组成电流采样反馈线路。

R3，R4，为电压采样反馈电路。

D1为隔离二级管。

工作原理说明：

采用稳定参考电源作为基准电压，采用R1，R2，R5分压得到与FB相等的电压，从而通过FB去调整DCDC IC的内部PWM而控制输出电流的大小。例如，当输出电流变大，在取样电阻R5上的电压就会升高，由于VRFE+是固定的值，从而是FB电压变大，FB变大，占空比就会减少，从而是输出电流减少，而完成一个完整的反馈，达到稳定电流输出的目的。

恒流计算：

设R5上流过电流产生的电压为VIo,输出电流为Io

参考电压为VREF+＝2.5V，

FB电压为VFB＝0.6V，

R5＝0.1Ω，R1＝40KΩ，R2＝10KΩ

则：

VIo＝Io*R5

VFB＝VIo+((VREF+-VIo)*R2/(R1+R2))

计算得：

Io＝(VFB*(R1+R2)-R2*VREF+)/R1*R5

如果取K＝(VFB*(R1+R2)-R2*VREF+)/R1则等式

Io＝K/R5

从计算公式看,Io输出电流与输出电压和输入电压没有任何关系，只与VFB.R1,R2,VREF有关，而这些参数在具体的设计中，它们都是固定的(VFB在稳态时是固定的，对于芯片fp7192恒压芯片，其稳态值为0.6v)，所以K必然为一个固定的值，所以算式：

Io＝K/R5具有极好的线性度，及具有优良的可控性。

把上面的参数赋予上面设定的具体值可得：

Io＝(VFB*(R1+R2)-R2*VREF+)/R1*R5

＝(0.6*(40+10)-10*2.5)/40*0.1

＝1.25A

恒压芯片。成本约0.8元

从以上的等式中可以看到，此方案引入固定的VREF+，从而使Io变成一个只与R5取样电阻成线性关系的等式，使Io变成恒定，从而达到恒流的目的。

本方案参考电压恒流法的特点如下：

1.使用稳定固定VREF+电压，便于精度的控制和稳定性控制。

2.使用将电流采样变成电阻分压反馈，更简单可靠。

3.适用性广，任何需要恒流的线路都可以使用。

4.成本大幅降低，例如使用IC恒流方案做12V/1A输出要3元以上,而使用本方案在1元以内。

所述的恒压驱动芯片采用ZTP7192器件。也可以是市场上其他的恒压驱动芯片。如MP1495,MP1593,RT8296,MC34063,FP5138…………。

为防止测量装置倾斜，可以设置必要的支撑机构(如支架等)。光伏组件可以安装在地面上，防止测量装置过重。

Claims

1.一种自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，包括抱箍式固定机构和读数机构；

2.根据权利要求1所述的自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，所述的读数机构为直尺、皮尺或卷尺。

3.根据权利要求1所述的自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，第一弧形部件和第二弧形部件均有不同尺寸规格的多组。

4.根据权利要求1所述的自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，伸缩筋为长度不同的多组。

5.根据权利要求1所述的自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，直径D＝L-2*C；其中L为2个连杆之间的距离，C为固定长度。

6.根据权利要求1所述的自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，读数机构为电子读数机构；读数机构包括带凹槽(13)的滑轨(10)、位移传感装置以及处理器；位移传感装置的输出信号与处理器相连；滑轨中设有与第一连杆相连的活动端，第二连杆与滑轨固定连接；活动端设置在凹槽中，能沿滑轨滑动。

7.根据权利要求6所述的自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，位移传感装置为设置在一个连杆上的滑轮(7)；滑轮上设有拉绳(9)；拉绳的外端部设置在另一连杆上，拉绳与滑轨平行，滑轮的转轴上装有与滑轮随动的码盘。

8.根据权利要求6所述的自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，读数机构上设有显示屏和无线通信模块中的至少一种；显示屏与处理器相连，无线通信模块与处理器相连；无线通信模块用于将测量数据发送到现场的数据处理中心或远程的数据处理平台，显示屏用于显示最终的直径值。

9.根据权利要求6所述的自动测量树木直径生长量的装置，其特征在于，读数机构上设有与处理器相连的定位模块。

10.一种连续测量树木直径的系统，其特征在于，包括远程数据收集平台和多个直径检测终端，直径检测终端为权利要求6-9任一项所述的自动测量树木直径生长量的装置；多个直径检测终端与远程数据收集平台无线通信连接。