CN108132040A - 一种拖拉机耕地面积自动测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种拖拉机耕地面积自动测量装置及测量方法，包括：电源管理模块、定位模块、微处理器模块、人机交互模块以及数据存储模块；其中电源管理模块分别与定位模块、微处理器模块、人机交互模块以及数据存储模块单向连接，定位模块与微处理器模块单向连接，微处理器模块分别与人机交互模块以及数据存储模块双向相互连接。上述拖拉机耕地面积自动测量装置结构紧凑、操作方便、测量精度高。所采用的测量方法，可实现应用尽量少的设施，完成对耕地面积的实时精准测量，最大限度的降低了生产制造成本，降低了操作人员的劳动强度，为精准测量拖拉机在农田作业时的作业面积，以评价拖拉机的作业效率提供了可靠的保证。

Description

一种拖拉机耕地面积自动测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，涉及一种拖拉机耕地面积自动测量装置及测量方法。

背景技术

随着农业机械化进程的快速发展，拖拉机已经广泛地应用于农田耕种作业。有效地提高了耕种效率并降低了农机手的劳动强度，然而，如何能够对拖拉机的耕种面积进行实时精准测量成为农民朋友和农机手共同关心的问题。

当前市场上的耕地面积测量装置普遍存在以下问题：测量精确度低、数据处理实时性较差，难以满足实际应用需求。

通过在中国知网（CNKI）全文数据库中输入关键字“测亩仪”、“计亩器”等字样进行检索，共检索出文献14篇。其中文献《一种智能计亩器的设计与实现》（来源：2008年10月，硕士学位论文，青岛科技大学；）与本专利内容较为相近。该文献提到的智能计亩器的应用对象为收获机，其通过在割台两侧加装超声波传感器实现对收割宽度的实时测量；通过在收获机的轮轴上加装接近开关，检测轮轴转过的圈数，最后将轮轴圈数和轮轴周长相乘，求得收获机的运行速度。在面积计算方面提供了三种方法：长宽法、丈量法和自适应动态垄宽测量法，其中长宽法和丈量法采用基本的长乘宽求面积的算法，因此适用于规则地块，对于不满幅或非规则地块，其测量误差较大；自适应动态垄宽测量法采用了较为复杂的积分算法，因此可适用于不满幅或非规则地块，对于满幅或规则地块，由于该测量方法的运算量较大，测量精准度反而下降。

国家知识产权局2017年6月13日授权的发明专利：“一种高精度实时计亩仪算法”专利号：201410339556.3与本专利申请较为相近。该专利提到，通过GPS模块定时采集收获机的经度、纬度以及运行速度等数据，根据一定条件对采集到的经纬度数据进行筛选，将筛选到的符合条件的经纬度点存储起来，求取上一个符合条件的经纬点与该经纬度点间的球面距离，之后用该距离乘以车身宽度即得到收获机从上一个符合条件的经纬度点到该经纬度点所覆盖的有效面积值。将每次计算得到的有效面积值进行实时累加，直到收获机停止作业，最终得到收获机的总作业面积值。该专利中提到的一定条件是指：当前经纬度点对应的速度为TempV，时间为TempT，当前经纬度点TempP与上一个符合条件的经纬度点P1间的球面距离小于或等于收获机从P1点行驶到TempP点之间的平均车速（V1+TempV)×(TempT-T)/2)乘以其行驶时间所得的行驶距离，该专利中的算法对于全部是满幅垄宽的地块，测算精准，对于存在不满幅垄宽的地块，测算误差较大。

上述测量装置或算法主要应用对象为收获机，在面积测量过程中，造成测量误差的主要因素是幅宽及地块的不规则性。在对拖拉机耕地面积进行测量的过程中，除面临以上问题外，还存在拖拉机所挂载犁具宽度值不固定、耕地过程中容易发生重叠耕种等问题。本发明旨在提供一种可对拖拉机耕地面积进行实时精准测量的装置及方法，可有效解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、操作方便、测量精度高的可对拖拉机耕地面积进行实时精确自动测量的装置。

本发明采用以下技术方案达到上述目的，一种拖拉机耕地面积自动测量装置，包括：电源管理模块、定位模块、微处理器模块、人机交互模块以及数据存储模块；其中电源管理模块分别与定位模块、微处理器模块、人机交互模块以及数据存储模块单向连接，定位模块与微处理器模块单向连接，微处理器模块分别与人机交互模块以及数据存储模块双向相互连接。

电源管理模块包括：车载电瓶、DC/DC、电压转换模块以及LDO电压转换模块8；其中车载电瓶与DC/DC电压转换模块相连接，DC/DC电压转换模块与LDO电压转换模块相连接。

微处理器模块包括：SPI信号电平转换模块、主控制器和RS232信号电平转换模块；其中SPI信号电平转换模块与主控制器双向相互连接；RS232信号电平转换模块与主控制器单向连接。

人机交互模块包括：机具宽度输入框、每亩单价输入框、开始按钮、暂停按钮、继续按钮、停止按钮、耕地总面积显示框以及耕地总价显示框；其中机具宽度输入框负责接收农机手输入的机具宽度值；每亩单价输入框负责接收农机手输入的每亩单价值；耕地总面积显示框负责显示拖拉机已完成的耕地面积；耕地总价显示框负责显示当前的耕地面积对应的总价值。

拖拉机耕地面积自动测量装置的测量方法如下：

【1】在人机交互模块中的机具宽度输入框以及每亩单价输入框中输入当前拖拉机挂载的犁具宽度以及每亩单价，并点击开始按钮；

【2】人机交互模块对输入的犁具宽度以及每亩单价进行分析：如果二者中的任何一个为无效数据，清空机具宽度输入框以及每亩单价输入框中的数据，并弹出“输入数据无效！”的对话框，提醒本次操作无效；如果输入的数据有效，则通过SPI总线将数据发送给微处理器模块；

【3】微处理器模块接收到人机交互模块发送来的数据后，通过并口总线将数据存储到数据存储模块中；通过RS232总线实时接收定位模块发送来的拖拉机当前的经度数据、纬度数据、速度数据及速度方向数据，并通过并口总线将这些数据存储到数据存储模块中；同时微处理器模块根据犁具宽度值及速度值每隔1秒计算一次拖拉机的实时耕地面积值；将每一次的实时耕地面积值累加起来，即得到目前拖拉机的耕地总面积值；将耕地总面值与每亩单价做乘法运算，可得到当前拖拉机的耕地总价；

【4】在得到当前的耕地总面积值及耕地总价后，微处理器模块3通过SPI总线将这些数据实时发送给人机交互模块；耕地总面积值在人机交互模块上的耕地总面积显示框中进行显示，将耕地总价值在耕地总价显示框中进行显示；

【5】拖拉机耕地过程中遇到地头转向的情况，可点击人机交互模块上的暂停按钮，人机交互模块实时采集这一信号，并将该暂停信号发送给微处理器模块，微处理器模块接收到暂停信号后，暂停计算实时耕地面积值、当前耕地总面积及耕地总价；在地头转向动作完成后，可点击人机交互模块上的继续按钮，人机交互模块实时采集这一信号，并该继续信号发送给微处理器模块，微处理器模块立刻启动对实时耕地总面积、当前耕地总面积及耕地总价值的计算；

【6】拖拉机耕地结束后，可点击人机交互模块上的停止按钮，人机交互模块实时将结束信息发送给微处理器模块，微处理器模块停止对当前耕地总面积及耕地总价值的计算；

【7】拖拉机耕地结束后，微处理器模块通过并口总线从数据存储模块中依次读取本次耕地过程中拖拉机的全部经纬度数据并根据高斯投影转换，应用投影转公式对经纬度数据进行处理，将处理后的数据依据速度运行方向进行分组：每两个经纬度数据所对应的速度运行方向差值小于90°的归为一组，将分组后的数据以组为单位依次存入数据存储模块中；

【8】微处理器模块从数据存储模块中提取相邻的两组数据，以两组数据中数据个数较多的组为基准，计算该基准数据组中每个经纬度数据点与周围最近的3个经纬度数据点所组成的四边形面积值，用该值作为该经纬度数据点所对应的面积值；对于基准数据组中多出来的经纬度数据点，以其与本基准数据组中相邻的经纬度数据点间距离作为长度，用该长度乘以犁具宽度所得的值作为该经纬度数据点对应的面积值；将基准数据组中所有经纬度数据点对应的面积值进行求和，即该相邻数据组所对应的面积值；依次类推，计算所有相邻数据组所对应的面积值，并将所得的全部面积值进行求和，即为本次拖拉机所耕地块的面积值；

【9】将该面积值与前面所求得的当前耕地总面积值进行比较：如果该面积值小于当前耕地总面积值，则以该面积值作为本次拖拉机的实际耕地总面积值；如果该面积值大于当前耕地总面积值，则以当前耕地总面积值作为本次拖拉机的实际耕地总面积值；根据实际耕地总面积值及每亩单价即可获得实际耕地总价值；在获得实际耕地总面积值及实际耕地总价值后，微处理器模块立即将其发送至人机交互模块进行显示。

本发明采用上述技术方案后可达到如下积极效果：上述拖拉机耕地面积自动测量装置及所采用的测量方法，可实现应用尽量少的设施，完成对耕地面积的实时精准测量，最大限度的降低了生产制造成本，降低了操作人员的劳动强度，为精准测量拖拉机在农田作业时的作业面积，以评价拖拉机的作业效率提供了可靠的保证。

附图说明

图1为本发明一种拖拉机耕地面积自动测量装置的主体结构示意图；

图2为本发明一种拖拉机耕地面积自动测量装置的电源管理模块结构示意图；

图3为本发明一种拖拉机耕地面积自动测量装置的微处理器模块结构示意图；

图4为本发明一种拖拉机耕地面积自动测量装置的人机交互模块操作界面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。如图1所示，一种拖拉机耕地面积自动测量装置，包括：电源管理模块1、定位模块2、微处理器模块3、人机交互模块4以及数据存储模块5；其中电源管理模块1分别与定位模块2、微处理器模块3、人机交互模块4以及数据存储模块5单向连接，定位模块2与微处理器模块3单向连接，微处理器模块3分别与人机交互模块4以及数据存储模块5双向相互连接。

如图2所示，电源管理模块1内部包括：车载电瓶6、DC/DC电压转换模块7以及LDO电压转换模块8；其中车载电瓶6与DC/DC电压转换模块7相连接，DC/DC电压转换模块7与LDO电压转换模块8相连接。

如图3所示，微处理器模块3内部包括：SPI信号电平转换模块9、主控制器10和RS232信号电平转换模块11；其中SPI信号电平转换模块9与主控制器10双向相互连接；RS232信号电平转换模块11与主控制器10单向连接。

如图4所示，人机交互模块4的操作界面包括：机具宽度输入框A、每亩单价输入框B、开始按钮C、暂停按钮D、继续按钮E、停止按钮F、耕地总面积显示框G以及耕地总价显示框H；其中机具宽度输入框A负责实时接收耕具宽度值的输入；每亩单价输入框B负责实时接收每亩单价值的输入；耕地总面积显示框G负责显示拖拉机已完成的耕地面积；耕地总价显示框H负责显示当前的耕地面积对应的总价。

如图1所示，电源管理模块1将来自车载电瓶6的+12V电源转换为+5V电源，供微处理器模块3及数据存储模块5使用；同时将+5V电源转换为+3.3V电源，供定位模块2及人机交互模块4使用。定位模块2通过卫星天线实时获取经纬度以及拖拉机运行速度等卫星信号，并对这些信号进行放大、滤波等处理，最后通过RS232接口以字符方式将位置信息等数据传送给微处理器模块3；人机交互模块4实时接收农机手输入的机具宽度及每亩单价数据并通过SPI总线发送给微处理器模块3，相应的微处理器模块3将计算出的实时耕地总面积及总价等数据通过SPI总线传输给人机交互模块4进行显示；数据存储模块5通过并口总线实时接收微处理器模块3传送来的经纬度等位置数据并按照时间先后顺序依次存储到数据存储模块5的存储单元中，相应的微处理器模块3可通过并口总线随时从数据存储模块5中读取经纬度等位置数据进行分析处理。

如图2所示，在电源管理模块1内部，采用转换效率在85%以上的DC/DC电压转换模块7将来自车载电瓶6的+12V电源转换为+5V电源，降低电压转换电路本身对车载电瓶6的电能消耗；采用输出电压稳定，纹波干扰微小的LDO电压转换模块8将DC/DC电压转换模块7输出的+5V电源进一步转换为+3.3V电源，供后续电路模块使用。

如图3所示，微处理器模块3的工作电压为+5V，与其进行交互的RS232信号电平或SPI信号电平应为+5V，而定位模块2及人机交互模块4的工作电压为+3.3V，与它们进行交互的RS232信号电平及SPI信号电平应为+3.3V。为实现微处理器模块3与定位模块2及人机交互模块4之间的数据通信。在微处理器模块3内部通过SPI信号电平转换模块9将来自人机交互模块4的电平值为+3.3V的信号转换为+5V信号发送给主控制器10，将主控制器10发出的电平值为+5V的信号转换为+3.3V信号发送给人机交互模块4；通过RS232信号电平转换模块11将来自定位模块2的电平值为+3.3V信号转换为+5V信号发送给主控制器模块10。

其中SPI信号电平转换模块9以及RS232信号电平转换模块11可实现1.65V至5.5V范围内任意信号电平的相互转换，同时这两个模块在进行信号转换过程中，高低电平的转换时间仅为2.3纳秒，可有效满足SPI总线信号及RS232总线信号的电平转换速率的要求。

如图4所示，拖拉机耕地面积自动测量装置的测量方法：

【1】在人机交互模块4的机具宽度输入框A以及每亩单价输入框B中输入当前拖拉机挂载的犁具宽度以及每亩单价，并点击开始按钮C。

【2】人机交互模块4对输入的犁具宽度以及每亩单价进行分析：如果二者中的任何一个为无效数据，例如：负数等，则立即清空机具宽度输入框A以及每亩单价输入框B中的数据，并弹出“输入数据无效！”的对话框，提醒本次操作无效；如果输入的数据有效，则通过SPI总线将数据发送给微处理器模块3。

【3】微处理器模块3接收到人机交互模块4发送来的数据后，通过并口总线将数据存储到数据存储模块5中；通过RS232总线实时接收定位模块2发送来的拖拉机当前的经度数据、纬度数据、速度数据及速度方向数据并通过并口总线将这些数据存储到数据存储模块5中；同时微处理器模块3根据犁具宽度值及速度值每隔1秒计算一次拖拉机的实时耕地面积值（实时耕地面积值=犁具宽度×速度值）；将每一次的实时耕地面积值累加起来，即得到目前拖拉机的耕地总面积值；将耕地总面值与每亩单价做乘法运算，可得到当前拖拉机的耕地总价。

【4】在得到当前的耕地总面积值及耕地总价后，微处理器模块3通过SPI总线将这些数据实时发送给人机交互模块4；人机交互模块4将耕地总面积值在其上的耕地总面积显示框G中进行显示，将耕地总价值在耕地总价显示框H中进行显示。

【5】拖拉机耕地过程中遇到地头转向的情况，可点击人机交互模块4 上的暂停按钮D，人机交互模块4实时采集这一信号，并将该暂停信号发送给微处理器模块3，微处理器模块3接收到暂停信号后，暂停计算实时耕地面积值、当前耕地总面积及耕地总价；在地头转向动作完成后，可点击人机交互模块4上的继续按钮E，人机交互模块4实时采集这一信号，并该继续信号发送给微处理器模块3，微处理器模块3立刻启动对实时耕地总面积、当前耕地总面积及耕地总价值的计算。

【6】拖拉机耕地结束后，可点击人机交互模块4上的停止按钮F，人机交互模块4实时将结束信息发送给微处理器模块3，微处理器模块3停止对当前耕地总面积及耕地总价值的计算。

【7】拖拉机耕地结束后，为避免相邻两耕作行因重叠耕种造成耕地面积的重复计算：微处理器模块3通过并口总线从数据存储模块5中依次读取本次耕地过程中拖拉机的全部经纬度数据并根据高斯投影转换，应用投影转公式对经纬度数据进行处理，将处理后的数据依据速度运行方向进行分组：每两个经纬度数据所对应的速度运行方向差值小于90°的归为一组。将分组后的数据，以组为单位依次存入数据存储模块5中。

【8】微处理器模块3从数据存储模块5中提取相邻的两组数据，以两组数据中数据个数较多的组为基准，计算该基准数据组中每个经纬度数据点与周围最近的3个经纬度数据点（其中一个经纬度数据点来自基准数据组，另两个经纬度数据点来自相邻数据组）所组成的四边形面积值，用该值作为该经纬度数据点所对应的面积值；对于基准数据组中多出来的经纬度数据点，以其与本基准数据组中相邻的经纬度数据点间距离作为长度，用该长度乘以犁具宽度所得的值作为该经纬度数据点对应的面积值。将基准数据组中所有经纬度数据点对应的面积值进行求和，即该相邻数据组所对应的面积值；依次类推，计算所有相邻数据组所对应的面积值，并将所得的全部面积值进行求和，即为本次拖拉机所耕地块的面积值。

【9】将该面积值与前面所求得的当前耕地总面积值进行比较：如果该面积值小于当前耕地总面积值，则以该面积值作为本次拖拉机的实际耕地总面积值；如果该面积值大于当前耕地总面积值，则以当前耕地总面积值作为本次拖拉机的实际耕地总面积值；根据实际耕地总面积值及每亩单价即可获得实际耕地总价值；在获得实际耕地总面积值及实际耕地总价值后，微处理器模块3立即将其发送至人机交互模块4进行显示。

上述拖拉机耕地面积自动测量装置及所采用的测量方法，可实现应用尽量少的设施，完成对耕地面积的实时精准测量，最大限度的降低了生产制造成本，降低了操作人员的劳动强度，为精准测量拖拉机在农田作业时的作业面积，以评价拖拉机的作业效率提供了可靠的保证。

最后应当说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但对于本领域的技术人员来说，其应知的技术知识依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行非实质性区别的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。因此，凡在本发明的思路启示之内所作出的任何非实质性改进或者等同替换等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种拖拉机耕地面积自动测量装置，包括：电源管理模块（1）、定位模块（2）、微处理器模块（3）、人机交互模块（4）以及数据存储模块（5）；其特征在于：电源管理模块（1）分别与定位模块（2）、微处理器模块（3）、人机交互模块（4）以及数据存储模块（5）单向连接，定位模块（2）与微处理器模块（3）单向连接，微处理器模块（3）分别与人机交互模块（4）以及数据存储模块（5）双向相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种拖拉机耕地面积自动测量装置，其特征在于：电源管理模块（1）包括：车载电瓶（6）、DC/DC、电压转换模块（7）以及LDO电压转换模块（8）；其中车载电瓶（6）与DC/DC电压转换模块（7）相连接，DC/DC电压转换模块（7）与LDO电压转换模块（8）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种拖拉机耕地面积自动测量装置，其特征在于：微处理器模块（3）包括：SPI信号电平转换模块（9）、主控制器（10）和RS232信号电平转换模块（11）；其中SPI信号电平转换模块（9）与主控制器（10）双向相互连接；RS232信号电平转换模块（11）与主控制器（10）单向连接。

4.根据权利要求1所述的一种拖拉机耕地面积自动测量装置，其特征在于：人机交互模块（4）的包括：机具宽度输入框（A）、每亩单价输入框（B）、开始按钮（C）、暂停按钮（D）、继续按钮（E）、停止按钮（F）、耕地总面积显示框（G）以及耕地总价显示框（H）；其中机具宽度输入框（A）负责接收农机手输入的机具宽度值；每亩单价输入框（B）负责接收农机手输入的每亩单价值；耕地总面积显示框（G）负责显示拖拉机已完成的耕地面积；耕地总价显示框（H）负责显示当前的耕地面积对应的总价值。

5.根据权利要求1所述的一种拖拉机耕地面积自动测量装置，其特征在于：所采用的测量方法如下：

【1】在人机交互模块（4）中的机具宽度输入框（A）以及每亩单价输入框（B）中输入当前拖拉机挂载的犁具宽度以及每亩单价，并点击开始按钮（C）；

【2】人机交互模块（4）对输入的犁具宽度以及每亩单价进行分析：如果二者中的任何一个为无效数据，清空机具宽度输入框（A）以及每亩单价输入框（B）中的数据，并弹出“输入数据无效！”的对话框，提醒本次操作无效；如果输入的数据有效，则通过SPI总线将数据发送给微处理器模块（3）；

【3】微处理器模块（3）接收到人机交互模块（4）发送来的数据后，通过并口总线将数据存储到数据存储模块（5）中；通过RS232总线实时接收定位模块（2）发送来的拖拉机当前的经度数据、纬度数据、速度数据及速度方向数据，并通过并口总线将这些数据存储到数据存储模块（5）中；同时微处理器模块（3）根据犁具宽度值及速度值每隔1秒计算一次拖拉机的实时耕地面积值；将每一次的实时耕地面积值累加起来，即得到目前拖拉机的耕地总面积值；将耕地总面值与每亩单价做乘法运算，可得到当前拖拉机的耕地总价；

【4】在得到当前的耕地总面积值及耕地总价后，微处理器模块（3）通过SPI总线将这些数据实时发送给人机交互模块（4）；耕地总面积值在人机交互模块（4）上的耕地总面积显示框（G）中进行显示，将耕地总价值在耕地总价显示框（H）中进行显示；

【5】拖拉机耕地过程中遇到地头转向的情况，可点击人机交互模块（4） 上的暂停按钮（D），人机交互模块（4）实时采集这一信号，并将该暂停信号发送给微处理器模块（3），微处理器模块（3）接收到暂停信号后，暂停计算实时耕地面积值、当前耕地总面积及耕地总价；在地头转向动作完成后，可点击人机交互模块（4）上的继续按钮（E），人机交互模块（4）实时采集这一信号，并该继续信号发送给微处理器模块（3），微处理器模块（3）立刻启动对实时耕地总面积、当前耕地总面积及耕地总价值的计算；

【6】拖拉机耕地结束后，可点击人机交互模块（4）上的停止按钮（F），人机交互模块（4）实时将结束信息发送给微处理器模块（3），微处理器模块（3）停止对当前耕地总面积及耕地总价值的计算；

【7】拖拉机耕地结束后，微处理器模块（3）通过并口总线从数据存储模块（5）中依次读取本次耕地过程中拖拉机的全部经纬度数据并根据高斯投影转换，应用投影转公式对经纬度数据进行处理，将处理后的数据依据速度运行方向进行分组：每两个经纬度数据所对应的速度运行方向差值小于90°的归为一组，将分组后的数据以组为单位依次存入数据存储模块（5）中；

【8】微处理器模块（3）从数据存储模块（5）中提取相邻的两组数据，以两组数据中数据个数较多的组为基准，计算该基准数据组中每个经纬度数据点与周围最近的三个经纬度数据点所组成的四边形面积值，用该值作为该经纬度数据点所对应的面积值；对于基准数据组中多出来的经纬度数据点，以其与本基准数据组中相邻的经纬度数据点间距离作为长度，用该长度乘以犁具宽度所得的值作为该经纬度数据点对应的面积值；将基准数据组中所有经纬度数据点对应的面积值进行求和，即该相邻数据组所对应的面积值；依次类推，计算所有相邻数据组所对应的面积值，并将所得的全部面积值进行求和，即为本次拖拉机所耕地块的面积值；

【9】将该面积值与前面所求得的当前耕地总面积值进行比较：如果该面积值小于当前耕地总面积值，则以该面积值作为本次拖拉机的实际耕地总面积值；如果该面积值大于当前耕地总面积值，则以当前耕地总面积值作为本次拖拉机的实际耕地总面积值；根据实际耕地总面积值及每亩单价即可获得实际耕地总价值；在获得实际耕地总面积值及实际耕地总价值后，微处理器模块（3）立即将其发送至人机交互模块（4）进行显示。