CN110174682B - 一种农田三维地形实时测量装置和方法 - Google Patents

一种农田三维地形实时测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种农田三维地形实时测量装置，包括GNSS定位系统、伸缩量传感器、数据采集模块、平地铲；平地铲包括平地铲刀、伸缩机构、支撑轮，平地铲刀与支撑轮通过伸缩机构连接，伸缩机构包括油缸，通过油缸的伸长将平地铲刀抬升至高于支撑轮，通过油缸的收缩将平地铲刀下降至低于支撑轮；GNSS定位系统的定位天线固定在平地铲刀上方，伸缩量传感器安装在油缸上检测油缸的伸长量，数据采集模块与GNSS定位系统、伸缩量传感器均相接。还涉及一种农田三维地形实时测量方法。本发明适用于现代农业机械，结构简单，操作方便，保证田间的采集精度能够达到精准平地要求。

Description

一种农田三维地形实时测量装置和方法
技术领域
本发明涉及农田地形测量技术，具体涉及一种农田三维地形实时测量装置，还涉及采用农田三维地形实时测量装置的农田三维地形实时测量方法。
背景技术
平地作业前，农田三维地形是智能平整土方计算、平整深度估计和路径规划等算法的数据基础，平地作业后，三维地形是评价作业质量的重要指标。
现有的平地铲包括平地铲刀、支撑轮、伸缩机构。平地铲刀与三点悬挂机构固定，并通过三点悬挂机构与农业机械车体连接，支撑轮与平地铲刀通过伸缩机构连接。如图6所示，初始状态如a所示；伸缩机构的油缸伸长时，平地铲刀被伸缩机构抬升至高于支撑轮位置，如b所示；伸缩机构的油缸缩短时，平地铲刀被伸缩机构下降至低于支撑轮位置。通过控制油缸的伸缩，来控制平地铲刀的高度，从而控制平地高度。
目前农田三维地形采集主要通过提升起平地铲刀，伸缩机构的油缸伸长量固定(即无法采用自动控制模式)，GNSS定位天线与地面相对距离不变，平地铲刀随田面地形仿形，则平地铲刀上的GNSS定位天线所采集的三维信息去除定位天线与田面的距离即为农田三维地形。但当油缸伸长量变化时(即平地机控制系统在自动控制状态时)，GNSS定位天线位置信息便不能正确表达农田三维地形，所以平地作业过程中平地铲刀运土后田面能否达到预测平整效果无法知道，需重复平整前采集过程生成平整后农田三维地形以评价平整质量。然而，平地作业后全地测量农田三维地形易对田块反复碾压，耗时耗力。
因此，现有技术中不存在自动控制状态时，即伸缩机构动态调整状态时，平地并实时测量农田三维地形的技术。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种平地铲在自动控制状态下能实时测量农田三维地形的农田三维地形实时测量装置和方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种农田三维地形实时测量装置，包括GNSS定位系统、伸缩量传感器、数据采集模块、平地铲；平地铲包括平地铲刀、伸缩机构、支撑轮，平地铲刀与支撑轮通过伸缩机构连接，伸缩机构包括油缸，通过油缸的伸长将平地铲刀抬升至高于支撑轮，通过油缸的收缩将平地铲刀下降至低于支撑轮；GNSS定位系统的定位天线固定在平地铲刀上方，伸缩量传感器安装在油缸上检测油缸的伸长量，数据采集模块与GNSS定位系统、伸缩量传感器均相接。
作为一种优选，数据采集模块包括微型处理器、通讯接口单元和电源接口单元；微型处理器用于对GNSS定位系统和伸缩量传感器的数据解算处理；通讯接口单元用于传输GNSS定位系统和伸缩量传感器与外接终端数据；电源接口单元用于数据采集模块供电的同时，为伸缩量传感器提供稳定电压输出；通讯接口单元和电源接口单元均与微型处理器相接。
伸缩机构包括高程调节架、支撑轮连接架、油缸；高程调节架固定在平地铲刀的后方，高程调节架的上端与油缸的前上方在第一铰接点铰接，高程调节架的下端与支撑轮连接架的前端在第二铰接点铰接，油缸的后下方与支撑轮连接架的中部在第三铰接点铰接，支撑轮连接架的后端第四安装点处安装支撑轮；高程调节架、支撑轮连接架、油缸围成三角形。
一种农田三维地形实时测量方法，采用农田三维地形实时测量装置；通过GNSS定位系统检测定位天线的三维空间位置，通过伸缩量传感器获得不受伸缩机构调节影响的定位天线到田面的距离，通过数据采集模块采集定位天线的实时三维空间位置信息，采集定位天线到田面的实时距离信息，并通过该实时三维空间位置信息和实时距离信息获得农田的三维地形。
作为一种优选，GNSS定位系统测得的定位天线的三维空间位置为(X,Y,Hgnss)；定位天线到田面的距离为dr；获得的农田三维地形为(X,Y,Hg)。
作为一种优选，在自动控制状态时，伸缩机构的油缸工作，平地铲刀与支撑轮有不同的相对位置状态，农田三维地形的Hg通过以下方法获得：
S1、当支撑轮的底部低于平地铲刀的底部时，平地铲刀与农田田面有一定距离，定位天线的高程减去定位天线与田面的距离即为平后田面地形高程Hg；
S2、当支撑轮的底部高于或等于平地铲刀的底部时，平后田面地形高程Hg为定位天线的高程减去定位天线到平地铲刀底部之间的距离。
作为一种优选，步骤S1中，Hg由下式获得：
Hg＝Hgnss-(a/cos(π-α-arccos((a2+b2-c2)/2ab))+dr1+dr2+r)
作为一种优选，步骤S2中，Hg由下式获得：
Hg＝Hgnss-d
式中，a为支撑轮连接架长度；b为第一铰接点和第二铰接点之间的距离；c为第一铰接点和第三铰接点之间的距离，dr1为定位天线安装底座高度；dr2为定位天线安装底座底部到地面之间的距离；r为支撑轮半径；α为第一铰接点和第二铰接点的连线和垂直直线之间的夹角，d为定位天线到平地铲刀底部之间的距离。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明通过安装于平地铲刀上方的GNSS定位天线，不但能够提供农田平整系统平整控制高程数据，还能有效的实时获得后三维地形数据，达到高效的目的。
2、本发明利用伸缩量传感器检测伸缩机构伸长量变化，从而获得不受伸缩机构调节影响的平地铲刀上GNSS定位天线到田面的距离，实现在伸缩机构调节时(自动控制状态)实时测量农田三维地形，且保证田间的采集精度能够达到精准平地要求。
3、该方法适用于现代农业机械，结构简单，操作方便。
附图说明
图1为农田三维地形实时测量装置的结构示意图。
图2为支撑轮的底部低于平地铲刀的底部的工作状态图。
图3为支撑轮的底部高于平地铲刀的底部的工作状态图。
图4为采用本发明方法获得的数据曲线。
图5为采用本发明方法实时生成的平整后农田三维地形图。
图6为现有的平地铲的工作原理图。
图7为图2工作状态时，涉及参数的示意图。
其中，1为定位天线到田面的距离d，2为定位天线，3为平地铲刀，4为伸缩量传感器，5为伸缩机构，6为支撑轮，7为农田，8为高程调节架，9为支撑轮连接架，10为油缸，11为第一铰接点，12为第二铰接点，13为第三铰接点，14为第四安装点。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
旱地平地机，包括平地铲，平地铲通过三点悬挂机构和拖拉机相连。平地铲包括平地铲刀、伸缩机构、支撑轮，平地铲刀与支撑轮通过伸缩机构连接，伸缩机构包括油缸，通过油缸的伸长将平地铲刀抬升至高于支撑轮，通过油缸的收缩将平地铲刀下降至低于支撑轮。平地机在自动控制模式下，油缸会依据田间状况实时伸缩，控制平地铲刀的升降，工作时，支撑轮行进在土壤表面，支撑轮支撑平地铲刀作业。本实施例采用CN208807030U公开的一种悬挂式旱地激光平地机公开的平地铲。伸缩机构包括高程调节架、支撑轮连接架、油缸；高程调节架固定在平地铲刀的后方，高程调节架的上端与油缸的前上方在第一铰接点铰接，高程调节架的下端与支撑轮连接架的前端在第二铰接点铰接，油缸的后下方与支撑轮连接架的中部在第三铰接点铰接，支撑轮连接架的后端第四安装点处安装支撑轮；高程调节架、支撑轮连接架、油缸围成三角形。
在旱地平地机上加装GNSS定位系统、伸缩量传感器、数据采集模块，与平地铲共同构成农田三维地形实时测量装置。其中，GNSS定位系统的定位天线固定在平地铲刀上方，伸缩量传感器安装在油缸上检测油缸的伸长量，数据采集模块与GNSS定位系统、伸缩量传感器均相接。
数据采集模块包括微型处理器(型号为STM32F407IGT6)、通讯接口单元和电源接口单元；微型处理器用于对GNSS定位系统和伸缩量传感器的数据解算处理；通讯接口单元用于传输GNSS定位系统和伸缩量传感器与外接终端数据；电源接口单元用于数据采集模块供电的同时，为伸缩量传感器提供稳定电压输出；通讯接口单元和电源接口单元均与微型处理器相接。
一种农田三维地形实时测量方法，采用农田三维地形实时测量装置；通过GNSS定位系统检测定位天线的三维空间位置，通过伸缩量传感器获得不受伸缩机构调节影响的定位天线到田面的距离，通过数据采集模块采集定位天线的实时三维空间位置信息，采集定位天线到田面的实时距离信息，并通过该实时三维空间位置信息和实时距离信息获得农田的三维地形。
GNSS定位系统测得的定位天线的三维空间位置为(X,Y,Hgnss)；定位天线到田面的距离为dr；获得的农田三维地形为(X,Y,Hg)。
在自动控制状态时，伸缩机构的油缸工作，平地铲刀与支撑轮有不同的相对位置状态，农田三维地形的Hg通过以下方法获得：
S1、当支撑轮的底部低于平地铲刀的底部时，平地铲刀与农田田面有一定距离，定位天线的高程减去定位天线与田面的距离即为平后田面地形高程Hg，
Hg＝Hgnss-(a/cos(π-α-arccos((a12+b2-c2)/2a1b))+dr1+dr2+r)；
S2、当支撑轮的底部高于或等于平地铲刀的底部时，平后田面地形高程Hg为定位天线的高程减去定位天线到平地铲刀底部之间的距离，
Hg＝Hgnss-d；
式中，a为支撑轮连接架长度；b为第一铰接点和第二铰接点之间的距离；c为第一铰接点和第三铰接点之间的距离，dr1为定位天线安装底座高度；dr2为定位天线安装底座底部到地面之间的距离；r为支撑轮半径；α为第一铰接点和第二铰接点的连线和垂直直线之间的夹角，d为定位天线到平地铲刀底部之间的距离。
S1涉及公式的推导过程如下：
β＝arccos((a12+b2-c2)/2a1b)
δ＝π-α-β
a＝a1+a2
dr4＝a/cosδ
dr2＝dr3+dr4+r
Hg＝Hgnss-(dr1+dr2)
其中，a1为第二铰接点到第三铰接点的距离，a2为第三铰接点到第四安装点的距离，dr3为第二铰接点到定位天线安装板之间的垂直距离，dr4为第二铰接点到支撑轮中心的垂直方向距离，β为第一铰接点和第二铰接点的连线与第二铰接点和第三铰接点的连线夹角，δ为第二铰接点与第三铰接点的连线与垂直直线之间的夹角。
当平地机在农田行进时，安装于平地铲刀上的定位天线在平地机控制系统非自动控制时，伸缩机构的伸长量固定，定位天线与地面相对距离不变，平地铲刀随田面地形仿形，则平地铲刀上的定位天线所采集的三维信息去除定位天线与田面的距离即为农田三维地形。伸缩量传感器安装在平地铲的液压伸缩机构的油缸上，测量液压伸缩机构的伸长量，当平地机控制系统在自动控制状态时，从而获得不受油缸调节影响的平地铲刀上定位天线到田面的距离，实现在伸缩机构调节时(自动控制状态)，达到实时测量农田三维地形的目的。
农田三维地形实时测量方法直线田面采集时，设置平地机控制系统非自动控制，每间隔2m采集2分钟平地铲刀上定位天线安装位置的数据，对数据进行处理获得94m长的试验田面高程构建真实田面高程。根据所得到的试验田面高程信息，设置平地铲刀与田面保持一定高度并设定为自动平地的参考高度，平地将旱地GNSS平地系统设置为自动模式(伸缩结构的伸长量实时调节)，通过平地三维地形实时测量方法实时测量试验田面高程数据，并与真实田面高程进行对比分析。对比结果如图4所示，实时测量动态高程数据与真实田面静态高程数据之间地形起伏一致，最大标准差为1.527cm。
平地过程中对田块地形进行实时测量时，设置平地机在农田进行平整高程自动调节作业，通过农田三维地形实时测量方法获得作业田块地形三维信息，如图5所示。采用Z+F三维激光采集田间三维信息为参考，农田三维地形实时测量方法可获得农田表面三维地形，Z+F三维激光雷达采集方法获得的田块三维地形分布一致，标准差相差1.02cm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种农田三维地形实时测量方法，其特征在于：采用农田三维地形实时测量装置；通过GNSS定位系统检测定位天线的三维空间位置，通过伸缩量传感器获得不受伸缩机构调节影响的定位天线到田面的距离，通过数据采集模块采集定位天线的实时三维空间位置信息，采集定位天线到田面的实时距离信息，并通过该实时三维空间位置信息和实时距离信息获得农田的三维地形；
一种农田三维地形实时测量装置，包括GNSS定位系统、伸缩量传感器、数据采集模块、平地铲；平地铲包括平地铲刀、伸缩机构、支撑轮，平地铲刀与支撑轮通过伸缩机构连接，伸缩机构包括油缸，通过油缸的伸长将平地铲刀抬升至高于支撑轮，通过油缸的收缩将平地铲刀下降至低于支撑轮；GNSS定位系统的定位天线固定在平地铲刀上方，伸缩量传感器安装在油缸上检测油缸的伸长量，数据采集模块与GNSS定位系统、伸缩量传感器均相接。
2.按照权利要求1所述的一种农田三维地形实时测量方法，其特征在于：GNSS定位系统测得的定位天线的三维空间位置为(X,Y,Hgnss)；定位天线到田面的距离为dr；获得的农田三维地形为(X,Y,Hg)。
3.按照权利要求2所述的一种农田三维地形实时测量方法，其特征在于：在自动控制状态时，伸缩机构的油缸工作，平地铲刀与支撑轮有不同的相对位置状态，农田三维地形的Hg通过以下方法获得：
S1、当支撑轮的底部低于平地铲刀的底部时，平地铲刀与农田田面有一定距离，定位天线的高程减去定位天线与田面的距离即为平后田面地形高程Hg；
S2、当支撑轮的底部高于或等于平地铲刀的底部时，平后田面地形高程Hg为定位天线的高程减去定位天线到平地铲刀底部之间的距离。
4.按照权利要求3所述的一种农田三维地形实时测量方法，其特征在于：
步骤S1中，Hg由下式获得：
Hg＝Hgnss-(a/cos(π-α-arccos((a2+b2-c2)/2ab))+dr1+dr2+r)
步骤S2中，Hg由下式获得：
Hg＝Hgnss-d
式中，a为支撑轮连接架长度；b为第一铰接点和第二铰接点之间的距离；c为第一铰接点和第三铰接点之间的距离，dr1为定位天线安装底座高度；dr2为定位天线安装底座底部到地面之间的距离；r为支撑轮半径；α为第一铰接点和第二铰接点的连线和垂直直线之间的夹角，d为定位天线到平地铲刀底部之间的距离。
5.按照权利要求1所述的一种农田三维地形实时测量方法，其特征在于：数据采集模块包括微型处理器、通讯接口单元和电源接口单元；微型处理器用于对GNSS定位系统和伸缩量传感器的数据解算处理；通讯接口单元用于传输GNSS定位系统和伸缩量传感器与外接终端数据；电源接口单元用于数据采集模块供电的同时，为伸缩量传感器提供稳定电压输出；通讯接口单元和电源接口单元均与微型处理器相接。
6.按照权利要求1所述的一种农田三维地形实时测量方法，其特征在于：伸缩机构包括高程调节架、支撑轮连接架、油缸；高程调节架固定在平地铲刀的后方，高程调节架的上端与油缸的前上方在第一铰接点铰接，高程调节架的下端与支撑轮连接架的前端在第二铰接点铰接，油缸的后下方与支撑轮连接架的中部在第三铰接点铰接，支撑轮连接架的后端第四安装点处安装支撑轮；高程调节架、支撑轮连接架、油缸围成三角形。
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