CN110726436B

CN110726436B - 轻型水田承载力测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN110726436B
Application number: CN201911148778.6A
Authority: CN
Inventors: 王雷; 杜治千; 陈源; 周明刚; 刘铭; 汪丛; 汪凌; 廖毅
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: CN110726436A

Abstract

本发明公开了一种轻型水田承载力测量装置及测量方法，包括机架、探针组件及传感器组件；传感器组件包括滑杆、一端铰接在滑杆上的连杆、与连杆另一端铰接的磁致位移伸缩传感器及固定在滑杆末端的触泥板，以及均安装在传感器安装板上的北斗/GPS传感器与姿态传感器，且磁致位移伸缩传感器连接在传感器安装板上，滑杆卡在传感器安装板上的直线轴承内；探针组件包括多组探针单元，多组探针单元呈阵列布置，每组所述探针单元包括连接板、压力传感器及探针。测量时无人员参与工作，通过多组探针单元同时测量获得数据得到区域内精确的承载力数据，结构简单、操作简单，携带方便。

Description

轻型水田承载力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及农用机械技术领域，具体涉及一种轻型水田承载力测量装置及测量方法。

背景技术

水稻生产在我国粮食生产中占有十分重要的地位，长久以来水田主要采用旋耕作业方式，作业时如果耕深过大会增加旋耕机燃油量消耗，降低作业效率；耕深过小则不满足农艺要求，无法达到效果。传统的耕深测量普遍采用手工测定方法，目前，测量耕深有通过霍尔元件在工作中测量装置所取得的电参量模拟耕深值变化，但若附近有磁场干扰则测量精度下降；还有利用超声波传感器检测机架与地面距离得到耕深，但若检测中土壤存在土块、作物残渣等则测量精度下降；也有利用以倾角传感器测量提升臂水平倾角的方法间接得到耕深，但若地面平整程度不够则会影响角度反馈导致测量精度下降。

另外，水田泥脚深度不一，现有拖拉机主要用于旱地作业，在南方水稻田里难易作业，并且作业效率低下，难以满足水稻耕地机械化需求；同时，叶轮作业时，往往出现单轮打滑空转，动力分配不合理的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种能精确进行拖拉机耕深测量的轻型水田承载力测量装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明所设计的轻型水田承载力测量装置，包括机架、探针组件及安装在所述机架端部的传感器组件；

所述传感器组件包括滑杆、一端铰接在所述滑杆上的连杆、与所述连杆另一端铰接的磁致位移伸缩传感器及固定在所述滑杆末端的触泥板，以及均安装在传感器安装板上的北斗/GPS传感器与姿态传感器，且所述磁致位移伸缩传感器连接在传感器安装板上，所述滑杆卡在传感器安装板上的直线轴承内；

所述探针组件包括多组探针单元，多组探针单元呈阵列布置，每组所述探针单元包括连接板、压力传感器及探针，所述压力传感器一端通过螺栓与连接板连接，所述压力传感器另一端通过螺栓与探针一端连接，所述连接板安装在机架的上纵梁上，所述探针的另一端穿过机架下纵梁的导向孔。

进一步地，还包括安装在所述机架上的信号采集箱，所述磁致位移伸缩传感器、北斗/GPS传感器、姿态传感器和压力传感器均与所述信号采集箱电连。

进一步地，还包括两套分别安装在所述机架两侧面的快拆移动组件，每套所述快拆移动组件包括快拆支架和安装在快拆支架底部的地轮，所述快拆支架的两个侧板上均开设有弧形缺口，一套所述快拆移动组件通过弧形缺口与所述机架一侧面的支撑杆快速安装与拆卸，另一套所述快拆移动组件通过弧形缺口与机架另一侧面的支撑杆快速安装与拆卸。

进一步地，所述机架下纵梁上开设有多个均布的导向孔。

进一步地，所述滑杆上且沿滑杆的长度方向均布有安装孔，所述连杆一端与滑杆的安装孔铰接。

还提供一种如上述所述轻型水田承载力测量装置的测量方法如下：

1)测量装置通过安装快拆移动组件，运输至田中测量位置，放下滑杆至触泥板与泥层接触，磁致位移伸缩传感器检测初始高度，姿态传感器检测初始姿态，北斗/GPS传感器记录测量位置；

2)测量装置平稳后，卸下快拆移动组件，机架通过自身重力带动探针深入到泥土中，当探针接触到硬底层，或磁致位移伸缩传感器到达行程最大值，结束记录，信号采集箱同时采集各压力传感器压力变化数据、磁致位移伸缩传感器距离变化数据以及姿态传感器姿态变化数据；测量结束后，通过液压换向阀控制双作用液压油缸伸出杆收缩，将探针从泥土中拔出，探针完全拔出后，安装快拆移动组件，完成测量，运输设备离开测量位置；

3)对采集到的数据进行处理得到承载力-深度数据关系，根据作业水田拖拉机地点及条件下发对应参数，用于水田叶轮拖拉机动力分配，实现防滑提效。

进一步地，所述步骤3)中，首先对采集的磁致位移伸缩传感器进行预测处理，结合姿态传感器姿态数据，得到接近实际情况的距离值，具体过程如下：

由于前后相邻测量在时间上具有独立性，只需要前一时刻的距离数据就可以用于整个系统模型的计算，故系统模型的状态方程和测量方程为：

s_k＝As_k-1+w_k-1 (1)

式中：s_k为k时刻系统模型的预测值，s_k-1为k-1时刻系统模型的分析值，A为系统模型转移矩阵，w_k-1为观测噪声；

c_k＝Hs_k+v_k (2)

式中：c_k为k时刻系统模型的测量值，H为系统模型测量矩阵，v_k为测量噪声，假设w_k-1和v_k是互不影响且为零其方差分别为Q和R的高斯白噪声；

通过给定的初值，采用前向参数递推方法得出k+1时刻的协方差更新和状态更新，包括预报和更新两个步骤，预报阶段分为三步：

(1)状态预测：

s(k+1|k)＝A·s(k|k) (3)

(2)协方差预测：

p(k+1|k)＝A·p(k|k)·A^T+Q (4)

(3)Kalman滤波增益系数K计算：

K(k+1)＝p(k+1|k)·H(k+1)^T·(H·(k+1|k)·H^T+R)^-1 (5)

更新阶段分为两步：

(1)协方差更新：

p(k+1|k+1)＝(1-K(k+1)·H)p(k+1|k)^-1 (6)

(2)状态更新：

s(k+1|k+1)＝s(k+1|k)+K(k+1)·(c(k+1)-H·s(k+1|k)) (7)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发基于轻型水田承载力测量装置测量时无人员参与工作，通过多组探针单元同时测量获得数据得到区域内精确的承载力数据，结构简单、操作简单，携带方便。

附图说明

图1为本发明轻型水田承载力测量装置结构示意图；

图2为图1中传感器组件结构示意图；

图3为图1中探针组件结构示意图；

图4为图1中快拆移动组件结构示意图；

图5为图1中机架结构示意图；

图6为本发明测量装置控制拓扑图；

图7为本发明拖拉机动力分配控制示意图。

其中：传感器组件1、信号采集箱2、机架3、探针组件4、快拆移动组件5、磁致位移伸缩传感器6、传感器安装板7、滑杆8、连杆9、北斗/GPS传感器10、姿态传感器11、触泥板12、弧形缺口13、地轮14、快拆支架15、连接板16、压力传感器17、探针18、支撑杆19、上纵梁20、下纵梁21。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示轻型水田承载力测量装置，包括机架3、两套分别安装在机架两侧面的快拆移动组件5、信号采集箱2、探针组件4及安装在机架3端部的传感器组件1。

结合图2传感器组件1包括磁致位移伸缩传感器6、传感器安装板7、滑杆8、连杆9、北斗/GPS传感器10、姿态传感器11及触泥板12。滑杆8上且沿滑杆8的长度方向均布有安装孔，连杆9一端与滑杆8的安装孔铰接，连杆9另一端与磁致位移伸缩传感器6的滑块铰接，磁致位移伸缩传感器6通过螺栓连接在传感器安装板7上，滑杆8卡在传感器安装板7上的直线轴承内，使得滑杆8可在传感器安装板7的直线轴承内上下滑动；另外，触泥板12通过螺栓固定在滑杆8末端，北斗/GPS传感器10与姿态传感器11通过螺栓安装在传感器安装板7不同位置，传感器安装板7通过螺栓固定安装在机架3端部。测量时，机架3下落带动滑杆8沿着直线轴承下滑直至触泥板12与泥层接触，机架3下落时传感器安装板7与滑杆8移动相对位置即为探针入泥深度，通过磁致位移伸缩传感器6检测探针入泥深度，姿态传感器11实时检测测量装置姿态信息，北斗/GPS传感器10实时检测测量装置位置信息，三种信号传输至信号采集箱2分析并记录保存。

如图3、图5所示，探针组件4包括多组探针单元，多组探针单元呈阵列布置，每组探针单元包括连接板16、压力传感器17及探针18，压力传感器17一端通过螺栓与连接板16连接，压力传感器17另一端通过螺栓与探针18一端连接，连接板16安装在机架3的上纵梁20上，探针18的另一端穿过机架下纵梁21的导向孔，探针18入泥时阻力通过压力传感器17检测，传输至信号采集箱2分析并记录保存。本实施例中，机架3下纵梁上开设有多个均布的导向孔，可选择安装不同数量的探针单元，实现探针分布密度调整，同时也可以调整探针之间的间距，实现测量面积调整。

如图4所示，每套快拆移动组件5包括快拆支架15和安装在快拆支架15底部的地轮14，快拆支架15的两个侧板上均开设有弧形缺口13，一套快拆移动组件5通过弧形缺口13与机架3一侧面的支撑杆快速安装与拆卸，另一套快拆移动组件5通过弧形缺口13与机架3另一侧面的支撑杆19快速安装与拆卸。测量时，拆下快拆移动组件5，测量完成后安装上快拆移动组件，便于短途运输。

信号采集箱2焊接在机架3上，通过充电锂电池供电，可同时采集所有传感器信息，并进行分析处理，将分析结果显示在自带液晶屏上，并保存在本地，同时通过4G/WIFI上传至云服务器。

参照图6、图7，信号采集箱2包括信号采集系统、电源系统和无线通讯系统，信号采集系统将磁致位移伸缩传感器6、北斗/GPS传感器10、姿态传感器11、压力传感器17的数据进行采集并处理获得承载力-深度数据关系。

1)测量装置通过安装快拆移动组件5，运输至田中测量位置。放下滑杆8至触泥板12与泥层接触，磁致位移伸缩传感器6检测初始高度，姿态传感器11检测初始姿态，北斗/GPS传感器10记录测量位置；

2)测量装置平稳后，卸下快拆移动组件5，机架3通过自身重力带动探针深入到泥土中，当探针接触到硬底层(压力变化超过阈值)，或磁致位移伸缩传感器到达行程最大值，结束记录，信号采集箱2同时采集各压力传感器17压力变化数据、磁致位移伸缩传感器6距离变化数据以及姿态传感器11姿态变化数据；测量结束后，通过液压换向阀控制双作用液压油缸3伸出杆收缩，将探针从泥土中拔出，探针完全拔出后，安装快拆移动组件5，完成测量，运输设备离开测量位置。

3)对采集到的数据进行处理得到承载力-深度数据关系，根据作业水田拖拉机地点及条件下发对应参数，用于水田叶轮拖拉机动力分配，实现防滑提效；

首先对采集的磁致位移伸缩传感器进行预测处理，结合姿态传感器姿态数据，得到接近实际情况的距离值；由于前后相邻测量在时间上具有独立性，只需要前一时刻的距离数据就可以用于整个系统模型的计算，故系统模型的状态方程和测量方程为：

s_k＝As_k-1+w_k-1 (1)

c_k＝Hs_k+v_k (2)

(1)状态预测：

s(k+1|k)＝A·s(k|k) (3)

(2)协方差预测：

p(k+1|k)＝A·p(k|k)·A^T+Q (4)

(3)Kalman滤波增益系数K计算：

K(k+1)＝p(k+1|k)·H(k+1)^T·(H·(k+1|k)·H^T+R)^-1 (5)

更新阶段分为两步：

(1)协方差更新：

p(k+1|k+1)＝(1-K(k+1)·H)p(k+1|k)^-1 (6)

(2)状态更新：

s(k+1|k+1)＝s(k+1|k)+K(k+1)·(c(k+1)-H·s(k+1|k)) (7)

采用了Kalman滤波算法后的距离数据更加符合真实情况。

4)云服务器根据采集数据更新数据库，通过匹配数据库内预先建立的不同拖拉机及机具数学模型(包括拖拉机各性能参数、机具作业参数等)及作业条件(作业地点、作业环境等)，下发对应控制参数(包括控制系统敏感度系数、动力分配比例、农具悬挂高度及农具输入力矩等)至拖拉机动力控制系统。

5)水田拖拉机采用叶轮驱动，根据自身传感器系统，检测拖拉机行走及作业状态，如叶轮入泥深度通过两侧超声波传感器检测。前后桥均为带差速器驱动桥，利用获得的承载力-深度曲线及相关控制参数，结合扭矩特性，通过动力输出分配算法，控制不同叶轮刹车，实现动力分配。以前桥为例，当左轮出现滑转，驱动效率较低时，动力分配采用定向刹车策略，通过差速器将动力分配给另外一侧车轮，完成水田叶轮拖拉机动力分配，实现防滑提效。

Claims

1.一种轻型水田承载力测量装置，其特征在于：包括机架(3)、探针组件(4)及安装在所述机架(3)端部的传感器组件(1)；

所述传感器组件(1)包括滑杆(8)、一端铰接在所述滑杆(8)上的连杆(9)、与所述连杆(9)另一端铰接的磁致位移伸缩传感器(6)及固定在所述滑杆(8)末端的触泥板(12)，以及均安装在传感器安装板(7)上的北斗/GPS传感器(10)与姿态传感器(11)，且所述磁致位移伸缩传感器(6)连接在传感器安装板(7)上，所述滑杆(8)卡在传感器安装板(7)上的直线轴承内；

所述探针组件(4)包括多组探针单元，多组探针单元呈阵列布置，每组所述探针单元包括连接板(16)、压力传感器(17)及探针(18)，所述压力传感器(17)一端通过螺栓与连接板(16)连接，所述压力传感器(17)另一端通过螺栓与探针(18)一端连接，所述连接板(16)安装在机架(3)的上纵梁(20)上，所述探针(18)的另一端穿过机架下纵梁(21)的导向孔；

轻型水田承载力测量装置的测量方法如下：

1)测量装置通过安装快拆移动组件(5)，运输至田中测量位置，放下滑杆(8)至触泥板(12)与泥层接触，磁致位移伸缩传感器(6)检测初始高度，姿态传感器(11)检测初始姿态，北斗/GPS传感器(10)记录测量位置；

2)测量装置平稳后，卸下快拆移动组件(5)，机架(3)通过自身重力带动探针深入到泥土中，当探针接触到硬底层，或磁致位移伸缩传感器到达行程最大值，结束记录，信号采集箱(2)同时采集各压力传感器(17)压力变化数据、磁致位移伸缩传感器(6)距离变化数据以及姿态传感器(11)姿态变化数据；测量结束后，通过液压换向阀控制双作用液压油缸(3)伸出杆收缩，将探针从泥土中拔出，探针完全拔出后，安装快拆移动组件(5)，完成测量，运输设备离开测量位置；

所述步骤3)中，首先对采集的磁致位移伸缩传感器进行预测处理，结合姿态传感器姿态数据，得到接近实际情况的距离值，具体过程如下：

s_k＝As_k-1+w_k-1 (1)

c_k＝Hs_k+v_k (2)

(1)状态预测：

s(k+1|k)＝A·s(k|k) (3)

(2)协方差预测：

p(k+1|k)＝A·p(k|k)·A^T+Q (4)

(3)Kalman滤波增益系数K计算：

K(k+1)＝p(k+1|k)·H(k+1)^T·(H·(k+1|k)·H^T+R)^-1 (5)

更新阶段分为两步：

(1)协方差更新：

p(k+1|k+1)＝(1-K(k+1)·H)p(k+1|k)^-1 (6)

(2)状态更新：

s(k+1|k+1)＝s(k+1|k)+K(k+1)·(c(k+1)-H·s(k+1|k)) (7)。

2.根据权利要求1所述轻型水田承载力测量装置，其特征在于：还包括安装在所述机架(3)上的信号采集箱(2)，所述磁致位移伸缩传感器(6)、北斗/GPS传感器(10)、姿态传感器(11)和压力传感器(17)均与所述信号采集箱(2)电连。

3.根据权利要求1所述轻型水田承载力测量装置，其特征在于：还包括两套分别安装在所述机架两侧面的快拆移动组件(5)，每套所述快拆移动组件(5)包括快拆支架(15)和安装在快拆支架(15)底部的地轮(14)，所述快拆支架(15)的两个侧板上均开设有弧形缺口(13)，一套所述快拆移动组件(5)通过弧形缺口(13)与所述机架(3)一侧面的支撑杆快速安装与拆卸，另一套所述快拆移动组件(5)通过弧形缺口(13)与机架(3)另一侧面的支撑杆(19)快速安装与拆卸。

4.根据权利要求1所述轻型水田承载力测量装置，其特征在于：所述机架(3)下纵梁(21)上开设有多个均布的导向孔。

5.根据权利要求1所述轻型水田承载力测量装置，其特征在于：所述滑杆(8)上且沿滑杆(8)的长度方向均布有安装孔，所述连杆(9)一端与滑杆(8)的安装孔铰接。