CN113016756A - 一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法，由喷杆、信息获取单元和控制单元组成，包括以下步骤：步骤一：建立喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系；步骤二：超声波测距传感器的标定；步骤三：喷杆对地相对高度的采集；步骤四：高度采集数据的抗干扰处理；步骤五：利用多源数据融合求得喷杆离地高度H0；步骤六：求得喷杆相对作物冠层距离Hcanno；步骤七：喷杆倾角θb的获取；步骤八：喷杆末端离地高度Hend的导出。其特征在于：通过在拖拉机两后轮胎正对的喷杆位置安装两个超声测距传感器，在控制单元作用下通过数据采集及多源信息融合，实现了稠密冠层喷杆与地面相对高度的准确监测。

Description

一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法
技术领域
本发明一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法，属于智能化农业装备领域。
背景技术
我国市面上现有喷杆喷雾机以6-12米为主，有限的喷幅一方面导致喷雾效率低，另一方面喷雾机在一定作业面积作业时，在田间来回行走趟数多，对作物压损面积大。随着我国土地快速轮转和规模化种植的发展需求，目前市面上出现了幅宽为24m以上的喷杆喷雾机。大幅宽喷杆喷雾机带来的新问题：喷雾机在田间作业时，由于地面起伏不平引起喷杆抖动和倾斜。对于大喷幅的喷雾机，喷杆倾斜一个小的角度很可能导致喷杆末端触地造成喷杆折断或弯曲，也会刮伤作物。在实际作业中，为提高雾滴沉积均匀性和防止漂移，喷杆必须与作物冠层保持平行且具有一定高度。因此，为提高喷雾质量和避免喷杆损坏，需要对喷杆与作物的相对高度进行稳定、精确、动态的控制，而对喷杆与作物的相对高度的动态监测是实现其稳定、精确控制的前提和关键。
现有技术中，专利1(申请号20150079697.0)公开了一种喷杆平衡和高度自动调节装置及方法，该装置中采用超声波传感器测距模块进行了喷杆对地高度的测量，由于地面相对比较平坦，喷杆对地高度易于测量，但由于田间作物长势不均匀，导致作物冠层起伏不平，测量精度受作物种类、种植密度、风速、行走速度等因素的客观影响，需要对采集的数据进行恰当的抗干扰处理才可以获得有效高度数据；另外，由于超声波传感器垂直安装在喷杆横梁上，喷杆倾斜时传感器也随着倾斜，无法获得喷杆的垂直对地高度。因此，专利1公开的喷杆平衡和高度自动调节装置及方法无法用于喷杆对作物冠层高度的实时测量。专利2(申请号201010603644.1)公开了一种自平衡喷杆喷雾机，在喷雾作业时，控制器根据倾角传感器检测喷杆的水平角度，从而判断喷杆的平衡情况，无法实现喷杆对地面的实时测量。论文《喷杆高度调节系统设计与试验》(王松林等，农机化研究，2014年第8期，第161-164页)设计了三段式的告诉自动调节喷杆，采用三个安装在三段喷杆(左段喷杆、中段喷杆和右段喷杆)上的接触式传感器实时监测喷杆与地面的高度，通过控制器控制液压油缸调节各段喷杆的高度，该系统可以有效调节喷杆的姿态并保持喷杆的高度，但此装置使用的接触式传感器通过与作物接触进行高度检测，会对作物造成损伤；另一方面，若传感器下方正好是地面或者作物株高较小时，会引起误判，导致系统可靠性降低。论文《Performanceevaluation of multiple ground based sensors mounted on a commercial wildblueberry harvester to sense plant height,fruit yield and topographicfeatures in real-time》(Farooque A A,Chang Y K,Zaman Q U,et al,Computers&Electronics in Agriculture,2013,91:135-144)将一个超声波传感器安装在野生蓝莓收获机上对蓝莓株高进行实时检测，在田间路面平坦时，可以有效的检测蓝莓株高，但地面倾斜一定角度时，获得的株高数据误差较大，无法用于株高的有效检测。论文《喷杆高度在线调控设计与试验研究》(潘佛雏等，农机化研究,2017年第11期，第107-111页)应用了超声波测距传感器采集作物冠层与喷杆距离，采用加倾角传感器获取喷杆倾斜角度，测量结果比单纯应用超声波测量效果好，但无法准确获取喷杆倾斜时的喷杆对冠层的相对高度，其滤波方法连续测量到5个有效值偶然性较大，不稳定。论文《Direct derivation of maizeplant and crop height from low-cost time-of-flight camera measurements》(PlantMethods,2016)使用了3D摄像机测量植株高度，但图像数据处理时间较长，实时性差。论文《A LIDAR-based crop height measurement system for Miscanthus giganteus》(Computers&Electronics in Agriculture,2012)使用激光雷达测量喷杆相对作物冠层高度，该方法使用的激光雷达价格昂贵，性价比低。论文《喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统》(农业机械学报,2015)使用超声波测传感器测量喷杆两端相对地面的高度，但该方法只适用于配备有分行器的喷杆式喷雾机以及棉花等宽叶的低矮植物，对于如水稻、小麦等细长叶植物以及高杆作物不适合。论文《Control of spraying height withultrasonic sensor for boom sprayer(Part 1)》(农业机械学会志,1992，52(2)：31-39)使用超声波测传感器对喷杆相对作物冠层高度的监测进行了研究，结果表明，对于如马铃薯、四季豆和甜菜的宽叶作物，叶片的表面直径与检测距离之比>0.05时，才能能够检测到目标高度且传感器监测高度的误差<6cm。对于具有细长叶的作物(如小麦)，由于反射回波的降低，传感器不能获得正确高度值。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明目的在于一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法，实现喷杆式喷雾机在作业过程中能够准确、动态获取喷杆与地面间的相对高度，为喷杆平衡和喷杆与作物冠层相对高度动态调节奠定基础。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统，由喷杆(43)、信息获取单元(44)和控制单元(45)组成，在悬挂喷杆喷雾机的拖拉机两后轮胎正对的喷杆(43)位置安装两个超声测距传感器，由于喷雾机在田间作业时，轮胎经过之处为地面，确保超声测距传感器能够获得轮胎压过后喷杆相对地面的距离，在控制单元(45)作用下有效采集喷杆对地高度、提升油缸位移，喷杆倾角、车身姿态信息、喷杆姿态信息，经过数据抗干扰分析及多源信息融合，推算出喷杆对地高度或相对作物冠层高度。
进一步，所述的喷杆(43)通过拖拉机(12)自带的三点悬挂连接杆(13)挂接到拖拉机上，喷杆(43)包括左端喷杆臂(2)、右端喷杆臂(10)、喷杆提升装置、给喷杆提供药液的药箱(14)、喷杆臂仿形油缸(3)、喷杆与喷杆整体提升架之间的连杆(7)、中段喷杆(8)、主动平衡油缸(9)；所述的左端喷杆臂(2)、右端喷杆臂(10)和中段喷杆(8)均采用方钢焊接而成的桁架结构，左端喷杆臂(2)右上部与喷杆臂仿形油缸(3)一端连接，喷杆臂仿形油缸(3)的另一端与中段喷杆(8)左上部连接；右端喷杆臂(10)左上部与中段喷杆(8)右上部通过喷杆臂仿形油缸(3)连接；左端喷杆臂(2)右末端下部与中段喷杆(8)左末端下部通过圆柱形铰链连接；右端喷杆臂(10)左末端下部与中段喷杆(8)右末端下部通过圆柱形铰链连接；所述的喷杆提升装置用于提升左端喷杆臂(2)、右端喷杆臂(10)，包括喷杆升降油缸(4)、喷杆整体提升架(6)、钢丝绳(19)、定滑轮(20)、连接螺钉支撑架(21)、连接螺钉(22)、拉线式油缸位移传感器(24)、拉线式油缸位移传感器与喷杆整体提升架的内支撑架之间的连接件(25)；所述喷杆整体提升油缸(4)底部采用法兰连接的方式竖直安装于喷杆整体提升架的内支撑架(5)上，喷杆整体提升油缸(4)活塞杆末端部分加工为“V”形结构并在两端加工出孔安装销轴用于安装定滑轮(20)，定滑轮(20)上设有滑轮组的支撑座，连接螺钉(22)、连接螺钉支撑架(21)固定到滑轮组的支撑座上，定滑轮(20)在喷杆整体提升油缸(4)的带动下可以进行提升和下降的动作，定滑轮(20)上的钢丝绳(19)一端固定于喷杆整体提升架的内支撑架(5)上，另一端固定于喷杆整体提升架(6)上，通过喷杆整体提升油缸(4)进而带动喷杆(43)动作；当喷杆升降油缸(4)活塞杆沿着竖直方向运动时，驱动喷杆上下移动，实现喷杆对地或作物冠层的距离的调节；同时，喷杆升降油缸(4)的活塞杆上下移动时，拉线式油缸位移传感器(24)的拉线长度发生变化；所述喷杆整体提升架(6)采用方钢进行焊接的方式制成，左右两侧制出方形导轨，用于与喷杆整体提升架的内支撑架(5)进行配合，作用是进行喷杆(43)整体提升过程中进行对喷杆整体提升架(6)限位，喷杆整体提升架(6)一端与连杆(7)连接，另一端与喷杆整体提升架的内支撑架(5)相配合；所述喷杆整体提升架的内支撑架(5)由方钢通过焊接制成，前端与三点悬挂连接杆(13)相连，用于宽幅喷杆喷雾机整体高度的提升与下降，后端左右两侧加工出方形导轨，通过方形导轨与喷杆整体提升架(6)配合，限制喷杆(43)提升及下降动作空间位置，在三点悬挂连接杆(13)及喷杆整体提升架(6)之间的整体提升架的内支撑架(5)部分通过螺栓连接安装有用于药液存储的药箱(14)；所述的主动平衡油缸(9)为两个单活塞杆单作用油缸，两个主动平衡油缸(9)呈倒“八”字形进行安装，主动平衡油缸(9)的缸筒底端与中段喷杆(8)底部通过耳环球铰链相连，主动平衡油缸(9)的活塞杆末端通过单耳环铰链与喷杆整体提升架(6)连接，耳环球铰用于补偿平衡油缸工作过程当中的角度变化。
进一步，所述的信息获取单元(44)包括倾角传感器A(15)、倾角传感器B(41)、超声测距波传感器A(16)、超声测距波传感器B(40)、车身姿态传感器(17)、喷杆姿态传感器(18)、拉线式油缸位移传感器(24)；所述的拉线式油缸位移传感器(24)一端通过拉线式油缸位移传感器与喷杆整体提升架的内支撑架之间的连接件(25)连接到喷杆整体提升架的内支撑架(5)上，另一端通过连接螺钉(22)连接到连接螺钉支撑架(21)上，使得拉线时油缸位移传感器(24)的拉线与喷杆升降油缸(4)的轴线保持平行；所述的喷杆姿态传感器(18)通过螺钉固定到喷杆中段(8)的中心位置；喷杆姿态传感器(18)通过自带RS232串口与控制器的RS232接口B(30)连接；所述的车身姿态传感器(17)通过螺钉固定到拖拉机底盘(11)的中心位置；车身姿态传感器(17)通过自带RS232与控制器的RS232接口A(29)连接；所述的超声测距传感器A(16)和超声测距传感B(40)上加工有外螺纹，上、下两端用传感器安装高度调节与锁紧螺母(5)锁紧；沿着喷雾机行进方向，超声测距传感器A(16)和超声测距传感B(40)分别安装于拖拉机左后轮胎和右后轮胎的正后方，使得超声测距传感器发射波正好发射到拖拉机左后轮胎和右后轮胎在地面轮胎压痕上，确保超声测距传感器A(16)和超声测距传感B(40)准确采集到喷杆相对于地面的距离；所述的倾角传感器A(15)和倾角传感器B(41)通过自带的螺纹分别固定到左端喷杆臂(2)和右端喷杆臂(10)，两倾角传感器距离喷杆中心的距离相等，两个倾角传感器分别通过自带串口与控制器的RS232接口C(31)和RS232接口D(35)连接。
进一步，所述的拉线式油缸位移传感器(24)为WXY31-1010-1024传感器，输出为4-20mA，所述的喷杆姿态传感器(18)为LPMS-IG1 RS232金属外壳姿态传感器，所述的车身姿态传感器(17)为LPMS-IG1 RS232金属外壳姿态传感器，所述的超声测距传感器A(16)和超声测距传感B(40)，均为PEPPERL+FUCHS公司的UC2000-30GM-IUR2-V15传感器，所述的倾角传感器A(15)和倾角传感器B(41)，均为VG525动态倾角传感器。
进一步，所述的控制单元包括控制器(26)、超声测距传感器A(16)、超声测距传感器B(40)、SD卡(34)、倾角传感器A(15)、倾角传感器B(41)、车身姿态传感器(17)、喷杆姿态传感器(18)、触摸屏(37)、DC升压模块(39)、DC稳压模块(38)和12V DC电源(36)；
所述的控制器(26)为EMB8616I工控板，该工控板集成有4路RS232串口、1路RS485串口、8路12位A/D转换接口、2路12位D/A接口及1个SD卡接口；车身姿态传感器(17)通过RS232接口A(29)与控制器(26)连接，喷杆姿态传感器(18)通过RS232接口B(30)与控制器(26)连接，倾角传感器A(15)、倾角传感器B(41)分别通过RS232接口C(31)、RS232接口D(42)与控制器(26)连接，触摸屏(37)通过RS485接口(32)与控制器(26)连接，超声测距传感器A(16)和超声测距传感器B(40)分别与控制器(26)的A/D转换接口A(27)和A/D转换接口B(28)连接；SD卡(34)通过SD卡接口(33)直接插入到控制器(26)的板载SD卡插槽中；所述的12VDC电源(36)为拖拉机上蓄电池，一方面与DC升压模块(39)相连，通过DC升压模块(39)将12VDC电压转变为24V DC电压，为超声测距传感器A(16)、超声测距传感器B(40)、车身姿态传感器(17)、喷杆姿态传感器(18)、倾角传感器A(15)、倾角传感器B(41)和触摸屏(37)供电；另一方面与DC稳压模块(38)的输入端连接，DC稳压模块(38)的输出端通过电源接口(35)与控制器(26)连接，为控制器提供稳定的DC 12V供电。
进一步，所述的DC升压模块(39)为MDF150-12S24升压转换器；所述的DC稳压模块(38)为XW-0936-12稳压器；所述的触摸屏(37)为广州大彩光电科技有限公司的DC80480F070-6111-0T电阻触摸屏，触摸屏上集成有RS485通信口和TTL接口，触摸屏(37)通过RS485总线与控制器的RS485接口(32)连接，用于显示实时采集的高度数据、车身倾角、喷杆倾角、喷杆提升油缸位移、喷杆末端离地距离和喷杆与作物冠层相对高度目标值的设定。
本发明的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测方法，包括以下步骤：
步骤一：建立喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系；
步骤二：超声波测距传感器的标定；
所用的超声测距传感器可以精确测量80—2000mm范围内的距离，对应4-20mA的输出电流，4-20mA的电路经控制器内的模拟量采集模块转换为0-4095的数字量，根据实际所测喷杆相对作物冠层高度在200-2000mm范围内；
步骤三：喷杆对地相对高度的采集；
将喷杆喷雾机开到田间，展开喷杆，启动控制单元，通过触摸屏设定采样周期为100ms后，按下触摸屏上的启动按钮，在不同行走速度下对不同种植密度和不同类作物如小麦、水稻、玉米、大豆田中进行喷杆对地高度的采集并存储在SD卡供后续对数据的抗干扰处理，同时对所测量喷杆对地高度进行人工测量并记录测量值；
步骤四：高度采集数据的抗干扰处理；
步骤五：利用多源数据融合求得喷杆离地高度H0；
步骤六：求得喷杆相对作物冠层距离Hcanno；
通过人工采用多点测量求平均值的方法，获取作物冠层平均高度ha，则喷杆相对作物冠层高度为
Hcanno＝H0-ha (1)
步骤七：喷杆倾角θb的获取
Figure BDA0002946537920000071
θb2＝θr-θ0 (3)
若|θb1-θb2|＜0.5°,则θb＝θb1；否则，θb＝θb2；
超声测距传感器A和超声测距传感器B有效采样值，分别记为h1和h2；θ0为喷杆处于平衡位置时，喷杆姿态传感器横滚角的数值；θr为喷杆在任意位置时喷杆姿态传感器横滚角的数值；θb2为通过喷杆姿态传感器获得的喷杆倾角；
步骤八：喷杆末端离地高度Hend的导出
hend1＝H0+Δh1±Lsinθb＝H0+Lsinβ±Lsinθb (4)
Figure BDA0002946537920000072
其中，θb为喷杆倾角，顺时针方向为负，逆时针为正；DL为两个超声测距传感器间的安装距离，θT为挂接喷杆的拖拉机底盘倾角；hend1和hend2分别为喷杆左末端和喷杆右末端离地高度值；α和β分别为右端喷杆臂和左端喷杆臂相对于喷杆平衡位置时右端喷杆臂和左端喷杆臂的倾角，分别通过倾角传感器A和倾角传感器B获得；L-左端喷杆臂和右端喷杆臂长度；Δh1和Δh2分别为右端喷杆臂和左端喷杆臂倾角分别为α和β时，右端喷杆臂和左端喷杆臂在竖直方向上的位移变化量。
进一步，步骤一的具体过程为：将喷雾机驾驶到水平水泥路面上，展开喷杆并将喷杆调平，通过控制与升降油缸连接的比例电磁阀，使喷杆降到最低，利用控制单元采集拉线式油缸位移传感器输出电流值A1，同时利用卷尺手动记录喷杆离地高度s1，控制与喷杆升降油缸连接的比例电磁阀，在喷杆升降油缸驱动下，使得喷杆逐步升高，记录此时的喷杆离地高度s2并读取油缸位移传感器输出电流值A2，重复此过程，直到喷杆达到距离地面最高处为止，这样获得喷杆提升过程中喷杆离地高度与油缸位移传感器输出电流间的若干数据对{Sn,yn}；将喷杆从最高位置按照一定的步长逐步降到最低处，获得喷杆降低过程中喷杆离地高度与拉线式油缸位移传感器输出电流间的若干数据对{Sn,yn}；基于喷杆升降过程中获得的数据对，采用最小二乘法或多元回归方法建立喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系表达式；然后，改变喷杆离地高度，读取对应的拉线式油缸位移传感器输出电流值，代入所获得的喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系表达式，求的喷杆离地高度Smeasure，并手动记录此时喷杆离地高度值Sreal,若|Smeasure-Sreal|≤0.5cm，则所建立关系表达式正确，将模型系数保存待用。
进一步，步骤四和步骤五的具体过程为：
对步骤三采集的数据，采用限幅滤波、滑动平均滤波方法对数据进行滤波分析，去除喷雾机作业过程中由于超声测距传感器下方枝叶干扰以及其他干扰的影响而采集的数据奇异值，获取可靠、真实的有效数据；
1)、有效高度计数值N＝10；依次采集N个无枝叶干扰的超声波传感器距离值a0，…，aN-1，并求平均值A＝(a0+a1…+aN-1)/N，作为有效距离值A；
2)、采集超声波测距传感器的高度作为当前高度C，计算差值D＝C-A；判断D是否大于-10cm，若不大于-10cm，认为本次采样值受到枝叶的干扰，为无效采样值，舍弃本次采样值并返回2)进行下一个采样周期的采样；若大于-10cm，则本次采样值有效并使N＝N+1；a0＝a1；a1＝a2,…,aN-1＝C；
3)、判断有效高度计数值N是否达到10次，若N＝10,进行步骤4)的运算，若N<10，则返回2)继续进行下一个采样周期的数据采集；
4)、对获得的N次有效采样值求平均，A＝(a0+a1…+aN-1)/N；A为超声测距传感器最终的有效采样值，并将计数器N清0为后续数据采集做准备，即N＝0；
5)、对于超声测距传感器A和超声测距传感器B，将通过上述1)-4)获得的有效采样值，分别记为h1和h2；
6)求得h1和h2的平均值，h0＝(h1+h2)/2，并与通过拉线是油缸位移传感器获得的喷杆离地高度进行比较，若|h0-s|≤1cm，采用h0值作为喷杆离地高度值，否则，放弃本次采集获得的h0值，以s值作为喷杆离地高度值。
本发明具有有益效果
(1)本发明针对利用超声测距传感器测量喷杆对作物冠层测不准的现状以及稠密冠层作物难以准确获得喷杆对地面距离的缺陷，通过在悬挂喷杆喷雾机的拖拉机两后轮胎正对的喷杆位置安装两个超声测距传感器，由于喷雾机在田间作业时，轮胎经过之处为地面，确保超声测距传感器能够获得轮胎压过后喷杆相对地面的距离，在控制单元作用下有效采集喷杆对地高度、提升油缸位移，喷杆倾角、车身姿态信息、喷杆姿态信息，经过数据抗干扰分析及多源信息融合，准确推算出喷杆对地高度或相对作物冠层高度，实现了针对稠密冠层作物以及细长叶喷杆与地面相对高度的准确监测，突破了准确获取稠密冠层作物喷杆对地高度准确测量需要喷雾机增加分行器的技术瓶颈，为喷杆平衡和高度的动态调节奠定了技术基础。
(2)基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法，适用范围广，只需要通过螺栓即可安装到现有喷杆喷雾机使用。
附图说明
图1为喷杆喷雾机整体结构主视图；
图2为喷杆喷雾机整体结构左视图；
图3为喷杆喷雾机整体结构俯视图；
图4为倾角传感器安装示意图；
图5为e中段喷杆姿态传感器安装示意图；
图6为f车身姿态传感器安装示意图；
图7为喷杆提升装置及拉线式油缸位移传感器安装示意图；
图8为控制单元示意图；
图9为多源信息融合的喷杆对地高度测量示意图；
图10为枝叶遮挡干扰滤波程序流程图；
其中：1-作物；2-左端喷杆臂；3-喷杆臂仿形油缸；4-喷杆升降油缸；5-喷杆整体提升架的内支撑架；6-喷杆整体提升架；7-连杆；8-中段喷杆；9-主动平衡油缸；10-右端喷杆臂；11-拖拉机底盘；12-拖拉机；13-三点悬挂连接杆；14-药箱；15-倾角传感器A；16-超声测距传感器A；17-车身姿态传感器；18-喷杆姿态传感器；a-倾角传感器A在左端喷杆臂的安装位置；b-超声测距传感器A在中段喷杆的安装位置；c-超声测距传感器B在中段喷杆的安装位置；d-臂倾角传感器B在右端喷杆的安装位置；e-喷杆姿态传感器在中段喷杆上的安装位置；f-车身姿态传感器的安装位置；g-拉线式油缸位移传感器的安装位置；19-钢丝绳；20-定滑轮；21-连接螺钉支撑架；22-连接螺钉；23-拉线式油缸位移传感器连接头；24-拉线式油缸位移传感器；25-拉线式油缸位移传感器与喷杆整体提升架的内支撑架之间的连接件；26-控制器；27-A/D转换接口A；28-A/D转换接口B；29-RS232接口A；30-RS232接口B；31-RS232接口C 31；32-RS485接口；33-SD卡接口；34-SD卡；35-电源接口；36-12V DC电源；37-触摸屏；38-DC稳压模块；39-DC升压模块；40-超声测距传感器B；41-倾角传感器B；42-RS232接口D；43-喷杆；44-信息获取单元；45-控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。
如图1、图2和图3所示，本发明采用的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统由喷杆43、信息获取单元44和控制单元45组成。
所述的喷杆43主要包括左端喷杆臂2、喷杆臂仿形油缸3、喷杆升降油缸4、药箱14、喷杆整体提升架的内支撑架5、喷杆整体提升架6、喷杆与喷杆整体提升架之间的连杆7、中段喷杆8、主动平衡油缸9、右端喷杆臂10及喷杆提升装置，喷杆通过拖拉机12自带的三点悬挂连接杆13挂接到拖拉机上。
所述的左端喷杆臂2、右端喷杆臂10和中段喷杆8均为采用40×40的方钢焊接而成的桁架结构，左端喷杆臂2右上部与喷杆臂仿形油缸3一端连接，喷杆臂仿形油缸3的另一端与中段喷杆8左上部连接；右端喷杆臂10左上部与中段喷杆8右上部通过喷杆臂仿形油缸3连接；左端喷杆臂2右末端下部与中段喷杆8左末端下部通过圆柱形铰链连接；右端喷杆臂10左末端下部与中段喷杆8右末端下部通过圆柱形铰链连接；
所述的喷杆臂仿形油缸3为杆径45mm、缸径57mm、行程600mm的单活塞杆双作用油缸，喷杆臂仿形油缸3的活塞杆部分采用耳环球铰的方式与左端喷杆臂2和右端喷杆臂10相连接，喷杆臂仿形油缸3的缸筒底端采用单耳环的方式与中段喷杆8相连接，采用耳环球铰连接方式可以承受左端喷杆臂2、右端喷杆臂10仿形提升或下降过程当中的转动及工作过程当中左端喷杆臂2、右端喷杆臂10小幅度的跟随车身的前后运动而产生的摆动；
所述的喷杆提升装置用于提升左端喷杆臂2、右端喷杆臂10，包括喷杆升降油缸4、喷杆整体提升架6、钢丝绳19、定滑轮20、连接螺钉支撑架21、连接螺钉22、拉线式油缸位移传感器24、拉线式油缸位移传感器与喷杆整体提升架的内支撑架之间的连接件25；
所述喷杆整体提升油缸4底部采用法兰连接的方式竖直安装于喷杆整体提升架的内支撑架5上，喷杆整体提升油缸4活塞杆末端部分加工为“V”形结构并在两端加工出孔安装销轴用于安装定滑轮20，定滑轮20在喷杆整体提升油缸4的带动下可以进行提升和下降的动作，定滑轮20上的钢丝绳19一端固定于喷杆整体提升架的内支撑架5上，另一端固定于喷杆整体提升架6上，通过喷杆整体提升油缸4进而带动喷杆43动作；当喷杆升降油缸4活塞杆沿着竖直方向运动时，驱动喷杆上下移动，实现喷杆对地或作物冠层的距离的调节；同时，喷杆升降油缸4的活塞杆上下移动时，拉线式油缸位移传感器24的拉线长度发生变化；
所述喷杆整体提升架6采用方钢进行焊接的方式制成，左右两侧制出方形导轨，用于与喷杆整体提升架的内支撑架5进行配合，作用是进行喷杆43整体提升过程中进行对喷杆整体提升架6限位，喷杆整体提升架6一端与连杆7连接，另一端与喷杆整体提升架的内支撑架5相配合；
所述连杆7采用锻造的方式制成，中部的实心锻件两端锻出圆孔用于与喷杆43与喷杆整体提升架6进行铰接，连杆7的安装方式为双连杆对称安装呈“八”字形，连杆7、喷杆43与喷杆整体提升架6连接构成梯形连杆结构；
所述喷杆整体提升架的内支撑架5由方钢通过焊接制成，前端与三点悬挂连接杆13相连，用于宽幅喷杆喷雾机整体高度的提升与下降，后端左右两侧加工出方形导轨，通过方形导轨与喷杆整体提升架6配合，限制喷杆43提升及下降动作空间位置，在三点悬挂连接杆13及喷杆整体提升架6之间的整体提升架的内支撑架5部分通过螺栓连接安装有用于药液存储的药箱14；
所述的主动平衡油缸9为杆径为50mm、缸径为63mm、行程250mm的两个单活塞杆单作用油缸，两个主动平衡油缸9呈倒“八”字形进行安装，主动平衡油缸9的缸筒底端与中段喷杆8底部通过耳环球铰链相连，主动平衡油缸9的活塞杆末端通过单耳环铰链与喷杆整体提升架6连接，耳环球铰用于补偿平衡油缸工作过程当中的角度变化。
所述的信息获取单元由倾角传感器A15、倾角传感器B 41、超声测距波传感器A16、超声测距波传感器B 40、车身姿态传感器17、喷杆姿态传感器18、拉线式油缸位移传感器23组成。
所述的拉线式油缸位移传感器23为WXY31-1010-1024传感器(台州市椒江西域电子厂)，输出为4-20mA，一端通过拉线式油缸位移传感器23与喷杆整体提升架的内支撑架之间的连接件25连接到喷杆整体提升架的内支撑架5上，另一端通过连接螺钉22连接到连接螺钉支撑架21上，使得拉线时油缸位移传感器23的拉线与喷杆升降油缸4的轴线保持平行；
如图5，所述的喷杆姿态传感器18为LPMS-IG1 RS232金属外壳姿态传感器，通过螺钉固定到中段喷杆姿态传感器安装位置e处，即喷杆中段8的中心位置；喷杆姿态传感器18通过自带RS232串口与控制器的RS232接口B 30连接；
如图6，所述的车身姿态传感器17为LPMS-IG1 RS232金属外壳姿态传感器，通过螺钉固定到车身姿态传感器安装位置f处，即拖拉机底盘11的中心位置；车身姿态传感器17通过自带RS232与控制器的RS232接口A29连接；
所述的超声测距传感器A 16和超声测距传感B 40，均为PEPPERL+FUCHS公司的UC2000-30GM-IUR2-V15传感器，传感器上加工有外螺纹，垂直穿过喷杆上中段喷杆超声波测距传感器安装位置b和中段超声测距传感器安装位置c处直径为30mm的传感器安装孔后，上、下两端用传感器安装高度调节与锁紧螺母5锁紧；沿着喷雾机行进方向，超声测距传感器A16和超声测距传感B 40分别安装于拖拉机左后轮胎和右后轮胎的正后方，使得超声测距传感器发射波正好发射到拖拉机左后轮胎和右后轮胎在地面轮胎压痕上，降低枝叶干扰，确保超声测距传感器A16和超声测距传感B 40准确采集到喷杆相对于地面的距离。
如图4，所述的倾角传感器A15和倾角传感器B 41，均为VG525动态倾角传感器(无锡北为传感科技有限公司)，通过自带的螺纹分别固定到左端喷杆臂2上左端喷杆臂倾角传感器安装位置a和右端喷杆臂10上右端喷杆臂倾角传感器安装位置d，两倾角传感器15距离喷杆中心的距离相等，两个倾角传感器A15和B 41分别通过自带串口与控制器的RS232接口C 31和RS232接口D42连接。
如图7所示，所述的喷杆提升装置包括喷杆升降油缸4、喷杆整体提升架的内支撑架5、喷杆整体提升架6、钢丝绳19、定滑轮20、连接螺钉支撑架21、连接螺钉22、拉线式位移传感器连接头23、拉线式油缸位移传感器24和拉线式位移传感器与喷杆整体提升架的内支撑架之间的连接件25。
所述的喷杆升降油缸4活塞杆末端焊接有定滑轮20，连接螺钉支撑架21固定到滑轮组的支撑座上，绕过定滑轮的钢丝绳一端通过铰链固定到喷杆整体提升架的内支撑架5上，另一端固定到喷杆整体提升架6上，当喷杆升降油缸4活塞杆沿着竖直方向运动时，驱动喷杆上下移动，实现喷杆对地或作物冠层的距离的调节；同时，喷杆升降油缸4的活塞杆上下移动时，拉线式油缸位移传感器23的拉线长度发生变化。
如图8，所述的控制单元包括控制器26、超声测距传感器A 16、超声测距传感器B40、SD卡34、倾角传感器A 15、倾角传感器B 41、车身姿态传感器17、喷杆姿态传感器18、触摸屏37、DC升压模块39、DC稳压模块38和12V DC电源36。
所述的控制器26为EMB8616I工控板，采用ST公司的STM32F107VCT6作为MCU，该工控板集成有4路RS232串口、1路RS485串口、8路12位A/D转换接口、2路12位D/A接口及1个SD卡接口。
车身姿态传感器17通过RS232接口A29与控制器26连接，喷杆姿态传感器18通过RS232接口B 30与控制器26连接，倾角传感器A15、倾角传感器B 41分别通过RS232接口C31、RS232接口D 42与控制器26连接，触摸屏37通过RS485接口32与控制器26连接，超声测距传感器A16和超声测距传感器B 38分别与控制器26的A/D转换接口A 27和A/D转换接口B 28连接；SD卡34通过SD卡接口33直接插入到控制器26的板载SD卡插槽中；
所述的12V DC电源36为拖拉机上蓄电池，一方面与DC升压模块39相连，通过DC升压模块39将12V DC电压转变为24V DC电压，为超声测距传感器A 16、超声测距传感器B 40、车身姿态传感器17、喷杆姿态传感器18、倾角传感器A15、倾角传感器B41和触摸屏37供电；另一方面与DC稳压模块38的输入端连接，DC稳压模块38的输出端通过电源接口35与控制器26连接，为控制器提供稳定的DC 12V供电；
所述的DC升压模块39为MDF150-12S24升压转换器；
所述的DC稳压模块38为XW-0936-12稳压器；
所述的触摸屏37为广州大彩光电科技有限公司的DC80480F070-6111-0T电阻触摸屏，触摸屏上集成有RS485通信口和TTL接口，触摸屏37通过RS485总线与控制器的RS485接口32连接，用于显示实时采集的高度数据、车身倾角、喷杆倾角、喷杆提升油缸位移、喷杆末端离地距离和喷杆与作物冠层相对高度目标值的设定。
一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测方法，包括以下步骤：
步骤一：建立喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系。
将喷雾机驾驶到水平水泥路面上，展开喷杆并将喷杆调平，通过控制与升降油缸连接的比例电磁阀，使喷杆降到最低，利用控制单元采集拉线式油缸位移传感器输出电流值A1，同时利用卷尺手动记录喷杆离地高度s1，控制与喷杆升降油缸连接的比例电磁阀，在喷杆升降油缸驱动下，使得喷杆逐步升高，记录此时的喷杆离地高度s2并读取油缸位移传感器输出电流值A2，重复此过程，直到喷杆达到距离地面最高处为止，这样获得喷杆提升过程中喷杆离地高度与油缸位移传感器输出电流间的若干数据对{Sn,yn}；将喷杆从最高位置按照一定的步长逐步降到最低处，获得喷杆降低过程中喷杆离地高度与拉线式油缸位移传感器输出电流间的若干数据对{Sn,yn}；基于喷杆升降过程中获得的数据对，采用最小二乘法或多元回归方法建立喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系表达式；然后，改变喷杆离地高度，读取对应的拉线式油缸位移传感器输出电流值，代入所获得的喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系表达式，求的喷杆离地高度Smeasure，并手动记录此时喷杆离地高度值Sreal,若|Smeasure-Sreal|≤0.5cm，则所建立关系表达式正确，将模型系数保存待用。
步骤二：超声波测距传感器的标定。
所用的超声测距传感器可以精确测量80—2000mm范围内的距离，对应4-20mA的输出电流，4-20mA的电路经控制器内的模拟量采集模块转换为0-4095的数字量，根据实际所测喷杆相对作物冠层高度在200-2000mm范围内，为此本发明仅对200-2000mm范围内的数据进行了精确标定。
步骤三：喷杆对地相对高度的采集。
将喷杆喷雾机开到田间，展开喷杆，启动控制单元，通过触摸屏设定采样周期为100ms后，按下触摸屏上的启动按钮，在不同行走速度下对不同种植密度和不同类作物如小麦、水稻、玉米、大豆田中进行喷杆对地高度的采集并存储在SD卡供后续对数据的抗干扰处理，同时对所测量喷杆对地高度进行人工测量并记录测量值。
步骤四：高度采集数据的抗干扰处理。
如图10，对步骤三采集的数据，采用限幅滤波、滑动平均滤波方法对数据进行滤波分析，去除喷雾机作业过程中由于超声测距传感器下方枝叶干扰以及其他干扰的影响而采集的数据奇异值，获取可靠、真实的有效数据。
(1)、有效高度计数值N＝10；依次采集N个无枝叶干扰的超声波传感器距离值a0，…，aN-1，并求平均值A＝(a0+a1…+aN-1)/N，作为有效距离值A，
(2)、采集超声波测距传感器的高度作为当前高度C，计算差值D＝C-A；判断D是否大于-10cm，若不大于-10cm，认为本次采样值受到枝叶的干扰，为无效采样值，舍弃本次采样值并返回(2)进行下一个采样周期的采样；若大于-10cm，则本次采样值有效并使N＝N+1；a0＝a1；a1＝a2,…,aN-1＝C；
(3)、判断有效高度计数值N是否达到10次，若N＝10,进行步骤(4)的运算，若N<10，则返回(2)继续进行下一个采样周期的数据采集；
(4)、对获得的N次有效采样值求平均，A＝(a0+a1…+aN-1)/N；A为超声测距传感器最终的有效采样值，并将计数器N清0为后续数据采集做准备，即N＝0。
(5)、对于超声测距传感器A和超声测距传感器B，将通过上述(1)-(4)获得的有效采样值，分别记为h1和h2；
步骤五：利用多源数据融合求得喷杆离地高度H0
如图9，求得h1和h2的平均值，h0＝(h1+h2)/2，并与通过拉线是油缸位移传感器获得的喷杆离地高度进行比较，若|h0-s|≤1cm，采用h0值作为喷杆离地高度值，否则，放弃本次采集获得的h0值，以s值作为喷杆离地高度值。
步骤六：求得喷杆相对作物冠层距离Hcanno
通过人工采用多点测量求平均值的方法，获取作物冠层平均高度ha，则喷杆相对作物冠层高度为
Hcanno＝H0-ha (1)
步骤七：喷杆倾角θb的获取
Figure BDA0002946537920000151
θb2＝θr-θ0 (3)
若|θb1-θb2|＜0.5°，则θb＝θb1；否则，θb＝θb2
θ0为喷杆处于平衡位置时，喷杆姿态传感器横滚角的数值；θr为喷杆在任意位置时喷杆姿态传感器横滚角的数值；θb2为通过喷杆姿态传感器获得的喷杆倾角。
步骤八：喷杆末端离地高度Hend的导出
hend1＝H0+Δh1±Lsinθb＝H0+Lsinβ±Lsinθb (4)
Figure BDA0002946537920000161
其中，θb为喷杆倾角，顺时针方向为负，逆时针为正；DL为两个超声测距传感器间的安装距离，θT为挂接喷杆的拖拉机底盘倾角；hend1和hend2分别为喷杆左末端和喷杆右末端离地高度值；α和β分别为右端喷杆臂和左端喷杆臂相对于喷杆平衡位置时右端喷杆臂和左端喷杆臂的倾角，分别通过倾角传感器A和倾角传感器B获得；L-左端喷杆臂和右端喷杆臂长度；Δh1和Δh2分别为右端喷杆臂和左端喷杆臂倾角分别为α和β时，右端喷杆臂和左端喷杆臂在竖直方向上的位移变化量。
本发明一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法的工作过程：喷雾机开始喷雾作业前，启动喷杆相对地面高度实时测量系统，进行开机自检，自检通过后，利用触摸屏37设置喷杆相对地面的目标高度、高度阈值等，然后在控制器26的作用下，通过超声测距传感器A 16、超声测距传感器B 40动态采集拖拉机田块后轮胎压过的地面相对喷杆的高度，通过倾角传感器A15、倾角传感器B 41、倾角传感器A 16、车身姿态传感器17、喷杆姿态传感器18和拉线式油缸位移传感器23分别获取左喷杆臂倾角、右左喷杆臂倾角、车身姿态、喷杆姿态和喷杆提升油缸位移，通过对采集数据的抗干扰处理、数据融合，得出喷杆两末端地面的实际高度、喷杆倾角及喷杆相对作物冠层距离Hcanno，存储在SD卡34并在触摸屏37实时显示。

Claims (9)

1.一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统，由喷杆(43)、信息获取单元(44)和控制单元(45)组成，其特征在于：在悬挂喷杆喷雾机的拖拉机两后轮胎正对的喷杆(43)位置安装两个超声测距传感器，由于喷雾机在田间作业时，轮胎经过之处为地面，确保超声测距传感器能够获得轮胎压过后喷杆相对地面的距离，在控制单元(45)作用下有效采集喷杆对地高度、提升油缸位移，喷杆倾角、车身姿态信息、喷杆姿态信息，经过数据抗干扰分析及多源信息融合，推算出喷杆对地高度或相对作物冠层高度。
2.根据权利要求1所述的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统，其特征在于：所述的喷杆(43)通过拖拉机(12)自带的三点悬挂连接杆(13)挂接到拖拉机上，喷杆(43)包括左端喷杆臂(2)、右端喷杆臂(10)、喷杆提升装置、给喷杆提供药液的药箱(14)、喷杆臂仿形油缸(3)、喷杆与喷杆整体提升架之间的连杆(7)、中段喷杆(8)、主动平衡油缸(9)；
所述的左端喷杆臂(2)、右端喷杆臂(10)和中段喷杆(8)均采用方钢焊接而成的桁架结构，左端喷杆臂(2)右上部与喷杆臂仿形油缸(3)一端连接，喷杆臂仿形油缸(3)的另一端与中段喷杆(8)左上部连接；右端喷杆臂(10)左上部与中段喷杆(8)右上部通过喷杆臂仿形油缸(3)连接；左端喷杆臂(2)右末端下部与中段喷杆(8)左末端下部通过圆柱形铰链连接；右端喷杆臂(10)左末端下部与中段喷杆(8)右末端下部通过圆柱形铰链连接；
所述的喷杆提升装置用于提升左端喷杆臂(2)、右端喷杆臂(10)，包括喷杆升降油缸(4)、喷杆整体提升架(6)、钢丝绳(19)、定滑轮(20)、连接螺钉支撑架(21)、连接螺钉(22)、拉线式油缸位移传感器(24)、拉线式油缸位移传感器与喷杆整体提升架的内支撑架之间的连接件(25)；
所述喷杆整体提升油缸(4)底部采用法兰连接的方式竖直安装于喷杆整体提升架的内支撑架(5)上，喷杆整体提升油缸(4)活塞杆末端部分加工为“V”形结构并在两端加工出孔安装销轴用于安装定滑轮(20)，定滑轮(20)上设有滑轮组的支撑座，连接螺钉(22)、连接螺钉支撑架(21)固定到滑轮组的支撑座上，定滑轮(20)在喷杆整体提升油缸(4)的带动下可以进行提升和下降的动作，定滑轮(20)上的钢丝绳(19)一端固定于喷杆整体提升架的内支撑架(5)上，另一端固定于喷杆整体提升架(6)上，通过喷杆整体提升油缸(4)进而带动喷杆(43)动作；当喷杆升降油缸(4)活塞杆沿着竖直方向运动时，驱动喷杆上下移动，实现喷杆对地或作物冠层的距离的调节；同时，喷杆升降油缸(4)的活塞杆上下移动时，拉线式油缸位移传感器(24)的拉线长度发生变化；
所述喷杆整体提升架(6)采用方钢进行焊接的方式制成，左右两侧制出方形导轨，用于与喷杆整体提升架的内支撑架(5)进行配合，作用是进行喷杆(43)整体提升过程中进行对喷杆整体提升架(6)限位，喷杆整体提升架(6)一端与连杆(7)连接，另一端与喷杆整体提升架的内支撑架(5)相配合；
所述喷杆整体提升架的内支撑架(5)由方钢通过焊接制成，前端与三点悬挂连接杆(13)相连，用于宽幅喷杆喷雾机整体高度的提升与下降，后端左右两侧加工出方形导轨，通过方形导轨与喷杆整体提升架(6)配合，限制喷杆(43)提升及下降动作空间位置，在三点悬挂连接杆(13)及喷杆整体提升架(6)之间的整体提升架的内支撑架(5)部分通过螺栓连接安装有用于药液存储的药箱(14)；
所述的主动平衡油缸(9)为两个单活塞杆单作用油缸，两个主动平衡油缸(9)呈倒“八”字形进行安装，主动平衡油缸(9)的缸筒底端与中段喷杆(8)底部通过耳环球铰链相连，主动平衡油缸(9)的活塞杆末端通过单耳环铰链与喷杆整体提升架(6)连接，耳环球铰用于补偿平衡油缸工作过程当中的角度变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统，其特征在于：所述的信息获取单元(44)包括倾角传感器A(15)、倾角传感器B(41)、超声测距波传感器A(16)、超声测距波传感器B(40)、车身姿态传感器(17)、喷杆姿态传感器(18)、拉线式油缸位移传感器(24)；
所述的拉线式油缸位移传感器(24)一端通过拉线式油缸位移传感器与喷杆整体提升架的内支撑架之间的连接件(25)连接到喷杆整体提升架的内支撑架(5)上，另一端通过连接螺钉(22)连接到连接螺钉支撑架(21)上，使得拉线时油缸位移传感器(24)的拉线与喷杆升降油缸(4)的轴线保持平行；
所述的喷杆姿态传感器(18)通过螺钉固定到喷杆中段(8)的中心位置；喷杆姿态传感器(18)通过自带RS232串口与控制器的RS232接口B(30)连接；
所述的车身姿态传感器(17)通过螺钉固定到拖拉机底盘(11)的中心位置；车身姿态传感器(17)通过自带RS232与控制器的RS232接口A(29)连接；
所述的超声测距传感器A(16)和超声测距传感B(40)上加工有外螺纹，上、下两端用传感器安装高度调节与锁紧螺母(5)锁紧；沿着喷雾机行进方向，超声测距传感器A(16)和超声测距传感B(40)分别安装于拖拉机左后轮胎和右后轮胎的正后方，使得超声测距传感器发射波正好发射到拖拉机左后轮胎和右后轮胎在地面轮胎压痕上，确保超声测距传感器A(16)和超声测距传感B(40)准确采集到喷杆相对于地面的距离；
所述的倾角传感器A(15)和倾角传感器B(41)通过自带的螺纹分别固定到左端喷杆臂(2)和右端喷杆臂(10)，两倾角传感器距离喷杆中心的距离相等，两个倾角传感器分别通过自带串口与控制器的RS232接口C(31)和RS232接口D(35)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统，其特征在于：所述的拉线式油缸位移传感器(24)为WXY31-1010-1024传感器，输出为4-20mA，所述的喷杆姿态传感器(18)为LPMS-IG1 RS232金属外壳姿态传感器，所述的车身姿态传感器(17)为LPMS-IG1 RS232金属外壳姿态传感器，所述的超声测距传感器A(16)和超声测距传感B(40)，均为PEPPERL+FUCHS公司的UC2000-30GM-IUR2-V15传感器，所述的倾角传感器A(15)和倾角传感器B(41)，均为VG525动态倾角传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统，其特征在于：所述的控制单元包括控制器(26)、超声测距传感器A(16)、超声测距传感器B(40)、SD卡(34)、倾角传感器A(15)、倾角传感器B(41)、车身姿态传感器(17)、喷杆姿态传感器(18)、触摸屏(37)、DC升压模块(39)、DC稳压模块(38)和12V DC电源(36)；
所述的控制器(26)为EMB8616I工控板，该工控板集成有4路RS232串口、1路RS485串口、8路12位A/D转换接口、2路12位D/A接口及1个SD卡接口；车身姿态传感器(17)通过RS232接口A(29)与控制器(26)连接，喷杆姿态传感器(18)通过RS232接口B(30)与控制器(26)连接，倾角传感器A(15)、倾角传感器B(41)分别通过RS232接口C(31)、RS232接口D(42)与控制器(26)连接，触摸屏(37)通过RS485接口(32)与控制器(26)连接，超声测距传感器A(16)和超声测距传感器B(40)分别与控制器(26)的A/D转换接口A(27)和A/D转换接口B(28)连接；SD卡(34)通过SD卡接口(33)直接插入到控制器(26)的板载SD卡插槽中；
所述的12V DC电源(36)为拖拉机上蓄电池，一方面与DC升压模块(39)相连，通过DC升压模块(39)将12V DC电压转变为24V DC电压，为超声测距传感器A(16)、超声测距传感器B(40)、车身姿态传感器(17)、喷杆姿态传感器(18)、倾角传感器A(15)、倾角传感器B(41)和触摸屏(37)供电；另一方面与DC稳压模块(38)的输入端连接，DC稳压模块(38)的输出端通过电源接口(35)与控制器(26)连接，为控制器提供稳定的DC 12V供电。
6.根据权利要求5所述的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统，其特征在于：所述的DC升压模块(39)为MDF150-12S24升压转换器；所述的DC稳压模块(38)为XW-0936-12稳压器；所述的触摸屏(37)为广州大彩光电科技有限公司的DC80480F070-6111-0T电阻触摸屏，触摸屏上集成有RS485通信口和TTL接口，触摸屏(37)通过RS485总线与控制器的RS485接口(32)连接，用于显示实时采集的高度数据、车身倾角、喷杆倾角、喷杆提升油缸位移、喷杆末端离地距离和喷杆与作物冠层相对高度目标值的设定。
7.一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系；
步骤二：超声波测距传感器的标定；
所用的超声测距传感器可以精确测量80—2000mm范围内的距离，对应4-20mA的输出电流，4-20mA的电路经控制器内的模拟量采集模块转换为0-4095的数字量，根据实际所测喷杆相对作物冠层高度在200-2000mm范围内；
步骤三：喷杆对地相对高度的采集；
将喷杆喷雾机开到田间，展开喷杆，启动控制单元，通过触摸屏设定采样周期为100ms后，按下触摸屏上的启动按钮，在不同行走速度下对不同种植密度和不同类作物如小麦、水稻、玉米、大豆田中进行喷杆对地高度的采集并存储在SD卡供后续对数据的抗干扰处理，同时对所测量喷杆对地高度进行人工测量并记录测量值；
步骤四：高度采集数据的抗干扰处理；
步骤五：利用多源数据融合求得喷杆离地高度H0；
步骤六：求得喷杆相对作物冠层距离Hcanno；
通过人工采用多点测量求平均值的方法，获取作物冠层平均高度ha，则喷杆相对作物冠层高度为
Hcanno＝H0-ha (1)
步骤七：喷杆倾角θb的获取
Figure FDA0002946537910000051
θb2＝θr-θ0 (3)
若|θb1-θb2|＜0.5°,则θb＝θb1；否则，θb＝θb2；
超声测距传感器A和超声测距传感器B有效采样值，分别记为h1和h2；θ0为喷杆处于平衡位置时，喷杆姿态传感器横滚角的数值；θr为喷杆在任意位置时喷杆姿态传感器横滚角的数值；θb2为通过喷杆姿态传感器获得的喷杆倾角；
步骤八：喷杆末端离地高度Hend的导出
hend1＝H0+Δh1±Lsinθb＝H0+Lsinβ±Lsinθb (4)
Figure FDA0002946537910000052
其中，θb为喷杆倾角，顺时针方向为负，逆时针为正；DL为两个超声测距传感器间的安装距离，θT为挂接喷杆的拖拉机底盘倾角；hend1和hend2分别为喷杆左末端和喷杆右末端离地高度值；α和β分别为右端喷杆臂和左端喷杆臂相对于喷杆平衡位置时右端喷杆臂和左端喷杆臂的倾角，分别通过倾角传感器A和倾角传感器B获得；L-左端喷杆臂和右端喷杆臂长度；Δh1和Δh2分别为右端喷杆臂和左端喷杆臂倾角分别为α和β时，右端喷杆臂和左端喷杆臂在竖直方向上的位移变化量。
8.根据权利要求7所述的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测方法，其特征在于，步骤一的具体过程为：将喷雾机驾驶到水平水泥路面上，展开喷杆并将喷杆调平，通过控制与升降油缸连接的比例电磁阀，使喷杆降到最低，利用控制单元采集拉线式油缸位移传感器输出电流值A1，同时利用卷尺手动记录喷杆离地高度s1，控制与喷杆升降油缸连接的比例电磁阀，在喷杆升降油缸驱动下，使得喷杆逐步升高，记录此时的喷杆离地高度s2并读取油缸位移传感器输出电流值A2，重复此过程，直到喷杆达到距离地面最高处为止，这样获得喷杆提升过程中喷杆离地高度与油缸位移传感器输出电流间的若干数据对{Sn,yn}；将喷杆从最高位置按照一定的步长逐步降到最低处，获得喷杆降低过程中喷杆离地高度与拉线式油缸位移传感器输出电流间的若干数据对{Sn,yn}；基于喷杆升降过程中获得的数据对，采用最小二乘法或多元回归方法建立喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系表达式；然后，改变喷杆离地高度，读取对应的拉线式油缸位移传感器输出电流值，代入所获得的喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系表达式，求的喷杆离地高度Smeasure，并手动记录此时喷杆离地高度值Sreal,若|Smeasure-Sreal|≤0.5cm，则所建立关系表达式正确，将模型系数保存待用。
9.根据权利要求7所述的一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测方法，其特征在于，步骤四和步骤五的具体过程为：
对步骤三采集的数据，采用限幅滤波、滑动平均滤波方法对数据进行滤波分析，去除喷雾机作业过程中由于超声测距传感器下方枝叶干扰以及其他干扰的影响而采集的数据奇异值，获取可靠、真实的有效数据；
1)、有效高度计数值N＝10；依次采集N个无枝叶干扰的超声波传感器距离值a0，…，aN-1，并求平均值A＝(a0+a1…+aN-1)/N，作为有效距离值A；
2)、采集超声波测距传感器的高度作为当前高度C，计算差值D＝C-A；判断D是否大于-10cm，若不大于-10cm，认为本次采样值受到枝叶的干扰，为无效采样值，舍弃本次采样值并返回2)进行下一个采样周期的采样；若大于-10cm，则本次采样值有效并使N＝N+1；a0＝a1；a1＝a2,…,aN-1＝C；
3)、判断有效高度计数值N是否达到10次，若N＝10,进行步骤4)的运算，若N<10，则返回2)继续进行下一个采样周期的数据采集；
4)、对获得的N次有效采样值求平均，A＝(a0+a1…+aN-1)/N；A为超声测距传感器最终的有效采样值，并将计数器N清0为后续数据采集做准备，即N＝0；
5)、对于超声测距传感器A和超声测距传感器B，将通过上述1)-4)获得的有效采样值，分别记为h1和h2；
6)求得h1和h2的平均值，h0＝(h1+h2)/2，并与通过拉线是油缸位移传感器获得的喷杆离地高度进行比较，若|h0-s|≤1cm，采用h0值作为喷杆离地高度值，否则，放弃本次采集获得的h0值，以s值作为喷杆离地高度值。
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