CN115523873A - 一种智能田间开沟作业质量监测方法、系统及装备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能田间开沟作业质量监测系统、方法及装备。所述智能田间开沟作业质量监控系统包括：数据采集模块、下位机、数据传输模块和上位机；所述智能田间开沟作业质量监测方法包括系统启动后，通过数据采集模块获取数据，下位机负责将采集的数据进行处理与计算，数据传输模块将计算结果发送给上位机进行实时显示及储存；所述智能田间开沟作业质量装备包括沟面宽度深度测量辅助机构机架、沟底宽度测量辅助机构，用于安装相关传感器。所述智能田间开沟作业质量监测系统、方法及装备可以实现果园开沟作业过程中相关参数的实时监测、计算、显示与保存功能，进而为提高智能化开沟作业奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及智慧农业的研究领域，尤其涉及一种智能田间开沟作业质量监测方法、系统及装备。
背景技术
开沟作业作为果园种植中的关键性环节，会对农耕效率、肥料吸收率及后续农作物的生长效果造成很大的影响。机械化开沟作业由于其效率快、人工成本低等优点，受到国家和地方的大力推广。在机械化田间开沟作业过程中，沟面宽度、沟底宽度以及开沟深度作为开沟机械作业质量的重要指标对开沟作业质量和开沟机性能的评估具有重要的意义。
目前对于沟面宽度、沟底宽度以及开沟深度的测量重要是人工。人工测量是通过在开沟作业区域取若干个测量点，借助量尺对相关参数指标进行测量。人工测量的方法容易受到人为主观因素的影响，误差较大、效率低下，并且实时性较差，不能实现实时精准监测开沟作业质量参数的需求，不符合我国目前对于智慧农业的发展需要。
综上所述，提出一种智能田间开沟作业质量监测方法、系统及装备可解决人工测量工作量大、测量精度等问题，并且可为实时监测开沟作业质量奠定理论基础，同时可为开沟作业监测装备提供可靠方法、系统与仪器，还可以为相关技术装备提供参考。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是在于提出一种智能田间开沟作业质量监测方法、系统及装备，可实现对沟面宽度、沟底宽度以及开沟深度的实时监测。
本发明的第一目的在于提供一种智能田间开沟作业质量监测系统。
本发明的第二目的在于提供一种智能田间开沟作业质量监测方法。
本发明的第三目的在于提供一种智能田间开沟作业质量监测装备。
本发明所采取的技术方案如下。
为解决本实现本发明的第一目的，本发明提供的智能田间开沟作业质量监测系统，其特征在于，包括：数据采集模块、下位机、数据传输模块和上位机。
所述数据采集模块主要为传感器组，包括安装沟面宽度测量传感器、沟底宽度测量传感器、深度传感器和角度矫正传感器；所述沟面宽度测量传感器、深度传感器安装沟面宽度深度测量辅助机构机架的横梁上，用于采集当前开沟沟面宽度、开沟深度；所述角度矫正传感器安装在沟面宽度深度测量辅助机构机架上，用于测量当前沟面宽度深度测量辅助机构机架相对于参考地面的角度，对所测得的沟面宽度进行矫正；所述沟底宽度测量传感器安装在沟底宽度测量辅助机构的半圆弧结构上，用于监测当前开沟作业沟底宽度。
进一步的，所述角度矫正传感器采用角度传感器，用于测量当前沟面宽度深度测量辅助机构机架相对于参考地面的角度，对所测得的沟面宽度进行矫正，降低因当前所开沟两边地面高度不一致，造成仿形机构倾斜，对沟面宽度测量数据精确度造成的影响。
进一步的，所述深度传感器及宽度传感器采用深圳市导向机电有限公司的KS103超声波传感器，包含实时温度补偿的距离探测，且传感器通过单片机的I2C总线与单片机通讯。
所述下位机为单片机系统，负责将数据采集模块采集的相关数据进行处理,并计算出沟面宽度、沟底宽度、开沟深度以及沟面宽度深度测量辅助机构机架相对于参考地面的角度的数值。
所述数据传输模块为无线传输设备，负责将下位机处理的计算结果发送给上位机,实现数据的无线传输。
所述上位机为带有显示屏的计算机设备，即将接收到的数据进行实时的显示、曲线显示及储存，并搭建开沟作业质量数据库，从而达到对田间开沟作业质量进行监测、数据保存的目的。
为解决本实现本发明的第二目的，本发明提供一种智能田间开沟作业质量监测方法，用于对开沟作业进行监测，智能田间开沟作业质量监测方法包括所当监测系统启动后，通过数据采集模块的传感器组按照设定频率获取监测数据，下位机负责将数据采集模块采集的相关数据进行处理，结合相应的公式与算法计算出相应的沟面宽度、沟底宽度以及开沟深度的数值，若判断传感器长时间未监测数据，则通过下位机上的警示模块进行闪烁与蜂鸣报警提示，在此基础上，数据传输模块将下位机处理的计算结果发送给上位机,并由上位机将接收到的数据进行实时的显示及储存，从而达到对田间开沟作业质量进行监测的目的。
进一步的，由于在开沟作业过程中，由于作业环境、系统误差等因素的影响，会使传感器数据的精度受到影响，因此在对数据进行计算时采用卡尔曼滤波算法对数据进行预处理，在将数据经过下位进行分析计算，进一步提高数据的可靠性。
进一步的，由于在作业过程中，开沟两侧地面存在高度不一致的问题，导致机身存在倾斜，致使宽度测量结果不准确的问题，本方法中通过角度矫正传感器对当前机身姿态角度进行测量，对宽度测量值进行矫正，降低装置机身倾斜对测量精度的影响。
为解决本实现本发明的第三目的，本发明提供一种智能田间开沟作业质量监测装备，所述智能田间开沟作业质量监测装备包括沟面宽度深度测量辅助机构机架、沟底宽度测量辅助机构，用于安装相关宽度及深度测量传感器；其中所述沟面宽度深度测量辅助机构机架为平行于地面的沟面宽度深度测量辅助机构机架，其仿形机构四角下方均安装有车轮，仿形机构的中点位置装有横梁，用于安装沟面宽度测量传感器、深度测量传感器以及角度矫正传感器，其中角度矫正传感器对宽度测量值进行矫正；所述沟底宽度测量辅助机构置于沟底，且与地面接触面为半圆弧结构，沟底宽度测量传感器安装在沟底宽度测量辅助机构的半圆弧结构上，用于镇压开沟浮土，以保证当前传感器测量位置为沟底位置，提高数据精度，所述沟底宽度测量传感器安装在沟底宽度测量辅助机构的半圆弧结构上，且该机构通过铰链轴与沟面宽度深度测量辅助机构机架连接固定。
本发明具有有益效果。
本发明通过对沟面宽度、沟底宽度以及开沟深的实时监测，通过沟面宽度测量传感器、沟底宽度测量传感器、深度传感器和角度矫正传感器，结合相关算法及公式进行转换与计算，实时监测当前开沟作业质量。本发明可以简单直观的对当前开沟作业质量进行监测，并且可以通过上位机实现数据的实时显示、储存以及数据库的建立，便于对作业质量进行综合评价和监测以及后期数据的查询。
附图说明
图1是本发明的智能田间开沟作业质量监测系统结构图；
图2是智能田间开沟作业质量监测系统上位机界面示意图；
图3是本发明智能田间开沟作业质量监测系统传感器接线示意图；
图4是本发明智能田间开沟作业质量监测装备示意图；
图中所示：
1为沟面宽度深度测量辅助机构，2为沟底宽度测量辅助机构。
图5是本发明智能田间开沟作业质量监测装备中沟面宽度深度测量辅助机构机架及其传感器安装示意图；
图中所示：
3为沟面宽度深度测量辅助机构机架，4为角度矫正传感器，5为车轮，6为左侧沟面宽度测量传感器，7为深度测量传感器，8为右侧沟面宽度测量传感器。
图6是本发明智能田间开沟作业质量监测装备中沟底宽度测量辅助机构示意图；
图中所示：
9为左侧沟底宽度测量传感器，10为右侧沟底宽度测量传感器。
图7是本发明智能田间开沟作业质量监测方法中开沟沟面宽度计算方法示意图；
图8是本发明智能田间开沟作业质量监测方法中开沟沟面宽度角度矫正的计算方法示意图；
图9是本发明智能田间开沟作业质量监测方法中开沟沟底宽度计算方法示意图。
具体实施方式
在以下内容中将结合附图1-9对本发明的实施例进行详细描述。
下面将结合图1-3为对本发明中智能田间开沟作业质量监测系统实施例进行详细描述。
图1为本发明实施例中提供一种智能田间开沟作业质量监测系统的结构示意图,结合图1所示，提供一种智能田间开沟作业质量监测系统包括：数据采集模块、下位机、数据传输模块和上位机。
结合图1所示，所述数据采集模块包括安装沟面宽度测量传感器、沟底宽度测量传感器、深度传感器和角度矫正传感器。
所述沟面宽度测量传感器、深度传感器安装在沟面宽度深度测量辅助机构机架的横梁上，用于采集当前开沟沟面宽度、开沟深度的原始数据；所述角度矫正传感器安装在沟面宽度深度测量辅助机构机架上，用于测量当前沟面宽度深度测量辅助机构机架相对于参考地面的角度，对所测得的沟面宽度进行矫正；所述沟底宽度测量传感器安装在沟底宽度测量辅助机构的半圆弧结构上，用于监测当前开沟作业沟底宽度。
所述下位机负责将数据采集模块采集的原始数据进行处理,首先结合卡尔曼滤波算法对原始数据进行预处理，在通过相应的参数计算公式计算出沟面宽度、沟底宽度、开沟深度、沟面宽度深度测量值以及沟面宽度深度测量辅助机构机架相对于参考地面的角度。在系统工作过程中，通过下位机的单片机中心处理单元判断相关传感器是否处于工作状态，若判断传感器长时间未监测数据，则警示模块进行闪烁与蜂鸣报警。
所述警示模块采用警示灯与蜂鸣器进行提示，需要说明的是,可以根据实际使用情况采用其他警示方式,本发明实施例不做具体限定。
所述数据传输模块为无线传输设备，负责将下位机处理的计算结果发送给上位机,实现监控系统数据的无线传输，进一步提高系统的灵活性。
进一步的，所述上位机为带有显示屏的计算机设备，配备有Labview对上位机系统进行设计，上位机系统界面如图2所示，包含运行、暂停、退出、数据库设置、串口设置等按钮，并包含在线沟底宽度、在线沟面宽度以及在线开沟沟深的实时曲线显示模块，其主要功能为：将接收到的数据进行实时的显示、曲线显示及储存，并搭建开沟作业质量数据库，从而达到对田间开沟作业质量进行监测、数据保存的目的。
结合图3所示，所述沟面宽度测量传感器、沟底宽度测量传感器、深度传感器均采用KS103超声波传感器，该传感器通过指令设置可提供实时温度补偿的距离探测功能，并采用软件模拟I2C总线方式与单片机进行通讯，通过对沟面宽度测量传感器、沟底宽度测量传感器、深度传感器设置不同的地址进行设置与区分，实现三个传感器的在线数据监测。其中KS103上连接引脚有VCC、SDA、SCL、GND以及MODE。VCC、GND引脚分别于单片机的VCC、GND引脚进行连接，SDA引脚是I2C通信的数据线，SCL引脚是I2C通信的时钟线，将MODE引脚悬空，将KS103传感器设置为I2C工作模式。，所述角度矫正传感器采用JY901角度传感器，采用串口通讯的方式与单片机进行通讯，其RX、TX引脚分别于单片机TXD、RXD进行连接。
进一步的，下面将结合图4-6为对本发明中智能田间开沟作业质量监测装备实施例进行详细描述。
结合如图4所示，所述智能田间开沟作业质量监测装备包括沟面宽度深度测量辅助机构机架以及沟底宽度测量辅助机构，用于安装相关宽度及深度测量传感器；
进一步的，如图5所示，所述沟面宽度深度测量辅助机构机架为平行于地面的沟面宽度深度测量辅助机构机架，其仿形机构四角下方均安装有车轮，仿形机构的中点位置装有横梁，用于安装沟面宽度测量传感器、深度测量传感器以及角度矫正传感器。
结合图6所示，所述沟底宽度测量辅助机构置于沟底，通过铰链轴与沟面宽度深度测量辅助机构机架连接固定，该机构与地面接触面为半圆弧结构，用于镇压开沟浮土，以保证当前传感器测量位置为沟底位置，提高数据精度，所述沟底宽度测量传感器安装在沟底宽度测量辅助机构的半圆弧结构上。
进一步的，下面将结合图7-9为对本发明中智能田间开沟作业质量监测方法实施例进行详细描述。
结合如图4所示，所述智能田间开沟作业质量监测装备包括沟面宽度深度测量辅助机构机架以及沟底宽度测量辅助机构，用于安装相关宽度及深度测量传感器；
进一步的，如图5所示，所述沟面宽度深度测量辅助机构机架为平行于地面的沟面宽度深度测量辅助机构机架，其仿形机构四角下方均安装有车轮，仿形机构的中点位置装有横梁，用于安装沟面宽度测量传感器、深度测量传感器以及角度矫正传感器。
结合图6所示，所述沟底宽度测量辅助机构置于沟底，通过铰链轴与沟面宽度深度测量辅助机构机架连接固定，该机构与地面接触面为半圆弧结构，用于镇压开沟浮土，以保证当前传感器测量位置为沟底位置，提高数据精度，所述沟底宽度测量传感器安装在沟底宽度测量辅助机构的半圆弧结构上。
进一步的，下面将结合图7-9为对本发明中智能田间开沟作业质量监测方法实施例进行详细描述。
本发明采用两个超声波传感器对开沟机臂左右宽度进行测量，结合图7所示，本发明开沟沟面宽度计算方法为：L 左宽为左侧沟面宽度测量传感器所测距离，L 右宽为右侧沟面宽度测量传感器所测距离，L 中宽为两宽度传感器中间宽度，L 沟面为当前沟面宽度，具体开沟机开沟沟面宽度计算方法如公式(1)所示:
L 沟面＝L 左宽＋L 中宽＋L 右宽 (1)
结合图8所示，本发明开沟沟面宽度角度矫正的计算方法为：L 沟面由公式(1)计算得出，表示当前测量开沟沟面宽度的宽度，α由角度传感器测量原始数据计算得出，表示当前沟面宽度深度测量辅助机构机架相对于参考地面的角度，L 矫表示当前测量开沟沟面宽度角度的矫正后的宽度，具体开沟沟面宽度角度矫正计算方法如公式(2)所示:
L 矫＝L 沟面*sinα (2)
结合图9所示，本发明开沟沟底宽度计算方法为L 左底左侧沟底宽度测量传感器所测距离，L 右底为左侧沟底宽度测量传感器所测距离，L 杆宽为当前沟底宽度测量辅助机构杆宽，L 沟底为当前沟底宽度，具体开沟机开沟沟底宽度计算方法如公式(3)所示:
L 沟底＝L 左底＋L 右底＋L 杆宽 (3)。
Claims (6)
1.一种智能田间开沟作业质量监测系统、方法及装备，所述智能田间开沟作业质量监测系统、方法及装备包括一种智能田间开沟作业质量监测系统、一种智能田间开沟作业质量监测方法以及一种智能田间开沟作业质量监测装备。
2.根据权利要求1所述，其特征在于，提供一种智能田间开沟作业质量监测系统包括：数据采集模块、下位机、数据传输模块和上位机。
3.所述数据采集模块包括安装沟面宽度测量传感器、沟底宽度测量传感器、深度传感器和角度矫正传感器，用于获取沟面宽度、沟底宽度以及当前装备姿态角度原始数据；所述下位机负责将数据采集模块采集的相关原始数据进行处理,并计算出沟面宽度、沟底宽度、开沟深度以及沟面宽度深度测量辅助机构机架相对于参考地面的角度的数值；所述数据传输模块负责将下位机处理的计算结果发送给上位机,实现数据的无线传输；所述上位机将接收到的数据进行实时的显示、曲线显示及储存，并搭建开沟作业质量数据库，从而达到对田间开沟作业质量进行监测、数据保存的目的。
4.根据权利要求1所述，其特征在于，所述数据采集模块中的角度矫正传感器采用JY901角度传感器，用于测量当前沟面宽度深度测量辅助机构机架相对于参考地面的角度，对所测得的沟面宽度进行矫正，降低因当前所开沟两边地面高度不一致，造成仿形机构倾斜，对沟面宽度测量数据精确度造成的影响；所述沟面宽度测量传感器、沟底宽度测量传感器均采用KS103超声波传感器，并利用I2C总线方式与单片机进行通讯。
5.根据权利要求1所述，其特征在于，所述智能田间开沟作业质量监测方法包括监测系统启动后，通过数据采集模块中获取监测数据，下位机负责将数据采集模块采集的相关数据进行处理，并计算出沟面宽度、沟底宽度以及开沟深度的数值，其中角度矫正传感器对宽度测量值进行矫正，降低装置机身倾斜对测量精度的影响，数据传输模块将下位机处理的计算结果发送给上位机,并由上位机将接收到的数据进行实时的显示及储存，从而达到对田间开沟作业质量进行监测的目的。
6.根据权利要求1所述，其特征在于，所述智能田间开沟作业质量监测装备包括沟面宽度深度测量辅助机构机架、沟底宽度测量辅助机构，用于安装相关宽度及深度测量传感器；其中所述沟面宽度深度测量辅助机构机架为平行于地面的沟面宽度深度测量辅助机构机架，其仿形机构四角下方均安装有车轮，仿形机构的中点位置装有横梁，用于安装沟面宽度测量传感器、深度测量传感器以及角度矫正传感器，其中角度矫正传感器对宽度测量值进行矫正；所述沟底宽度测量辅助机构置于沟底，且与地面接触面为半圆弧结构，沟底宽度测量传感器安装在沟底宽度测量辅助机构的半圆弧结构上，用于镇压开沟浮土，以保证当前传感器测量位置为沟底位置，提高数据精度，所述沟底宽度测量传感器安装在沟底宽度测量辅助机构的半圆弧结构上，且该机构通过铰链轴与沟面宽度深度测量辅助机构机架连接固定。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111238432A (zh) * | 2019-06-20 | 2020-06-05 | 石河子大学 | 一种智能开沟作业质量监测系统 |
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2022
- 2022-05-22 CN CN202210131985.6A patent/CN115523873A/zh active Pending
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