CN115897510A

CN115897510A - 基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法

Info

Publication number: CN115897510A
Application number: CN202310206459.6A
Authority: CN
Inventors: 胡炼; 王晨阳; 冯达文; 臧英; 何杰; 汪沛; 陈高隆
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2023-03-07
Filing date: 2023-03-07
Publication date: 2023-04-04
Anticipated expiration: 2043-03-07
Also published as: CN115897510B

Abstract

基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，开沟装置包括支撑板、深度调节机构、角度调节机构、开沟成型机构、控制系统；方法包括：a.通过遥感获取田面信息，得到排水口的数量、位置信息和泥面高度H₀；b.规划排水沟的数量和长度L，设定排水沟的最小深度H₁以及排水坡降α；通过GNSS获取开沟装置的实时高度H和距离排水口的距离x；通过倾角传感器获取开沟成型机构的转动角度θ；c.计算生成开沟深度坡降基准y，计算角度调节油缸伸缩量L'；d.将实时高度H和基准y进行比较，实现开沟深度的自动控制；通过角度调节油缸的伸缩，实现开沟成型机构与泥面保持平行。本发明实时调整开沟装置的姿态，属于规划农田开沟方法技术领域。

Description

基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法

技术领域

本发明涉及规划农田开沟方法技术领域，具体涉及一种基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法。

背景技术

水稻种植和生长期间，需要合理地调配水资源，而水田开沟具有方便排灌水，改善土壤环境，促进水稻根系生长，提高水稻在生长过程中的抗倒伏能力，而且能减少水稻的无效分蘖，增加水稻产量。水稻田一般设置多组进水口和排水口，便于水管理。按照农艺要求，水稻种植和生长期间，需要挖多条排水沟至排水口，排出田面的积水。目前主要通过人工作业的方式挖沟，成本高、费时费力，而且人工挖沟较浅，且深度不一，使排水沟排水不畅，影响水稻的生长。

CN215453903公开了一种可调式开沟器，通过相互套合的套管和深度调整导向管进行导向，通过液压油缸伸缩进行驱动，实现开沟组件的升降，以适应对不同深度沟槽的开凿。这种开沟器虽然具有深度调节功能，然而这种开沟器具有如下缺点：1.由于水田的耕作层深浅不一，开沟器的姿态受颠簸影响，无法实时调整开沟器的姿态；2.因无法实时调整姿态，作业过程中带着泥底层的土壤，破坏沟型和垄面。

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：提供一种沟深可实时在线自动调节的基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，开沟装置包括支撑板、深度调节机构、角度调节机构、开沟成型机构、控制系统；深度调节机构包括转动架、升降调节油缸；角度调节机构包括铰接杆、角度调节油缸；控制系统包括GNSS、倾角传感器、控制器；支撑板安装在动力机械上；转动架的前端与支撑板的后端转动式连接，升降调节油缸驱动转动架相对于支撑板上下摆动，从而调整开沟成型机构的升降；转动架的中部、铰接杆、开沟成型机构、角度调节油缸、转动架的后端依次转动式连接，角度调节油缸驱动开沟成型机构上下摆动，从而调整开沟成型机构的角度；GNSS安装在转动架上，倾角传感器安装在开沟成型机构上，控制器控制升降调节油缸和角度调节油缸的伸缩。

方法包括如下步骤：

a.通过遥感获取田面信息，得到排水口的数量、位置信息和泥面高度H₀；

b.规划排水沟的数量和长度L，设定排水沟的最小深度H₁以及排水坡降α；通过GNSS获取开沟装置的实时高度H和距离排水口的距离x；通过倾角传感器获取开沟成型机构的转动角度θ；

c.计算生成开沟深度坡降基准y，计算角度调节油缸伸缩量L'；

d.将实时高度H和基准y进行比较，实现开沟深度的自动控制；通过角度调节油缸的伸缩，实现开沟成型机构与泥面保持平行。

作为一种优选，步骤c中，通过泥面高度H₀、排水沟的长度L、排水沟的最小深度H₁以及排水坡降α计算开沟深度坡降基准y，关系如下：

。

作为一种优选，步骤c中，转动角度θ与角度调节油缸伸缩量L'关系如下：

，

其中，转动板至开沟成型机构的成型器的间距为L₁，角度调节油缸伸缩量为L₀。

作为一种优选，控制器根据实时的开沟装置高度信息和设置的开沟深度基准比较，并实时控制保持开沟深度稳定；根据倾角传感器的实时转动角度，计算角度调节油缸伸缩量控制开沟成型机构始终保持与泥面平行。

作为一种优选，转动架包括连接板、提升板、转动板；转动板的前端、连接板、提升板、转动板的中部依次相接，构成一个三角形框架结构；升降调节油缸的前端与支撑板的前部铰接，升降调节油缸的后端与连接板的上端铰接；铰接杆的上端与转动板的中部铰接，铰接杆的下端与开沟成型机构的前部铰接；角度调节油缸的上端与转动板的后端铰接，角度调节油缸的下端与开沟成型机构的后部铰接。

作为一种优选，开沟成型机构包括位于前方的开沟器和位于后方的成型器，开沟器和成型器连接一体，开沟器与铰接杆相接，成型器与角度调节油缸相接。

作为一种优选，开沟成型机构包括位于开沟器两外侧的两块成型拖板，成型拖板的前端通过转轴与开沟器铰接，从而成型拖板绕转轴上下摆动，成型拖板的中部上方设有一限位杆，限位杆的自由端搭在成型器上。

本发明的原理是：设计摆动式深度调节机构和摆动式角度调节机构，通过升降调节油缸控制开沟成型机构的升降，进而控制沟深，通过角度调节油缸控制开沟成型机构的摆角，使得开沟成型机构与泥面保持平行，保证沟型稳定。通过GNSS和倾角传感器测量开沟成型机构的位置、高度、角度信息，控制器根据开沟成型机构的位置获得此位置的深度坡降基准，将测量的开沟成型机构的高度与深度坡降基准比较：大于基准值，向下调节开沟装置至基准位置；小于基准值，向上调节开沟装置至基准位置，使开沟装置作业时不受耕作层深浅不一的影响，始终处于基准位置。控制器根据测量的角度信息，计算角度调节油缸伸缩量，角度调节油缸伸缩保证开沟成型机构始终与泥面保持水平。

本发明具有如下优点：

1.将GNSS、倾角传感器、深度可调开沟装置连用，由于开沟成型机构的高度和摆角不仅受自身姿态的影响，还受耕作层深度影响，田间作业时，控制器根据GNSS和倾角传感器获取的位置、高度、角度信息，实时控制开沟装置保持在基准位置，始终与泥面保持水平。

2.通过控制开沟装置实现不同深度的排水沟的开挖。

3. 设置开沟深度坡降基准，实时调节开沟装置的深度至基准深度，形成带有坡度的排水沟。

4. 通过倾角传感器保证排水沟的沟型稳定。

5.结构简单，操作方便，具有良好的通用性，提高了水田开沟作业质量和作业效率。

6. 设置成型拖板，消除开沟成型机构产生的壅泥的同时保证垄面的平整，使田面积水流入排水沟。

7. 实现一次作业形成带有坡度的排水沟，进水口浅，排水口深的排水沟，有利于高效排水，提高作业效率和作业质量，为水稻种植提供了良好的土壤环境，保证水稻的稳产高产。

8.可加装于各种农业动力机械。

附图说明

图1是开沟装置的立体图。

图2是开沟装置的侧视图。

图3是实施例一的开沟装置田间工作示意图。

图4是实施例二的开沟装置的使用场景图。

图5是开沟装置姿态调整示意图。其中，实线表示控制器控制时开沟装置的姿态，虚线表示控制器未控制时开沟装置的姿态。

图6是图5的局部放大图。

图7是参数示意图。

图8是本发明方法的流程图。

其中，1为支撑板，2为深度调节机构，3为角度调节机构，4为开沟成型机构，5为控制系统，6为水田平整机具，7为插秧机，8为水田土壤。

21为升降调节油缸，22为连接板，23为提升板，24为转动板。

31为铰接杆，32为角度调节油缸。

41为开沟器，42为成型器，43为成型拖板，44为转轴。

51为GNSS，52为倾角传感器。

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。

实施例一

基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，通过开沟装置、GNSS、倾角传感器的配合实现。本发明根据田块设置排水沟，适用于大块农田的开沟排水，具有良好的通用性，促进农业发展。

如图1和图2所示：开沟装置包括支撑板1、深度调节机构2、角度调节机构3、开沟成型机构4、控制系统5；深度调节机构2包括转动架、升降调节油缸21；角度调节机构3包括铰接杆31、角度调节油缸32；控制系统包括GNSS51、倾角传感器52、控制器；支撑板1安装在动力机械上；转动架的前端与支撑板1的后端转动式连接，升降调节油缸21驱动转动架相对于支撑板1上下摆动，从而调整开沟成型机构4的升降；转动架的中部、铰接杆31、开沟成型机构4、角度调节油缸32、转动架的后端依次转动式连接，角度调节油缸32驱动开沟成型机构4上下摆动，从而调整开沟成型机构4的角度；GNSS51安装在转动架上，倾角传感器52安装在开沟成型机构上，控制器控制升降调节油缸21和角度调节油缸32的伸缩。

控制器根据实时的开沟装置高度信息H和设置的开沟深度基准 y比较，并实时控制保持开沟深度稳定；根据倾角传感器52的实时转动角度 θ，计算角度调节油缸伸缩量L'控制开沟成型机构始终保持与泥面平行。

图2所示，转动架包括连接板22、提升板23、转动板24；转动板24的前端、连接板22、提升板23、转动板24的中部依次相接，构成一个三角形框架结构；升降调节油缸21的前端与支撑板1的前部铰接，升降调节油缸21的后端与连接板22的上端铰接；铰接杆31的上端与转动板24的中部铰接，铰接杆31的下端与开沟成型机构4的前部铰接；角度调节油缸32的上端与转动板24的后端铰接，角度调节油缸32的下端与开沟成型机构4的后部铰接。

图2所示，开沟成型机构4包括位于前方的开沟器41和位于后方的成型器42，开沟器41和成型器42连接一体，开沟器41与铰接杆31相接，成型器42与角度调节油缸32相接。

图1所示，开沟成型机构4包括位于开沟器两外侧的两块成型拖板43，成型拖板43的前端通过转轴44与开沟器铰接，从而成型拖板43绕转轴上下摆动，用于消除开沟成型机构4产生的壅泥。成型拖板43的中部上方设有一限位杆，限位杆的自由端搭在成型器上，从而限位杆限制成型拖板43只能向上浮动。

基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法包括如下步骤：

如图3所示，将开沟装置固接在水田平整机具6后端，水田平整机具与动力机械插秧机7连接。先将开沟装置提升最高位置，对田块进行平整作业，作业完成后，利用遥感设备获取田面信息，得到排水口的数量、位置信息和泥面高度H₀；向控制器输入田面高度H₀、排水沟最小深度H₁、排水坡度0.1%和排水沟长度L，控制器生成开沟深度坡降基准y。将插秧机7行驶至开沟作业位置，将开沟装置下降至深度基准位置，沿着排水口方向进行开沟作业。由于耕作层深浅不一，开沟装置产生姿态变化，通过GNSS获取开沟装置的实时高度H和距离排水口的距离x；通过倾角传感器52获取开沟成型机构4的转动角度θ；控制器计算角度调节油缸伸缩量L'；将实时高度H和基准y进行比较，H大于y，向下调节开沟装置至y位置；H小于y，向上调节开沟装置至y位置，使开沟装置始终处于y位置，实现开沟深度的自动控制；控制角度调节油缸32伸缩L'，实现开沟成型机构4与泥面保持平行，成型拖板43消除开沟所产生的壅泥，田面的积水随着开沟作业的进行流入排水沟内，经排水口排出。此方案将开沟装置固接在水田平整机具6后端，一次下田可完成水田精准平整和智能开沟作业，高效便捷，节约时间。

上述实施案例中，通过泥面高度H₀、排水沟的长度L、排水沟的最小深度H₁以及排水坡降α计算开沟深度坡降基准y，关系如下：

。

转动角度θ与角度调节油缸伸缩量L'关系如下：

，

其中，转动板24至开沟成型机构4的成型器的间距为L₁，角度调节油缸伸缩量为L₀。

图5所示，开沟装置处于工作状态时，深度调节机构2提升开沟成型机构4，控制系统未控制时，开沟成型机构4绕着支撑板1的后端上升，成型器42与转动板24保持L₁的间距，虚线表示开沟成型机构4的姿态；控制系统控制后，倾角传感器52获取开沟成型机构4的转动角度θ，控制器计算角度调节油缸伸缩量L'，并进行控制角度调节油缸32伸缩L'。从而使开沟成型机构4始终保持与泥面平行。

实施例二

本实施例中，如图4所示，开沟装置直接挂接在动力机械插秧机7后端。

本实施例适用于水稻田间管理时的排水作业。开沟装置与插秧机7固接，作业前，利用RTK测量设备获得排水口位置信息、排水沟长度L和泥面高度H₀。向控制器输入田面高度H₀、排水沟最小深度H₁、排水坡度0.1%和排水沟长度L，控制器生成开沟深度坡降基准y。然后，沿着排水口方向开始作业，形成带有坡度的排水沟，排出田块积水，本实施例的操作未提及部分同实施例一。

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

1.基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，其特征在于：

开沟装置包括支撑板、深度调节机构、角度调节机构、开沟成型机构、控制系统；深度调节机构包括转动架、升降调节油缸；角度调节机构包括铰接杆、角度调节油缸；控制系统包括GNSS、倾角传感器、控制器；支撑板安装在动力机械上；转动架的前端与支撑板的后端转动式连接，升降调节油缸驱动转动架相对于支撑板上下摆动，从而调整开沟成型机构的升降；转动架的中部、铰接杆、开沟成型机构、角度调节油缸、转动架的后端依次转动式连接，角度调节油缸驱动开沟成型机构上下摆动，从而调整开沟成型机构的角度；GNSS安装在转动架上，倾角传感器安装在开沟成型机构上，控制器控制升降调节油缸和角度调节油缸的伸缩；

方法包括如下步骤：

2.按照权利要求1所述的基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，其特征在于：步骤c中，通过泥面高度H₀、排水沟的长度L、排水沟的最小深度H₁以及排水坡降α计算开沟深度坡降基准y，关系如下：

。

3.按照权利要求1所述的基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，其特征在于：步骤c中，转动角度θ与角度调节油缸伸缩量L'关系如下：

，

4.按照权利要求1所述的基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，其特征在于：控制器根据实时的开沟装置高度信息和设置的开沟深度基准比较，并实时控制保持开沟深度稳定；根据倾角传感器的实时转动角度，计算角度调节油缸伸缩量控制开沟成型机构始终保持与泥面平行。

5.按照权利要求1所述的基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，其特征在于：转动架包括连接板、提升板、转动板；转动板的前端、连接板、提升板、转动板的中部依次相接，构成一个三角形框架结构；升降调节油缸的前端与支撑板的前部铰接，升降调节油缸的后端与连接板的上端铰接；铰接杆的上端与转动板的中部铰接，铰接杆的下端与开沟成型机构的前部铰接；角度调节油缸的上端与转动板的后端铰接，角度调节油缸的下端与开沟成型机构的后部铰接。

6.按照权利要求1所述的基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，其特征在于：开沟成型机构包括位于前方的开沟器和位于后方的成型器，开沟器和成型器连接一体，开沟器与铰接杆相接，成型器与角度调节油缸相接。

7.按照权利要求6所述的基于深度可调开沟装置的智能化开沟规划方法，其特征在于：开沟成型机构包括位于开沟器两外侧的两块成型拖板，成型拖板的前端通过转轴与开沟器铰接，从而成型拖板绕转轴上下摆动，成型拖板的中部上方设有一限位杆，限位杆的自由端搭在成型器上。