RU2770800C1

RU2770800C1 - Field mechatronic profiler

Info

Publication number: RU2770800C1
Application number: RU2021113237A
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Васильев; Рустам Иванович Александров; Алена Анатольевна Федорова; Михаил Андриянович Васильев; Сергей Александрович Мишин; Сергей Евгеньевич Лимонов; Виктор Васильевич Алексеев; Иван Николаевич Иванов
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-04-21

Abstract

FIELD: soil profiling.

SUBSTANCE: invention relates to devices for soil profiling in the field. Field mechatronic profiler contains a base (1) with mounting rods (2) and a stand (3). An angle sensor (4), a movable body (5), a fixed support wheel (8) with a satellite (9) interacting with it are installed on the rack (3). The housing (5) is mounted on the column (3) by means of rolling bearings. Inside the housing (5) there is a power source (6), a control unit (7), a GPS receiver (17), a compass (20), an accelerometer (18) and a gyroscope (19), and outside there are two electric motors (15, 16) and guide (11). On the guide (11) there is a laser position sensor (13) with the possibility of horizontal and circular movement. The control unit (7) is connected to the electric motors (15, 16) and to a laptop (10) equipped with a measurement and computer control information system program for the coordinated operation of electric motors, instruments and sensors. On the base (1), a thermohygrometer (21) of the ambient air and a moisture meter (22) of the soil are installed.

EFFECT: improving the accuracy of measuring soil surface parameters.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению и может быть использовано в точном землепользовании и природообустройстве.The invention relates to agricultural engineering and can be used in precision land management and environmental management.

Известен полевой бесконтактный профилограф содержащий массивное основание со стержнями для фиксации на поверхности почвы (Патент РФ №2707907 «Полевой бесконтактный профилограф для спиралевидного сканирования»), на которое устанавливается стержень, в верхней части которого крепится уровень, угловой датчик и с помощью подшипника перпендикулярно закреплено подвижное плечо с противовесом с одной стороны и лазерным датчиком положения с другой стороны, установленного с помощью винтового механизма с кареткой, что позволяет изменять начальное положение лазерного датчика в радиальном направлении, причем в нижней части стержня установлен двигатель, передающий крутящий момент через цилиндрическую и коническую передачу, для перемещения каретки и вращения подвижного плеча, а в верхней части стержня установлен электронный блок обработки сигналов, который подсоединен кабелями к датчикам и с помощью USB-кабеля к ноутбуку.A field non-contact profiler is known containing a massive base with rods for fixing on the soil surface (RF Patent No. 2707907 "Field contactless profiler for helical scanning"), on which a rod is installed, in the upper part of which a level, an angular sensor is attached and with the help of a bearing a movable an arm with a counterweight on one side and a laser position sensor on the other side, mounted using a screw mechanism with a carriage, which allows you to change the initial position of the laser sensor in the radial direction, and in the lower part of the rod there is a motor that transmits torque through a cylindrical and bevel gear, to move the carriage and rotate the movable arm, and an electronic signal processing unit is installed in the upper part of the rod, which is connected by cables to the sensors and via a USB cable to a laptop.

Недостатком известного бесконтактного профилографа является, то, что сканирование выполняется только по окружности или спирали Архимеда с заданным и постоянным шагом, отсутствует конструктивная возможность измерять параметры поверхности по всей исследуемой площади и задавать различную траекторию перемещения лазерного датчика над поверхностью.The disadvantage of the known non-contact profiler is that scanning is performed only along a circle or Archimedes' spiral with a given and constant step, there is no constructive ability to measure surface parameters over the entire area under study and set a different trajectory of the laser sensor over the surface.

Известен мехатронный профилограф, состоящий из массивного основания, уровня, углового датчика, электронного блока, ноутбука, подвижного плеча с противовесом, лазерного датчика положения, винтового механизма с кареткой, электродвигателей, цилиндрической передачи (Патент РФ №2724386. Мехатронный профилограф / С.А. Васильев, Р.И. Александров, А.А. Федорова, М.А. Васильев, С.А. Мишин, С.Е. Лимонов - Опубл. 23.06.2020, Бюл. №18.). К признакам аналога изобретения, которые совпадают с существенными признаками изобретения, можно отнести основание, стойку, угловой датчик, корпус, блок питания, блок управления, опорное колесо, сателлит, полевой ноутбук, лазерный датчик, винт, электродвигатели.Known mechatronic profiler, consisting of a massive base, level, angular sensor, electronic unit, laptop, movable arm with a counterweight, laser position sensor, screw mechanism with carriage, motors, cylindrical gear (RF Patent No. 2724386. Mechatronic profiler / S.A. Vasiliev, R. I. Alexandrov, A. A. Fedorova, M. A. Vasiliev, S. A. Mishin, S. E. Limonov - Published 23.06.2020, Bull. No. 18.). The features of the analogue of the invention, which coincide with the essential features of the invention, include a base, a stand, an angle sensor, a housing, a power supply, a control unit, a support wheel, a satellite, a field laptop, a laser sensor, a propeller, electric motors.

Недостатком известного мехатронного профилографа является то, что реализовать процесс профилирования поверхности при таком его конструктивном исполнении, выполняя большое количество оборотов, технологически сложно вследствие использования различных кабелей, соединяющих между собой электронный блок обработки сигналов, датчики, электродвигатели, ноутбук, дополнительное применение противовеса повышает массу устройства.The disadvantage of the known mechatronic profilograph is that it is technologically difficult to implement the surface profiling process with such a design, performing a large number of revolutions due to the use of various cables connecting the electronic signal processing unit, sensors, electric motors, a laptop, additional use of a counterweight increases the weight of the device .

Наиболее близким (прототипом заявленного изобретения) является известное устройство - полевой мехатронный профилограф, содержащий основание с установочными стержнями и стойкой, на который установлены угловой датчик и подвижный корпус, внутри которого размещены источник питания и блок управления, неподвижное опорное колесо и взаимодействующий с ним сателлит, лазерный датчик положения, установленный на направляющей с возможностью горизонтального и кругового движения, два электродвигателя, ноутбук, оснащенный программой информационной системы измерения и компьютерного управления для согласованной работы электродвигателей, приборов и датчиков, при этом электродвигатели соединены с блоком управления, который с помощью BIuetoth-соединения связан с ноутбуком.. (Федорова А.А., Васильев С.А., Иванов И.Н. Анализ профилографа для определения геометрический характеристик изделий спиральным сканированием лазерным профилографом Вестник современных технологий. - 2020. - №2 (18). - С. 27-32).The closest (prototype of the claimed invention) is a well-known device - a field mechatronic profiler, containing a base with mounting rods and a stand, on which an angular sensor and a movable housing are installed, inside which a power source and a control unit, a fixed support wheel and a satellite interacting with it, a laser position sensor mounted on a rail with the possibility of horizontal and circular movement, two electric motors, a laptop equipped with a measurement information system and computer control program for the coordinated operation of electric motors, instruments and sensors, while the electric motors are connected to a control unit that, using a BIuetoth connection connected with a laptop. .27-32).

Недостатком известного мехатронного профилографа является то, что визуальная установка прибора по гидравлическому уровню снижает точность, эту информацию сложно перевести в цифровые данные, особенно в процессе профилирования, причем, размещая профилограф в полевых условиях, не возможно установить его геопозицию - координаты профилографа с использованием спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС или GPS, в тоже время необходимо определять природно-климатические параметры и метеорологические условия измерения, описывающие состояние окружающей среды и воздействующие на размер измеряемых величин и в итоге на результат измерения.The disadvantage of the well-known mechatronic profiler is that the visual installation of the device on the hydraulic level reduces the accuracy, this information is difficult to convert into digital data, especially in the process of profiling, and by placing the profiler in the field, it is not possible to establish its geoposition - the coordinates of the profiler using satellite radio navigation GLONASS or GPS systems, at the same time, it is necessary to determine the natural and climatic parameters and meteorological conditions of measurement that describe the state of the environment and affect the size of the measured values and, as a result, the measurement result.

Согласно ГОСТ 20915-2011 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы определения условий испытаний» к определяемым показателям метеорологических условий относятся температура и влажность воздуха, которые влияют на результат измерения, а точность учета этих факторов влияет на точность конечного результата. Также не маловажно определять данные параметры для самой почвы, так как они определяют полевые условия измерения и описывают совокупность побочных физических явлений, влияющих на полевой мехатронный профилограф и результат измерений. В связи с этим задачей является создание полевого профилографа, который обеспечивает высокую точность измерений при учете влияния совокупности побочных физических явлений и метеорологических условия.According to GOST 20915-2011 “Testing of agricultural machinery. Methods for determining test conditions”, the determined indicators of meteorological conditions include air temperature and humidity, which affect the measurement result, and the accuracy of taking these factors into account affects the accuracy of the final result. It is also not unimportant to determine these parameters for the soil itself, since they determine the field conditions of measurement and describe the set of side physical phenomena that affect the field mechatronic profiler and the measurement result. In this regard, the task is to create a field profiler that provides high measurement accuracy, taking into account the influence of a combination of side physical phenomena and meteorological conditions.

Технический результат - повышение точности и достоверности измерения параметров поверхности по всей исследуемой площадки, природно-климатических параметров окружающей среды в полевых условиях на склоновых землях за счет расширения функциональных возможностей устройства с учетом влияния совокупности побочных физических явлений и метеорологических условия.The technical result is an increase in the accuracy and reliability of measuring surface parameters throughout the study site, natural and climatic parameters of the environment in the field on sloping lands by expanding the functionality of the device, taking into account the influence of a combination of side physical phenomena and meteorological conditions.

Технический результат достигается тем, что полевой мехатронный профилограф содержит основание, стойку, угловой датчик, корпус, блок питания, блок управления, опорное колесо, сателлит, полевой ноутбук, лазерный датчик, винт, электродвигатели, причем корпус установлен на стойке с помощью подшипников качения, для привода вращения которого используется неподвижное опорное колесо, сателлит и двигатель, расположенный на подвижном корпусе, а для точного задания в процессе исследования горизонтальной поверхности в которой перемещается лазерный датчик дополнительно размещены акселерометр и гироскоп, для установления координат геопозиции профилограф оснащен приемником GPS и ориентирования на местности - компасом, причем для измерения природно-климатических параметров, определяющих полевые условия, в нижней части профилографа установлены термогигрометр окружающего воздуха и влагомер почвы.The technical result is achieved by the fact that the field mechatronic profiler contains a base, a stand, an angular sensor, a housing, a power supply unit, a control unit, a support wheel, a satellite, a field laptop, a laser sensor, a screw, electric motors, and the housing is mounted on the stand using rolling bearings, for the rotation drive of which a fixed support wheel, a satellite and an engine located on a movable body are used, and to accurately set the horizontal surface in which the laser sensor moves, an accelerometer and a gyroscope are additionally placed in the process of studying the horizontal surface, to establish the coordinates of the geoposition, the profiler is equipped with a GPS receiver and orientation on the ground - a compass, and to measure the natural and climatic parameters that determine the field conditions, a thermohygrometer of the ambient air and a soil moisture meter are installed in the lower part of the profiler.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема полевого мехатронного профилографа. Схема профилирования дневной поверхности почвы по окружности и по спирали Ферма, которая представляет собой плоскую кривую - траекторию точки, равномерно движущейся вдоль радиус-вектора с началом в О, изображена на фиг. 2. На фиг. 3 представлен профиль поверхности почвы по окружности (после первого шага). На фиг. 4 получен профиль поверхности почвы по спирали Ферма для 4 витков согласно фиг. 2 (после второго шага).In FIG. 1 shows a schematic diagram of a field mechatronic profiler. The scheme of profiling the daily surface of the soil along the circumference and along the Fermat's spiral, which is a flat curve - the trajectory of a point moving uniformly along the radius vector with the origin at O, is shown in Fig. 2. In FIG. 3 shows the profile of the soil surface along the circumference (after the first step). In FIG. 4 shows the profile of the soil surface along the Fermat spiral for 4 turns according to FIG. 2 (after the second step).

Полевой мехатронный профилограф состоит из основания 1 с установочными стержнями 2, стойки 3, на которой установлены угловой датчик 4, с помощью подшипников качения корпус 5 с размещенными в нем блоком питания 6 и блоком управления 7, неподвижное опорное колесо 8, взаимодействующий с ним сателлит 9, полевой ноутбук 10, оснащенный информационной системой измерения и компьютерным управлением для согласованной работы электродвигателей 15 и 16 в процессе измерения, а также программой приема и обработки, показателей датчиком и приборов, направляющей 11, каретки 12, лазерного датчика положения 13, винта 14, электродвигателей 15 и 16, приемника GPS 17, акселерометра 18, гироскопа 19, компаса 20, термогигрометра окружающего воздуха 21 и влагомера почвы 22. Корпус 5 установлен на стойке с помощью подшипников качения, для привода вращения которого используется неподвижное опорной колесо 8, сателлит 9 и двигатель 16, расположенный на подвижном корпусе 5. Связь полевого ноутбука 10 с блоком управления 7, датчиками 4, 13, электродвигателями 15, 16, приемником GPS 17 и измерительными приборами 18, 19, 20, 21, 22 обеспечивается через Bluetooth-соединение при помощи Bluetooth-радиомодулей, встроенных в лазерный датчик 13, блок управления 7 и ноутбук 10.The field mechatronic profiler consists of a base 1 with mounting rods 2, a stand 3 on which an angular sensor 4 is installed, a housing 5 with a power supply 6 and a control unit 7 placed in it using rolling bearings, a fixed support wheel 8, and a satellite 9 interacting with it , a field laptop 10, equipped with a measurement information system and computer control for the coordinated operation of the electric motors 15 and 16 in the measurement process, as well as a program for receiving and processing, indicators of the sensor and instruments, guide 11, carriage 12, laser position sensor 13, screw 14, electric motors 15 and 16, a GPS receiver 17, an accelerometer 18, a gyroscope 19, a compass 20, a thermohygrometer of the ambient air 21 and a soil moisture meter 22. The body 5 is mounted on a rack using rolling bearings, which is driven by a fixed support wheel 8, a satellite 9 and an engine 16, located on the movable housing 5. Communication of the field laptop 10 with the control unit 7, sensors 4, 13, electric motors 15, 16, GPS receiver 17 and measuring devices 18, 19, 20, 21, 22 are provided via Bluetooth connection using Bluetooth radio modules built into laser sensor 13, control unit 7 and laptop ten.

Таким образом, для реализации профилирования поверхности используют мехатронную систему измерения, состоящую из полевого мехатронного профилографа, оснащенного информационной системой измерения.Thus, to implement surface profiling, a mechatronic measurement system is used, consisting of a field mechatronic profilograph equipped with an information measurement system.

Устройство функционирует следующим образом.The device functions as follows.

При профилировании почвы в полевых условиях вначале размещают полевой мехатронный профилограф на дневную поверхность. Для точного определения горизонтальной поверхности, в которой перемещается лазерный датчик 13, например недорогие компактные лазерные датчики серии РФ-605, в процессе исследования, используют акселерометр 18 и гироскоп 19. Акселерометр 18 и гироскоп 19 устройства, которые частично дублируют, дополняя друг друга, повышают точность получаемых данных. Гироскоп 19 служит для отслеживания положения лазерного датчика 13 в пространстве путем определения собственного угла наклона относительно земной поверхности. Акселерометр 18 в состоянии покоя, позволяет вычислить угол наклона относительно вектора силы тяготения земли. На экране монитора отображается отклонение поверхности вращения лазерного датчика 13 от уровня в цифровом виде в двух перпендикулярных направлениях. Для корректирования горизонтального положения отклоняют стойку, добиваясь нулевых отклонений от горизонтали в продольном и поперечном направлении. Для этого используют, например MPU6050, который представляет собой 3-х осевой гироскоп и 3-х же осевой акселерометр в одном корпусе.When profiling the soil in the field, the field mechatronic profiler is first placed on the daylight surface. To accurately determine the horizontal surface in which the laser sensor 13 moves, for example, inexpensive compact laser sensors of the RF-605 series, during the study, an accelerometer 18 and a gyroscope 19 are used. the accuracy of the received data. The gyroscope 19 is used to track the position of the laser sensor 13 in space by determining its own angle of inclination relative to the earth's surface. Accelerometer 18 at rest, allows you to calculate the angle of inclination relative to the vector of gravity of the earth. The monitor screen displays the deviation of the surface of rotation of the laser sensor 13 from the level in digital form in two perpendicular directions. To correct the horizontal position, the rack is deflected, achieving zero deviations from the horizontal in the longitudinal and transverse directions. For this, for example, the MPU6050 is used, which is a 3-axis gyroscope and a 3-axis accelerometer in one housing.

Координаты геопозиции профилографа на склоновых землях определяют с помощью приемника GPS 17, например, можно использовать GPS приемник GY-NE06MV2. Применение приемника GPS 17 позволяет привязать получаемые точные данные о профиле просканированной площадки на склоновых землях к координатам электронной карты в процессе исследования. Приемник GPS 17 измеряет задержку распространения сигнала от спутника до него. Из полученного сигнала приемник GPS 17 получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножают на скорость света. В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Итоговая точность измерения достигает 1…5 метров.The geopositioning coordinates of the profiler on sloping lands are determined using a GPS 17 receiver, for example, you can use the GY-NE06MV2 GPS receiver. The use of the GPS 17 receiver makes it possible to bind the obtained accurate data on the profile of the scanned site on sloping lands to the coordinates of the electronic map during the study. The GPS receiver 17 measures the signal propagation delay from the satellite to it. From the received signal, the GPS receiver 17 obtains the position of the satellite. To determine the distance from the satellite to the receiver, the signal delay is multiplied by the speed of light. The GPS system includes 24 artificial Earth satellites, a network of ground tracking stations and navigation receivers. The final measurement accuracy reaches 1 ... 5 meters.

Для ориентирования на местности и установления начального положения лазерного датчика по азимуту, относительно географической северной стороны, используют компас 20. Определение азимута позволяет реализовать последовательное определение параметров поверхности на исследуемых площадках с одинаковой точкой отсчета и природно-климатических параметров окружающей среды на склоновых землях. Термогигрометр окружающего воздуха 21 и влагомер почвы 22, установленные в нижней части профилографа, измеряют природно-климатические параметры, определяющие полевые условия. Влагомер почвы 22 имеет щуп, который заглубляется вместе с установочными стержнями 2 в почву. Вначале определяют профиль дневной поверхности почвы по окружности (см. фиг. 2, первый шаг), ограничивающей измеряемую площадку, заявляемым профилографом, оснащенным информационной системой. Для этого запускают программу на ноутбуке и включают профилограф. Опираясь на информацию от компаса 20, определение азимута позволяет реализовать последовательное определение параметров поверхности на исследуемых площадках с одинаковой точкой отсчета и природно-климатических параметров окружающей среды на склоновых землях, датчики 4 и 13 профилографа устанавливают в исходные положения. Через блок управления 7 верхний двигатель 15, перемещает с помощью винта 14 на периферию измеряемой площадки лазерный датчик положения 13 по направляющей 11, а нижний двигатель 16 через блок управления 7, поворачивает на необходимый угол направляющую 11 до северного направления, перекатывая сателлит 9 по неподвижному опорному колесу 8. Далее программа с ноутбука 10 запускает только нижний двигатель 16, сканируется поверхность почвы по периферии площадки. С помощью Bluetooth-соединения информация с датчика 13 с радиомодулем Bluetooth передается на радиомодуль Bluetooth блока управления 7 и далее в ноутбук 10, где также имеется встроенный модуль Bluetooth. Компьютерная программа по полученной информации изображает построение профиля по окружности в полярных координатах по двум параметрам: расстояние между датчиком положения 13 и поверхностью почвы, а также соответствующий этому положению угол поворота от нулевой отметки по угловому датчику 4 (см. фиг. 3). Информационная система измерения - это совокупность функционально - объединенных измерительных (датчики 4, 13), контрольных (контроль и сравнение с моделями различных профилей), диагностических (акселерометр 18, гироскоп 19), вычислительных (ноутбук 10), управляющих (ноутбук 10, двигатели 15, 16), регистрирующих (ноутбук 10, приемник GPS 17), отображающих (ноутбук 10), телекоммуникационных (ноутбук 10) и других вспомогательных технических средств, сформированная для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки, передачи измерительной информации по назначению. Она формирует по признакам, характеризующим свойства профилей поверхностей (наклон, кривизну, волнистость, шероховатость), решение о принадлежности распознаваемого профиля к той или иной модели (гладкая, шероховатая или волнистая поверхность). Причем для каждой модели применяется соответствующая спираль или кривая измерения дневной поверхности почвы, установленная предварительно и экспериментально. Например, на фиг. 2 представлена схема профилирования дневной поверхности почвы последовательно, сначала первый шаг выполняется по окружности и второй шаг - по спирали Ферма, которая представляет собой плоскую кривую - траекторию точки, равномерно движущейся вдоль радиус-вектора с началом в О. Траектория движения датчика 13 по параболической спирали Ферма обеспечивает оптимальный охват площади участков заданным количеством точек замера, которые равномерно распределяются по всей исследуемой площади. Например, площадь участка между первым и вторым витками A₁ будет равна площади участка между вторым и третьим витками А₂, равна площади участка между третьим и четвертым витками А₃ и т.д.Compass 20 is used to orientate on the ground and establish the initial position of the laser sensor in azimuth, relative to the geographic north side. Determining the azimuth makes it possible to implement a consistent determination of the surface parameters on the studied sites with the same reference point and the natural and climatic parameters of the environment on sloping lands. Ambient air thermohygrometer 21 and soil moisture meter 22, installed in the lower part of the profilograph, measure natural and climatic parameters that determine field conditions. Soil moisture meter 22 has a probe, which is buried together with the mounting rods 2 into the soil. First, the profile of the daily surface of the soil is determined along a circle (see Fig. 2, first step) that limits the measured area, declared by a profiler equipped with an information system. To do this, run the program on a laptop and turn on the profiler. Based on the information from the compass 20, the determination of the azimuth makes it possible to implement a consistent determination of the surface parameters on the studied sites with the same reference point and the natural and climatic parameters of the environment on sloping lands, the sensors 4 and 13 of the profiler are set to their original positions. Through the control unit 7, the upper motor 15, with the help of a screw 14, moves the laser position sensor 13 along the guide 11 to the periphery of the measured area, and the lower motor 16, through the control unit 7, rotates the guide 11 to the required angle to the north direction, rolling the satellite 9 along the fixed support wheel 8. Next, the program from the laptop 10 starts only the lower engine 16, the soil surface is scanned along the periphery of the site. Using a Bluetooth connection, information from the sensor 13 with a Bluetooth radio module is transmitted to the Bluetooth radio module of the control unit 7 and further to the laptop 10, which also has a built-in Bluetooth module. Based on the received information, the computer program depicts the construction of a profile along a circle in polar coordinates according to two parameters: the distance between the position sensor 13 and the soil surface, as well as the angle of rotation corresponding to this position from the zero mark according to the angular sensor 4 (see Fig. 3). The measurement information system is a set of functionally integrated measuring (sensors 4, 13), control (control and comparison with models of various profiles), diagnostic (accelerometer 18, gyroscope 19), computing (laptop 10), control (laptop 10, engines 15 , 16), recording (laptop 10, GPS receiver 17), displaying (laptop 10), telecommunications (laptop 10) and other auxiliary technical means, formed to receive measurement information, convert and process it, transfer measurement information to its intended purpose. Based on the features that characterize the properties of surface profiles (slope, curvature, waviness, roughness), it forms a decision about whether the recognizable profile belongs to a particular model (smooth, rough or wavy surface). Moreover, for each model, the corresponding spiral or curve for measuring the daily surface of the soil, established previously and experimentally, is applied. For example, in FIG. Figure 2 shows a scheme of profiling the daytime soil surface sequentially, first the first step is performed along a circle and the second step - along the Fermat spiral, which is a flat curve - the trajectory of a point uniformly moving along the radius vector with the beginning at O. The trajectory of the sensor 13 along a parabolic spiral The truss provides optimal coverage of the area of the plots with a given number of measurement points, which are evenly distributed over the entire area under study. For example, the area of the area between the first and second turns of A ₁ will be equal to the area of the area between the second and third turns of A ₂ , it will be equal to the area of the area between the third and fourth turns of A ₃ , etc.

Информационная система измерения обеспечивает взаимосвязь элементов конструкции: диагностические средства (акселерометр 18, гироскоп 19), регистрирующие средства (ноутбук 10, приемник GPS 17).The measurement information system provides the interconnection of structural elements: diagnostic tools (accelerometer 18, gyroscope 19), recording tools (laptop 10, GPS receiver 17).

Далее определяют профиль дневной поверхности почвы по этой спирали или кривой, перемещая лазерный датчик положения 13 от нулевой отметки и далее по заданной траектории (см. фиг. 2, второй шаг). Для этого при подаче сигнала от ноутбука 10, через блок управления 7, начинают работать два двигателя 15 и 16, которые с помощью приводов, перемещают датчик положения 13 по направляющей 11, которая в свою очередь с корпусом 5 поворачивается по опорному колесу 8. Информационная система измерения позволяет представить информацию в полярных координатах по 2-м параметрам для заданной спирали: расстояние между датчиком положения 13 и поверхностью почвы, а также соответствующий этому положению угол поворота от нулевой отметки по угловому датчику 4. Рассматривая двумерную систему координат, в которой каждая точка на плоскости определяется двумя числами - полярным углом - угол поворота по угловому датчику 4 и полярным радиусом - это расстояние от датчика положения 13 до поверхности почвы. Определенная таким образом радиальная координата может принимать значения от минимального до максимального значения, в нашем случае при применении датчиков РФ-605 - от 150 мм до 500 мм, а угловая координата изменяется в пределах от 0° до 360°. Эта система координат в нашем случае удобна, так как отношения между точками проще изобразить в виде радиусов и углов.Next, the profile of the daily surface of the soil is determined along this spiral or curve, moving the laser position sensor 13 from the zero mark and further along the specified trajectory (see Fig. 2, second step). To do this, when a signal is given from the laptop 10, through the control unit 7, two motors 15 and 16 start working, which, with the help of drives, move the position sensor 13 along the guide 11, which in turn with the body 5 rotates along the support wheel 8. Information system measurement allows you to present information in polar coordinates on 2 parameters for a given spiral: the distance between the position sensor 13 and the soil surface, as well as the angle of rotation corresponding to this position from the zero mark along the angular sensor 4. Considering a two-dimensional coordinate system in which each point on plane is determined by two numbers - the polar angle - the angle of rotation according to the angular sensor 4 and the polar radius - this is the distance from the position sensor 13 to the soil surface. The radial coordinate determined in this way can take values from the minimum to the maximum value, in our case, when using RF-605 sensors, from 150 mm to 500 mm, and the angular coordinate varies from 0° to 360°. This coordinate system is convenient in our case, since it is easier to depict the relationship between points in the form of radii and angles.

Вследствие того, что информация с датчика 13 передается с каждого витка спирали, то может происходить наложение кривых в полярных координатах.Due to the fact that the information from the sensor 13 is transmitted from each turn of the helix, the superimposition of curves in polar coordinates can occur.

Полученную информацию представляют при известном полярном уравнении спирали, заложенном в информационную систему измерения, например, для спирали ФермаThe information obtained is presented with the known polar equation of the spiral embedded in the measurement information system, for example, for Fermat's spiral

где ρ - радиус-вектор, м, а - коэффициент спирали, γ - угол положения радиус-вектора от нулевой отметки в градусах.where ρ is the radius vector, m, a is the helix coefficient, γ is the position angle of the radius vector from the zero mark in degrees.

Для перевода в декартовую систему координат, используют уравненияTo convert to a Cartesian coordinate system, use the equations

где х - продольная координата, м; у - поперечная координата, м; z - вертикальная координата - высота неровностей дневной поверхности почвы на заданной точке, м.where x is the longitudinal coordinate, m; y - transverse coordinate, m; z - vertical coordinate - the height of the irregularities of the daily soil surface at a given point, m.

Для определения высоты неровностей дневной поверхности почвы на заданной точке используют выражениеTo determine the height of the irregularities of the daily surface of the soil at a given point, use the expression

где z_max - максимальное расстояние между датчиком положения и поверхностью почвы, м; z' - действительное расстояние между датчиком положения и поверхностью почвы на заданной точке, м.where z _max is the maximum distance between the position sensor and the soil surface, m; z' is the actual distance between the position sensor and the soil surface at a given point, m.

Пример реализации. Исследования проводили на пашне в Моргаушском районе ЧР. После первого шага полевой профилограф выполнил сканирование по окружности (см. фиг. 2), информационно-измерительная система позволила получить информацию и построить ее виде профиля поверхности почвы по окружности в полярных координатах по двум параметрам (фиг. 3). Далее задали траекторию движения датчика по спирали Ферма до 4 витков. После второго шага полевой профилограф выполнил сканирование по спирали Ферма, траектория перемещения лазерного датчика 13 представляет собой плоскую кривую, а информационно-измерительная система позволила получить информацию и построить ее виде профиля поверхности почвы по спирали Ферма для 4 витков в полярных координатах по двум параметрам (фиг. 4).Implementation example. The research was carried out on arable land in the Morgaush region of the Chechen Republic. After the first step, the field profiler performed a circular scan (see Fig. 2), the information-measuring system made it possible to obtain information and construct it in the form of a soil surface profile along the circumference in polar coordinates in two parameters (Fig. 3). Next, we set the trajectory of the sensor along the Fermat spiral up to 4 turns. After the second step, the field profiler performed scanning along the Fermat spiral, the trajectory of the laser sensor 13 is a flat curve, and the information-measuring system made it possible to obtain information and build it in the form of the soil surface profile along the Fermat spiral for 4 turns in polar coordinates in two parameters (Fig. . 4).

Claims

A field mechatronic profiler, containing a base with mounting rods and a stand on which an angle sensor is installed and a movable housing, inside which a power source and a control unit are located; fixed support wheel and cooperating stellite, laser encoder mounted on the rail with the possibility of horizontal and circular movement, two electric motors connected by a control unit, which is connected via a Bluetooth connection to a laptop equipped with a measurement information system program and computer control for coordinated operation of electric motors of devices and sensors, characterized in that the electric motors are mounted on the body, the body is mounted on a rack using rolling bearings, the profiler is equipped with a GPS receiver, a compass, an accelerometer and a gyroscope installed in the same body, and a thermohygrometer of ambient air and a soil moisture meter installed in the lower part of the profiler .