耕作土壤溝形測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王韋韋 李 俊 王晴晴 李兆東 武堯堯 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036)

0 引言

開溝作業(yè)是農(nóng)業(yè)耕種過程的重要環(huán)節(jié)，溝形輪廓特征參數(shù)測量是評(píng)估耕作部件作業(yè)品質(zhì)的一個(gè)主要方面。近年國內(nèi)外學(xué)者采用了虛擬仿真、試驗(yàn)測試以及傳感器技術(shù)等方法對(duì)此進(jìn)行了諸多研究[1-10]，取得了一定的研究成果。對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)分析得知，在溝形測量方面，傳統(tǒng)的接觸式溝形測量方法，如傳統(tǒng)針板法、鏈條法、剖面法等，所需設(shè)備簡單，其數(shù)值需要通過尺度測量得到，且測量過程中易破壞土壤微結(jié)構(gòu)，測量精度和效率難以保證[11-15]；非接觸式方法主要有圖像法、超聲波、高光譜儀等，此類方法往往以靜態(tài)圖像特性反映整體地表特性的動(dòng)態(tài)，存在一定的局限性，同時(shí)測量設(shè)備現(xiàn)場安裝復(fù)雜，測量精度受自身因素和環(huán)境因素的影響較大[16-20]。激光掃描測距法采用結(jié)構(gòu)光投影信息和三角法原理觀測目標(biāo)三維信息，目前大多應(yīng)用于地質(zhì)探測、機(jī)器人導(dǎo)航、逆向工程等領(lǐng)域的表面測量[21-23]，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用尚不多見。

本文采用激光三角測距法，設(shè)計(jì)一種快速獲取耕作土壤溝形特征量的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)包括便攜式硬件結(jié)構(gòu)和交互式軟件系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，為農(nóng)業(yè)機(jī)械中土壤關(guān)鍵部件作業(yè)品質(zhì)的評(píng)價(jià)提供一種新的方法。

1 耕作土壤溝形測量原理

1.1 三角法測量原理

激光成像單元由線光源激光器、匯聚/接收透鏡、CCD線性相機(jī)及信號(hào)處理器組成，測量原理如圖1所示。其中線光源激光發(fā)射器通過匯聚透鏡將可見紅色激光射向土壤表面A點(diǎn)，經(jīng)地表散射通過接收透鏡匯聚在CCD線性相機(jī)感光單元形成像點(diǎn)A′，當(dāng)土壤表面溝形變化時(shí)，入射光點(diǎn)B也隨入射光軸移動(dòng)，同樣在感應(yīng)單元形成像點(diǎn)B′，當(dāng)光點(diǎn)在感應(yīng)單元的位移變化為h′時(shí)，基于激光三角測量法的直射式結(jié)構(gòu)，根據(jù)相似三角形各邊的幾何比例關(guān)系原理可求得土壤表面溝形變化的距離h為

(1)

式中a——入射光軸和接收光軸的交點(diǎn)與接收透鏡前主面的距離，mm

b——接收透鏡后主面與成像面中心點(diǎn)距離，mm

θ1——光軸與接收透鏡光軸之間的夾角，(°)

θ2——感應(yīng)單元與接收透鏡光軸之間的夾角，(°)

通常三角法原理的距離傳感器內(nèi)置的CCD線性相機(jī)感光單元與接收透鏡的夾角為90°，則測量土壤溝形值與感光單元尺寸、垂直光束與接收透鏡光軸的夾角θ1等因素有光。光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出電信號(hào)，并在構(gòu)建的模擬量窗口內(nèi)按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。

1.2 溝形曲面擬合算法

表面溝形特征是耕整作業(yè)品質(zhì)的宏觀因子，由激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過Kriging空間插值和曲面擬合算法得到地表三維表面模型[24-25]。對(duì)于區(qū)域化變量Z(xi，yi)，根據(jù)n個(gè)位置的點(diǎn)云值：Z(x1，y1)、Z(x2，y2)，…，Z(xi，yi)，…，Z(xn，yn)，則點(diǎn)(xp，yp)處的估計(jì)值為

(2)

式中λi——第i個(gè)位置處測量值的權(quán)重系數(shù)

為了滿足線性、無偏、方差最小的條件，則

(3)

式中 Var(·)——點(diǎn)云分布的離散化程度，即方差函數(shù)

C(xi，xj)——點(diǎn)xi和xj間的協(xié)方差函數(shù)

μ——拉格朗日乘子

求出λi即可求出插值估計(jì)點(diǎn)高程，將其插值估計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)代入空間曲面方程計(jì)算其函數(shù)值，并將作為實(shí)際高程，當(dāng)應(yīng)用曲面擬合插值完成后，添加新一輪Kriging插值點(diǎn)，重新擬合空間曲面。

1.3 溝形參數(shù)計(jì)算

在農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用中，地表粗糙度常選取垂直方向均方根高度(Root mean square height，RMSH)和水平方向的表面相關(guān)長度(Correlation length，CL)這兩個(gè)統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行刻畫[26-27]。文中選取溝形斷面輪廓線上n個(gè)掃描點(diǎn)，第i個(gè)采樣點(diǎn)處的高程為h(i)，其中ρ(k)為自相關(guān)函數(shù)，表面相關(guān)長度為ρ=1/e(e為對(duì)數(shù)常數(shù))與相關(guān)函數(shù)曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水平位置數(shù)值，系統(tǒng)通過求解二維土壤溝形斷面掃描值來確定自相關(guān)函數(shù)，則均方根高度和自相關(guān)函數(shù)表示為

(4)

σH——垂直方向的均方根高度，mm

通過掃描的點(diǎn)云響應(yīng)面計(jì)算溝寬、溝深和穩(wěn)定性變異系數(shù)，具體求解公式為

(5)

式中bj——第j測試區(qū)的平均溝寬，mm

bij——第j測試區(qū)的第i個(gè)溝形斷面寬度，mm

Nj——溝形斷面采樣次數(shù)

Sbj——溝寬標(biāo)準(zhǔn)差，mm

Ub——溝寬穩(wěn)定性變異系數(shù)，%

(6)

式中hj——第j測試區(qū)的平均溝深，mm

hij——第j測試區(qū)的第i個(gè)溝形斷面深度，mm

Shj——溝深標(biāo)準(zhǔn)差，mm

Uh——溝深穩(wěn)定性變異系數(shù)，%

2 耕作土壤溝形測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

耕作土壤表面溝形測試系統(tǒng)采用上、下位機(jī)模式構(gòu)建。上位機(jī)采用便攜式計(jì)算機(jī)，下位機(jī)硬件以美國國家儀器公司的NIcDAQ-9174型便攜式運(yùn)動(dòng)控制卡為核心。上位機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送操縱指令和工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測試系統(tǒng)的X/Y運(yùn)動(dòng)軸控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、處理及保存等；下位機(jī)由控制卡NI9401、電流采集卡NI9219、X/Y軸步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測距傳感器、電源轉(zhuǎn)換模塊等組成，上位機(jī)與下位機(jī)通過USB/SPI適配器進(jìn)行通信。

如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)和絲桿通過彈性聯(lián)軸器連接同步傳動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，激光測距傳感器通過滑塊固定在X軸滑軌上，試驗(yàn)前，通過水平儀調(diào)整激光成像單元呈直射式狀態(tài)，測量過程中X/Y軸電動(dòng)滑軌按照預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)，一次可實(shí)現(xiàn)600 mm×1 200 mm(測量面積0.72 m2)區(qū)域的地表溝形特征參數(shù)測量。以模擬電流形式輸出至采集卡AI；運(yùn)動(dòng)控制卡2路DIO接口向X/Y軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖電平實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制，旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)檢測絲桿轉(zhuǎn)速保證驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制，2路DIO接口發(fā)送高低電平實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

圖2 土壤溝形測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of soil groove measuring device1.旋轉(zhuǎn)編碼器 2.計(jì)算機(jī) 3.直流電源 4.水平儀 5.激光測距傳感器 6.Y軸步進(jìn)電機(jī) 7.X軸步進(jìn)電機(jī) 8.調(diào)整支撐架 9.驅(qū)動(dòng)器 10.核心控制器

激光測距傳感器采用SensoPART公司生產(chǎn)的FT50RLA-220型傳感器，測量范圍為80～500 mm，對(duì)應(yīng)的線性模擬量輸出為4～20 mA，分辨率達(dá)到0.1 μm。試驗(yàn)過程中激光測距傳感器水平掃描速度為0.01～ 0.1 m/s可調(diào)，空間采樣間隔為1～10 mm可調(diào)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1測控界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)測控軟件基于LabView平臺(tái)開發(fā)，采用交互式G語言編寫，主要包括測控界面和控制程序。其中，測控軟件界面主要包括X/Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作參數(shù)設(shè)置、路徑通道選擇以及土壤溝形特征參數(shù)圖形化顯示等功能，如圖3所示。界面設(shè)置了多個(gè)布爾控件、2個(gè)波形圖表和4個(gè)性能參數(shù)顯示單元，布爾控件主要調(diào)節(jié)PWM占空比及電機(jī)正反轉(zhuǎn)，波形圖表1可顯示單一溝形斷面擬合輪廓曲線，波形圖表2顯示測量區(qū)域內(nèi)三維土壤表面溝形點(diǎn)云圖，通道選擇可以設(shè)置設(shè)備AI、DIO接口索引；通過溝形響應(yīng)面模型統(tǒng)計(jì)計(jì)算，顯示出被測溝形表面粗糙度、溝形寬度、溝形深度及穩(wěn)定性變異系數(shù)等參數(shù)。

圖3 土壤溝形測控系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of soil groove measurement system

2.2.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

X/Y運(yùn)動(dòng)軸均采用兩相步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)角1.8°，選用FMDD50型驅(qū)動(dòng)器，脈沖響應(yīng)頻率可達(dá)50 kHz，細(xì)分范圍200～40 000；為了保證被測區(qū)域變量Z(xi，yi)點(diǎn)空間坐標(biāo)的同一性，采用編碼器丟步反饋補(bǔ)償脈沖控制來保證采樣間隔穩(wěn)定。假設(shè)X/Y軸單向運(yùn)行全程一次停止所需的時(shí)間為Tx、Ty，Y軸正向運(yùn)行1 s停止后X軸反轉(zhuǎn)再次進(jìn)行掃描，設(shè)Y軸上電k次循環(huán)后整個(gè)被測區(qū)域掃描結(jié)束，測控系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 Program flow chart of measurement and control system

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 精度測量試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的測量精度，以1元硬幣作為標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行掃描測試。選取硬幣直徑方向二維截面高度點(diǎn)云輪廓與其真實(shí)值進(jìn)行比較分析，進(jìn)行3次測量取平均值，測量誤差及結(jié)果如表1所示，直徑和厚度兩個(gè)方向測量的平均絕對(duì)誤差為0.59 mm和0.02 mm，平均相對(duì)誤差分別為2.36%和1.08%。

表1 尺寸測量結(jié)果Tab.1 Results of size measurement

3.2 對(duì)比試驗(yàn)

為了進(jìn)一步對(duì)該系統(tǒng)測量性能進(jìn)行分析，選取傳統(tǒng)針板法、圖像檢測法進(jìn)行對(duì)比。由于傳統(tǒng)針板法操作時(shí)探針末端與土壤接觸，不可避免地對(duì)溝形輪廓造成一定的破壞，因此先進(jìn)行圖像檢測法和本文方法進(jìn)行測量后再進(jìn)行針板法測量。圖5所示為圖像檢測法和針板法獲取的溝形，經(jīng)Matlab分析處理后得到圖6所示3種方法相關(guān)函數(shù)曲線。

圖5 2種方法獲取的溝形輪廓Fig.5 Groove profile obtained by tradition pin-profiler and image recognition method

圖6 溝形輪廓相關(guān)函數(shù)曲線對(duì)比Fig.6 Contrast of correlation function curves of groove contour

由圖6分析得知：① 3種方法的自相關(guān)函數(shù)趨勢(shì)基本相同，說明被測輪廓在該方向的分布具有一定的規(guī)律性，這與被測土壤溝形結(jié)構(gòu)的事實(shí)吻合。② 圖像檢測法與激光掃描法自相關(guān)系數(shù)值比較集中，傳統(tǒng)針板法的自相關(guān)長度計(jì)算結(jié)果存在明顯的差異。

進(jìn)一步分析得到3種測量方法重復(fù)采樣對(duì)比試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表2所示。由表2得知，傳統(tǒng)針板法測量的均方根高度和相關(guān)長度較激光掃描法偏小，平均絕對(duì)誤差分別為3.1、3.9 mm，測量相對(duì)誤差分別為8.4%、5.7%，溝寬、溝深測量值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.13、2.65 mm。原因?yàn)槿斯⑴c導(dǎo)致測量的不穩(wěn)定性及接觸破壞地表微結(jié)構(gòu)[27]。圖像檢測法測量的溝寬、溝深分別為306.8、143.4 mm，均方根高度和相關(guān)長度為36.1、71.3 mm，與傳統(tǒng)針板法相比，測量結(jié)果差異較小，且均方根高度和相關(guān)長度測量相對(duì)誤差分別為2.1%、1.1%。由于精度更高的圖像檢測法在室外農(nóng)田受拍攝光線等環(huán)境因素的影響也會(huì)造成檢測誤差。本系統(tǒng)一次測量可完成多斷面采樣，滿足農(nóng)田耕作土壤測量效率與精度要求。

表2 3種方法測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical result of measurement results by three methods

4 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)的田間應(yīng)用效果，選擇安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園試驗(yàn)基地進(jìn)行田間應(yīng)用試驗(yàn)，選取3種不同開溝機(jī)具進(jìn)行耕作：包括滑刀式開溝器、深松鏟和起壟鏟。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 田間試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.7 Field test site

圖8 耕作土壤溝形三維模型Fig.8 Three-dimensional model of tillage soil groove

應(yīng)用人工測量與系統(tǒng)測量對(duì)耕作土壤表面溝形特征參數(shù)測量，單次測量面積為0.72 m2。測量前利用水平儀調(diào)整系統(tǒng)處于水平位置，點(diǎn)擊軟件界面“開始采集”按鈕，采集過程為自動(dòng)掃描被測區(qū)域，系統(tǒng)擬合得到地表三維數(shù)字化結(jié)果如圖8所示。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析3組試驗(yàn)不同斷面采樣次數(shù)下的溝形粗糙度參數(shù)的誤差，由統(tǒng)計(jì)分析可知，測量參數(shù)誤差隨采樣次數(shù)增加呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律降低，擬合度決定系數(shù)R2不小于0.895，如圖9所示。隨著采樣次數(shù)的增加，3種溝形區(qū)域的均方根高度測量誤差分別下降22%、25%、13%，相關(guān)長度測量誤差分別下降15%、28%、8%。表3為溝形特性參數(shù)中溝寬、溝深及溝深穩(wěn)定性變異系數(shù)對(duì)比分析結(jié)果，系統(tǒng)測量相對(duì)誤差最大為5.86%，平均相對(duì)誤差為3.37%，滿足農(nóng)田土壤耕后溝形自動(dòng)化測量的需要。

圖9 不同采樣次數(shù)的參數(shù)測量誤差Fig.9 Measurement errors of parameters with different sampling numbers

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于激光三角法的耕作土壤溝形測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過便攜式硬件結(jié)構(gòu)和交互式軟件界面實(shí)現(xiàn)采樣速度與間隔可調(diào)、準(zhǔn)確掃描耕作土壤溝形地貌，有效解決了接觸式測量法破壞地表微結(jié)構(gòu)及圖像檢測法受拍攝光線等受環(huán)境因素影響造成的測量誤差。

(2)基于LabView構(gòu)建的交互式軟件可根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器和旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)對(duì)X/Y軸電動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)高精度掃描定位，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過空間插值和曲面擬合算法得到溝形三維數(shù)字化模型，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，交互式界面實(shí)時(shí)顯示溝形粗糙度、溝寬、溝深及穩(wěn)定性變異系數(shù)。

表3 溝形特征參數(shù)人工與系統(tǒng)測量結(jié)果比較Tab.3 Comparison between system and manual measuring methods for groove characteristic parameters

(3)測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)平均相對(duì)測量誤差為3.37%，單次測量面積為0.72 m2。田間動(dòng)態(tài)測量隨著溝形斷面采樣次數(shù)增加測量值趨于穩(wěn)定，測量誤差呈指數(shù)函數(shù)下降，能夠滿足農(nóng)田土壤耕后溝形自動(dòng)化測量的需要。