土壤表面不平度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李志峰

摘要 基于激光測(cè)距傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了非接觸式土壤表面不平度測(cè)試儀，由Labview軟件編制了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測(cè)試儀沿著3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，采集了3種耕作方式下的土壤表面不平度數(shù)據(jù)。采用均方根法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分形維數(shù)的計(jì)算，獲得了土壤表面不平度的分形特征。結(jié)果表明，犁耕表面分形維數(shù)均小于1.390，驅(qū)動(dòng)耙耙地表面的分形維數(shù)均大于1.550，圓盤耙耙地表面的分形維數(shù)介于1.460～1.540，說明分形維數(shù)可以準(zhǔn)確區(qū)分不同耕作方式下的土壤不平度。綜合應(yīng)用分形維數(shù)與表面不平度標(biāo)準(zhǔn)差能夠準(zhǔn)確描述土壤表面的不平度特征。

關(guān)鍵詞 表面不平度；分形維數(shù)；非接觸測(cè)試

中圖分類號(hào) S152.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）09-0194-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.056

Abstract Based on the laser sensor， we designed and developed the noncontact measuring instrument of the soil surface roughness with the data acquiring system drawn by software Labview.The instrument moved along the three directions to acquire the soil surface roughness in the fields with three treatments.Then the acquired data were analyzed by the root mean square method to obtain the fractal features of the soil surface roughness.The experiment results indicated that the fractal dimension of the ploughed surface were 1.390 and 1.550 for harrowed surface and 1.460～1.540 for disc harrowed surface.The fractal dimension could accurately distinguish the soil surface roughness under different farming methods.The complex of the soil surface roughness standard deviation and fractal dimension could be used to accurately describe the roughness features of the soil surface.

Key words Surface roughness；Fractal dimension；Noncontact measurement

土壤表面不平度是對(duì)地面的微觀幾何尺寸特性進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。車輛在粗糙程度不同的地面上行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生各方向的振動(dòng)，進(jìn)而影響乘坐的舒適性。因此，在進(jìn)行車輛平順性和動(dòng)力性能評(píng)價(jià)時(shí)，需要獲得準(zhǔn)確的路面信息，對(duì)地面有足夠的了解[1]。快速而精確獲得地面不平度數(shù)據(jù)對(duì)于研究農(nóng)用車輛-地面相互作用具有重要的意義[2-6]。另外，土壤表面不平度對(duì)土壤風(fēng)蝕、表面顆粒的形成起著重要作用[7]，通過對(duì)該指標(biāo)分析可預(yù)測(cè)土壤風(fēng)蝕。因此，汽車與農(nóng)業(yè)工程研究人員一直將地面的不平度作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

地面不平度的測(cè)量方法主要有2種：接觸式和非接觸式測(cè)量法[8]。由于非接觸測(cè)量具有測(cè)試效率高、測(cè)試結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，因此利用非接觸方法測(cè)量路面不平度得到廣泛應(yīng)用。筆者對(duì)自行設(shè)計(jì)的非接觸式表面不平度測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了介紹，采集了不同地面的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分形維數(shù)及表面不平度標(biāo)準(zhǔn)差特性分析，最后提出了可靠的地面不平度評(píng)價(jià)方法。

1 材料與方法

1.1 地面不平度測(cè)試儀設(shè)計(jì)

路面不平度測(cè)試裝置如圖1所示，該測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件控制部分和軟件數(shù)據(jù)處理部分組成。硬件控制部分包括單片機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、滾珠絲杠滑臺(tái)、支架及激光測(cè)距傳感器等，主要實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的支撐、上位機(jī)指令的接收，步進(jìn)電機(jī)的停轉(zhuǎn)與方向切換等。軟件數(shù)據(jù)處理軟單元由LabVIEW2010編寫，實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與顯示、激光傳感器和步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉及其工作同步的控制等。

該裝置采用激光測(cè)距傳感器采集不平地面與測(cè)距儀之間的距離數(shù)據(jù)信息。測(cè)量時(shí)上位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光測(cè)距傳感器在滾珠絲杠上水平移動(dòng)，其采集的數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存。該土壤表面不平度測(cè)試儀的有效測(cè)試長(zhǎng)度為1 024 mm，采樣間隔1 mm。

1.1.1 硬件部分設(shè)計(jì)。

硬件控制系統(tǒng)以滾珠絲杠滑臺(tái)為平臺(tái)進(jìn)行搭建，長(zhǎng)度為1.2 m，導(dǎo)程為5 mm，支架距地面的可調(diào)高度為0.6～1.0 m，配有步進(jìn)角為1.8° 的42HD1403型兩相四線步進(jìn)電機(jī)及高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2HD403。采用深圳盈勤科技有限公司生產(chǎn)的SRF020M01A激光測(cè)距傳感器進(jìn)行土壤不平度的數(shù)據(jù)測(cè)量，該傳感器測(cè)量范圍為0.2～2.0 m，分辨率為1 mm，數(shù)據(jù)接口為RS232轉(zhuǎn)USB。測(cè)量過程中激光傳感器被固定在滑塊上，隨絲杠做水平方向上的往返運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)傳輸接口直接與計(jì)算機(jī)的USB接口連接。控制器采用STC89C52單片機(jī)作為核心處理單元，程序設(shè)計(jì)采用的集成開發(fā)環(huán)境為Keil-μVision4，通過串口中斷方式接收來自上位機(jī)軟件的控制命令，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的工作狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作電壓為直流24 V（外接電源），單片機(jī)控制系統(tǒng)工作電壓為直流5 V（計(jì)算機(jī)串口供電）。

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