農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龐國紅

（昌圖縣亮中橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112524）

農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)能夠打破犁底層，使松土層加厚，對耕層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，以此使土壤蓄水保墑能力得到增強(qiáng)，對土壤進(jìn)行改善，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)。深松作業(yè)的原則為先作業(yè)后補(bǔ)助，利用各地方的農(nóng)機(jī)管理機(jī)構(gòu)工作人員監(jiān)管農(nóng)機(jī)深松作業(yè)量。但是，傳統(tǒng)作業(yè)監(jiān)管是通過人工測量，增加了工作量，監(jiān)測覆蓋面比較窄。農(nóng)機(jī)深松作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)綜合無線通信技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)測控技術(shù)等，能夠?qū)ψ鳂I(yè)面積和深松作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行檢測，以此為深松作業(yè)的補(bǔ)助提供基礎(chǔ)[1]。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)將移動通信、地塊矢量圖層、衛(wèi)星遙感技術(shù)等作為基礎(chǔ)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由深松作業(yè)服務(wù)平臺和農(nóng)機(jī)具終端構(gòu)成，如圖1 所示。農(nóng)機(jī)具終端在深松犁和拖拉機(jī)的硬件模塊中，由GPS 天線、角度傳感器、控制器和顯示器構(gòu)成。通過農(nóng)機(jī)具終端實(shí)現(xiàn)位置定位和耕深計(jì)算，利用移動網(wǎng)絡(luò)使數(shù)據(jù)在服務(wù)平臺中上傳，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。另外，在駕駛室中安裝顯示器，實(shí)現(xiàn)耕深的實(shí)時(shí)顯示，指導(dǎo)機(jī)手深松作業(yè)。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

使用角度傳感器的間接測量方法實(shí)現(xiàn)耕深監(jiān)測，利用防水防塵實(shí)現(xiàn)角度傳感器模塊的封裝，在懸掛機(jī)構(gòu)、車身水平和深松機(jī)具橫梁位置安裝[2]。利用角度傳感器對車身、深松機(jī)具角度變化進(jìn)行檢測，再以幾何關(guān)系對耕深值進(jìn)行計(jì)算。

2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 卡爾曼濾波姿態(tài)解散

利用傾角感應(yīng)器和超聲波傳感器構(gòu)成耕深數(shù)據(jù)收集設(shè)備，利用不同的作業(yè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)耕深信息的實(shí)時(shí)更新，從而為耕深信息實(shí)時(shí)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。電源模塊為供電系統(tǒng)，能夠?yàn)樵O(shè)備與傳感器提供輸出裝置。在實(shí)現(xiàn)傳感器測距試驗(yàn)過程中，能夠改變地面姿態(tài)角和內(nèi)部敏感元件，此傾角變化所產(chǎn)生的脈沖信號和模擬信號在處理后就會轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。使用MPU6050 傾斜角感應(yīng)器模塊，測距效果穩(wěn)定，具有較高的測試精度。在MPU6050傾角傳感器模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，能夠支持3.3 V/5 V電源模塊。此設(shè)計(jì)能夠在大田深松作業(yè)中使用，并且此模塊能夠設(shè)置I2C 端口，客戶端利用I2C端口實(shí)現(xiàn)底層應(yīng)用的開發(fā)。在模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波電路的設(shè)置，使傳感器的準(zhǔn)確度得到提高，降低噪聲對于測量數(shù)據(jù)的干擾。動態(tài)過程中的系統(tǒng)能夠通過卡爾曼濾波對系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，如果精準(zhǔn)度在0.01°以上，安全性就比較高。利用姿態(tài)計(jì)算對姿態(tài)坐標(biāo)系進(jìn)行修改，調(diào)整姿態(tài)角度，通過此角度將飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)反映出來[3]。設(shè)計(jì)地理坐標(biāo)系n系，x軸為東，y軸為北。MPU6050定義中的b系為載體坐標(biāo)系，使n系與b系的轉(zhuǎn)動狀態(tài)作為b系狀態(tài)，使用3×3的姿態(tài)矩陣T表示旋轉(zhuǎn)關(guān)系，四元數(shù)Q=(q0，q1，q2，q3)，表示狀態(tài)的四要素為歸一化，公式為：

結(jié)合姿態(tài)偏差6 態(tài)卡爾曼濾波算法的校正進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明上述算法與傳感器能夠在深松作業(yè)過程中對運(yùn)動進(jìn)行測量。

2.2 農(nóng)機(jī)動態(tài)設(shè)計(jì)

將機(jī)具傳感器與深度傳感器安裝在模塊中，通過無線網(wǎng)絡(luò)收集農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)信息。此模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控農(nóng)機(jī)深松作業(yè)，從而分析作業(yè)過程中的深松情況，解決農(nóng)機(jī)深松作業(yè)的問題[4-5]。利用此功能，農(nóng)機(jī)手能夠?qū)崟r(shí)分析地理信息，實(shí)現(xiàn)地圖的放大、縮小與分級顯示，以GPS 位置地圖定位。此功能模塊的位置信息包括用戶位置和農(nóng)機(jī)位置，作業(yè)位置信息如圖2所示。

圖2 作業(yè)位置信息

2.3 輪作查詢

通過輪作查詢模塊能夠查詢輪作地塊數(shù)據(jù)，手機(jī)定位信息和服務(wù)器實(shí)現(xiàn)交互處理，在作業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器中上傳位置信息，實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的對比。在地圖中通過指定位置與當(dāng)前位置實(shí)現(xiàn)專題輪作圖的設(shè)置，根據(jù)機(jī)載服務(wù)器做輪作圖，實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能。

2.4 作業(yè)統(tǒng)計(jì)

作業(yè)統(tǒng)計(jì)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)機(jī)深松作業(yè)統(tǒng)計(jì)查詢，達(dá)標(biāo)面積和作業(yè)面積為主要參數(shù)，所以此參數(shù)要顯示在此模塊中。系統(tǒng)顯示默認(rèn)當(dāng)月作業(yè)信息，能夠切換月份并且查詢。在月統(tǒng)計(jì)信息欄中，明細(xì)頁能夠顯示每天作業(yè)面積，報(bào)表頁能夠?qū)⑥r(nóng)機(jī)作業(yè)量達(dá)標(biāo)比顯示出來，對任何一條記錄點(diǎn)擊都能夠進(jìn)入到詳情頁[6]。

2.5 用戶中心

用戶中心模塊能夠?qū)€(gè)人信息進(jìn)行查看和管理，主要功能為：1）個(gè)人信息。包括電話、姓名、所屬省、拖拉機(jī)數(shù)量、家庭住址等。2）密碼更改。農(nóng)機(jī)手手機(jī)號為用戶默認(rèn)的登錄密碼，能夠利用此功能對個(gè)人登錄密碼進(jìn)行修改。3）用戶反饋。機(jī)械手反饋農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)的監(jiān)管系統(tǒng)意見，反饋實(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)作業(yè)信息。當(dāng)其他軟件和硬件出現(xiàn)問題的時(shí)候，也能夠利用此模塊反饋信息。4）對系統(tǒng)版本號和版權(quán)信息進(jìn)行記錄。

2.6 耕深測量

因?yàn)槭窃诖筇镏虚_展深松作業(yè)，作業(yè)環(huán)境比較特殊，在日常工作中要對其實(shí)用性與便利性進(jìn)行考慮。分析拖拉機(jī)中液壓懸吊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)理，尋找拖拉機(jī)工作過程中深松機(jī)提鏟落鏟的三點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律，根據(jù)作業(yè)深度構(gòu)成的數(shù)學(xué)集合模擬和分析，得出計(jì)算方式和共識。深松設(shè)備通過拖拽機(jī)下拉桿和深松機(jī)械懸架裝置連接，在作業(yè)過程中對拖拽機(jī)下拉桿位置進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整土壤深度，保證深松鏟的入土傾斜度。分析深松機(jī)構(gòu)造和懸吊系數(shù)幾何模型，選擇土地耕深測量的方法。在深松機(jī)大梁中安裝超聲波設(shè)備，將傾角感應(yīng)器設(shè)置在犁架中，利用深松機(jī)和上下水平拉桿作業(yè)時(shí)的運(yùn)動情況，對耕深情況進(jìn)行測量[7-8]。

2.7 農(nóng)機(jī)信息服務(wù)

此功能接近基層實(shí)踐，為農(nóng)機(jī)深松作業(yè)服務(wù)。此功能涉及農(nóng)機(jī)深松信息化監(jiān)管問題和常見的錯(cuò)誤碼含義。農(nóng)機(jī)手在空閑的時(shí)候能夠翻閱電子手冊，掌握農(nóng)機(jī)深松基本情況，初步判斷農(nóng)機(jī)深松信息化監(jiān)管設(shè)備故障。在后期，農(nóng)機(jī)信息服務(wù)模塊貼近實(shí)際電子手冊，使農(nóng)機(jī)手在深松作業(yè)前利用電子手冊學(xué)習(xí)簡單規(guī)范化的作業(yè)方法。實(shí)現(xiàn)信息反饋頁面的設(shè)置，機(jī)手能夠在農(nóng)機(jī)深松作業(yè)信息化的過程中，在平臺反饋軟硬件問題，從而能夠更加貼近于實(shí)際。

3 田間試驗(yàn)和分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)作業(yè)面積和深度的監(jiān)測精度，對該系統(tǒng)進(jìn)行測試。在進(jìn)行測試的過程中，使用1S-230型深松機(jī)開展試驗(yàn)，田間試驗(yàn)場景如圖3所示。

圖3 田間試驗(yàn)場景

3.1 作業(yè)深度試驗(yàn)

將終端設(shè)置在深松機(jī)組中，操作拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)，使深松機(jī)耕深從淺到深。在整個(gè)過程中，每隔一段距離進(jìn)行測量，操控機(jī)組行駛平穩(wěn)之后，深松機(jī)停車不動，準(zhǔn)確值為人工撥土的測量耕深，并對比監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)果。如果機(jī)組逐漸接近耕深，那么土壤值就是機(jī)組作業(yè)中的最大深度（即機(jī)組和耕深的距離越來越近的話，機(jī)組作業(yè)最大深度不能夠超過土壤值），使耕深能夠從深到淺，重復(fù)以上監(jiān)測過程[9-10]。測試數(shù)據(jù)如圖4 所示，通過田間試驗(yàn)可以看出，系統(tǒng)作業(yè)的深度測量誤差在1.18 cm 以下，均方根誤差在0.64 cm以下。

圖4 測試數(shù)據(jù)

3.2 作業(yè)面積試驗(yàn)

通過規(guī)則矩形試驗(yàn)地，將終端安裝在深松機(jī)組中，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線作業(yè)。將自動導(dǎo)航系統(tǒng)安裝到拖拉機(jī)中，能夠使作業(yè)過程中不重不漏。在開展田間試驗(yàn)的過程中，對系統(tǒng)測量面積進(jìn)行記錄，使用高精度RTK-GNSS 測量試驗(yàn)地塊面積，對以上試驗(yàn)過程進(jìn)行重復(fù)測量。表1 為測試數(shù)據(jù)，田間試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)作業(yè)面積測量誤差和平均誤差均不超過0.91%、0.53%。

表1 測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

農(nóng)機(jī)深松作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)能夠在農(nóng)機(jī)生產(chǎn)作業(yè)監(jiān)測過程中使用現(xiàn)代信息技術(shù)，從而精準(zhǔn)監(jiān)測深松機(jī)的作業(yè)面積和質(zhì)量，使傳統(tǒng)驗(yàn)收過程中工作量大和監(jiān)測效率比較低的問題得到解決，降低監(jiān)管壓力，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)管理信息化水平。