一種相對水面的水田農(nóng)業(yè)機(jī)具作業(yè)姿態(tài)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，特別涉及一種相對水面的水田農(nóng)業(yè)機(jī)具作業(yè)姿態(tài)測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]平整的水田可以保證農(nóng)田水層深淺一致，節(jié)省農(nóng)業(yè)用水;可以減少農(nóng)藥、化肥和除草劑的使用量，提高農(nóng)藥、化肥和除草劑的使用效率，進(jìn)而減少生產(chǎn)成本和對環(huán)境的污染；可以增加農(nóng)作物產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
[0003]傳統(tǒng)的水田平整方法都是仿形平整，勞動強(qiáng)度大且效率低，同時平整精度低，難以達(dá)到精細(xì)平整的要求(劉效勇等，2010)。
[0004]在水田的常規(guī)平整中采用的簡易平地設(shè)備一般由拖拉機(jī)后拖一根木棒或木板作為機(jī)具，平地精度主要取決于機(jī)具的重量及泥面的軟硬程度。由于泥面的軟硬和高低的變化，機(jī)具也會隨其上下起伏。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展與應(yīng)用，要求作業(yè)機(jī)具保持與作業(yè)對象面平行。
[0005]目前市場上的大多數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械仍為傳統(tǒng)的仿形作業(yè)方式，只有少量農(nóng)業(yè)裝備可實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)具具有高度方向的控制而不受農(nóng)田不平整影響，農(nóng)田精細(xì)平整主要采用激光平地技術(shù)和GPS平地技術(shù)。激光平地技術(shù)能夠大幅度地提高田間土地平整精度，成本相對較低，效率較高，節(jié)水增產(chǎn)。不過，激光平地技術(shù)易受外界因素影響，在強(qiáng)光和大風(fēng)下工作會使平地精度產(chǎn)生較大誤差(李鑫磊，2011)，同時，由于激光接收器的垂直接收范圍有限，在大面積坡面平整時，會出現(xiàn)激光信號丟失現(xiàn)象，難以滿足農(nóng)田坡面平整要求(王瀧等，2013)。此夕卜，激光平地系統(tǒng)的工作半徑有限，一般為200?450米(Trimble Inc.，2003;2007)。全球定位系統(tǒng)(global posit1ning system，GPS)技術(shù)能夠獲得地表任何位置的定位信息，且工作不受天氣影響，具有測量速度快、工作效率高的突出特點(diǎn)，而RTK-GPS技術(shù)的動態(tài)定位精度更可達(dá)到厘米級水平，為高效、大規(guī)模實(shí)施土地平整提供了重要的支撐條件(Aziz，etal.，2006;李益農(nóng)等，2005)。基于GPS的土地平整技術(shù)作為新興科技，在美國等發(fā)達(dá)國家已得到較好地應(yīng)用。目前，我國水田田塊面積增大，成片耕種，田埂窄小;不論平原地區(qū)水田還是丘陵地區(qū)水田都會有遮擋物，如防護(hù)林等，此外，我國大部分區(qū)域尚未建立CORS(Continuous Operat1nal Reference System)，要獲得高精度GPS定位信息需自主架設(shè)差分基準(zhǔn)站。農(nóng)田精細(xì)平整技術(shù)中現(xiàn)有激光平地技術(shù)和GPS平地技術(shù)，激光平地技術(shù)受距離限制，而GPS平地技術(shù)的成本高、且信號受遮擋物影響測量精度。
[0006]因此，有必要提供一種基于水田特性的水田精細(xì)平整方法、技術(shù)以及相關(guān)裝備，以滿足市場需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是:提供一種區(qū)別于傳統(tǒng)水田平整方法的相對水面的水田農(nóng)業(yè)機(jī)具作業(yè)姿態(tài)測量方法。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]—種相對水面的水田農(nóng)業(yè)機(jī)具作業(yè)姿態(tài)測量方法，其特征在于:包括如下步驟:a.將水田的水面視作靜態(tài)并作為測量的基準(zhǔn)面，通過固定在作業(yè)機(jī)具上的二維測距傳感器向水田的水面掃描得出水面點(diǎn)集，對水面點(diǎn)集進(jìn)行擬合得到擬合直線;b.計算二維測距傳感器到擬合直線的垂直距離L;計算二維測距傳感器到擬合直線的垂線與二維測距傳感器的中心線的夾角，即橫向傾斜角度i3;c.利用三角關(guān)系通過垂直距離L得出二維測距傳感器的垂直高度，進(jìn)而得出作業(yè)機(jī)具相對于水面的垂直高度H;d.將垂直高度H和橫向傾斜角度β分別與設(shè)定值比較，實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)具的姿態(tài)控制。其中，步驟b中，二維測距傳感器的中心線為傳感器已知參數(shù)，計算中心線和二維測距傳感器到擬合直線垂線的夾角，得到作業(yè)機(jī)具相對水面的橫向傾斜角度β。
[0010]作為一種優(yōu)選，所述步驟a中，通過二維測距傳感器的旋轉(zhuǎn)測距部件形成二維的掃描面，二維測距傳感器向下以一個掃描角度向水面掃描，水面和掃描面相交處形成垂直于作業(yè)機(jī)具前進(jìn)方向的掃描線，由掃描線得到擬合直線;水面和掃描面的夾角為角α，其與安裝角相關(guān)(與安裝角互補(bǔ))，步驟c中，通過垂直距離L和角α得出垂直高度H。
[0011]作為一種優(yōu)選，掃描線包括水面點(diǎn)集和非水面點(diǎn)集，通過濾波算法排除非水面點(diǎn)集，選出水面點(diǎn)集。濾波算法為現(xiàn)有的算法，其作用為:減少非水面掃描點(diǎn)的干擾，提高水面掃描直線的準(zhǔn)確度。
[0012]作為一種優(yōu)選，掃描角度(即二維測距傳感器旋轉(zhuǎn)角度)為60-120度。
[0013]作為一種優(yōu)選，非水面點(diǎn)集對應(yīng)水面凸出物和田埂信息。水面凸出物包括凸出于水面的土壤、凸出于水面的雜草等。
[0014]作為一種優(yōu)選，步驟d中，通過固定在作業(yè)機(jī)具上的姿態(tài)傳感器對作業(yè)機(jī)具的運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行校正，精確控制作業(yè)機(jī)具的姿態(tài);此處所說的作業(yè)機(jī)具的姿態(tài)，包括作業(yè)機(jī)具的垂直高度H和橫向傾斜角度β，其中垂直高度H對應(yīng)作業(yè)機(jī)具的作業(yè)深度。
[0015]作為一種優(yōu)選，姿態(tài)傳感器用于測量作業(yè)機(jī)具的空間姿態(tài)角度，至少包括俯仰角度和橫滾角度;其中俯仰角度用于校正牽拉作業(yè)機(jī)具的拖拉機(jī)前后傾斜變化對角α的影響，進(jìn)而用來校正垂直高度H，橫滾角度用于校正拖拉機(jī)左右傾斜變化對橫向傾斜角度β測量的影響。
[0016]作為一種優(yōu)選，姿態(tài)傳感器安裝在二維測距傳感器上，二維測距傳感器安裝在作業(yè)機(jī)具上。
[0017]作為一種優(yōu)選，作業(yè)機(jī)具為平地鏟，由水田拖拉機(jī)牽引；平地鏟由高程油缸和調(diào)平油缸控制，保持平地鏟的垂直高度H和橫向傾斜角度β與設(shè)定值一致。
[0018]總的說來，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)本發(fā)明通過固定在水田作業(yè)機(jī)具上的二維測距傳感器掃描測量水田的水面，濾除干擾信息后提取水田的水面點(diǎn)集擬合成擬合直線，計算二維測距傳感器與擬合直線的垂直距離L和橫向傾斜角度β，再通過三角關(guān)系轉(zhuǎn)換得到作業(yè)機(jī)具相對于水田的水面的垂直高度H。無需外加參考基準(zhǔn)而獲得水田作業(yè)機(jī)具的姿態(tài)信息，可用于水田作業(yè)機(jī)具姿態(tài)控制。
[0020](2)本發(fā)明的測量方法采用姿態(tài)傳感器對拖拉機(jī)/水田平地機(jī)的運(yùn)動姿態(tài)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了校正，保證了測量準(zhǔn)確性。[0021 ] (3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可對作業(yè)機(jī)具的姿態(tài)相對于水面進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)水面以下水田的平整。
【附圖說明】
[0022]圖1為作業(yè)機(jī)具的垂直高度H的測量示意圖，為作業(yè)機(jī)具的側(cè)視圖。
[0023]圖2為作業(yè)機(jī)具作業(yè)橫向傾斜角β測量