机械深松作业质量监测技术研发

摘要

土地机械深松是提高我国耕地质量的主要方式之一，深松作业可有效提高农作物产量，并列入农业部唯一的单项作业补贴得到大力推广。但实际作业中，由于作业深度不足导致深松质量降低，作业面积缺乏实时统计手段，造成补贴发放存在困难，谎报、虚报套取国家补贴现象时有发生。因此实现深松作业过程中的面积、深度准确监测，对国家深松政策落实、提高作物产量具有重大意义。本文以深松作业的深度监测和面积监测为研究对象，采用倾角传感器与拖拉机三点悬挂系统结合测量深度，通过低成本GPS模块结合网格测算方法计算作业面积;利用微处理器采集传感器作业原始数据，工控屏嵌入算法计算作业深度与面积并实现在线显示，用户可通过触控屏幕实现人机交互;采用U盘存储、断电存储以及GPRS上传数据确保深松作业深度和面积数据存储安全，以期实现深松作业面积、深度准确监测，为落实国家深松政策提供技术手段。本文主要研究内容及结论如下:
　　(1)研究分析了深松作业深度测算方法。通过分析拖拉机提铲落铲过程，综合对比现有作业深度测算技术与方法，提出基于倾角传感器与三点悬挂的几何深度算法。分析三点悬挂结构角度变化规律，解析出初始状态与作业状态几何图，确定测算方案并推导出计算公式。利用MPU6050倾角传感器、计算机、土槽试验车搭建试验平台，验证了三点悬挂角度变化规律与深度测算方法可行性。
　　(2)研究分析了深松作业面积测算方法。分析深松拖拉机作业运动过程和行驶轨迹，综合对比现有的农机作业面积测算方法与技术，确定采用低成本GPS技术测算面积方案，提出基于面积格点覆盖的面积测算方法。集成低成本GPS模块、单片机、工控屏、U盘等搭建深松作业经纬度数据采集平台，采集深松作业过程坐标数据。利用试验数据建立面积测算方法模型并确定算法参数，包括区域网格化、密度分类、网格统计、求取均值等步骤。最后通过试验验证了面积算法的可行性。
　　(3)设计开发了车载深松作业质量监测设备。该设备以MT4414TE工控屏为核心处理器实现了深松作业面积、深度测算和人机交互。设备硬件设计主要包括各模块电路设计、关键器件的封装设计和设备整体安装固定设计，实现数据采集、电源供给等功能。设备软件设计包括单片机软件和工控屏软件，实现在线监测、用户配置、作业查询、数据存储等功能。
　　(4)构建了车载深松作业质量监测设备测试试验，包括功能测试、精度测试与性能测试。通过模拟试验表明设备功能满足深松监测的要求。通过模拟与实际深松作业表明，实时深度与平均深度测算误差不超过5％，面积测算误差不超过5％。同时对设备系统性能进行测试，包括电压稳定性与断电存储性能，经测试工控屏端输入电压稳定，设备重启后正常工作率为100％，数据丢失率为0％，满足深松作业的需求。
　　综上所述，本文提出的机械深松作业深度与面积测算方法，以及车载深松作业质量监测设备研发过程，对研究农机监测技术提供了新的思路以及积极的参考价值。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 农机作业监测技术研究现状

1．2．2 深度测算方法研究现状

1．2．3 面积测算方法研究现状

1．3 研究内容

1．4 技术路线

1．5 论文章节安排

第二章 基于倾角传感器的深度测算方法研究

2．1 理论依据

2．1．1 拖拉机液压悬挂系统介绍

2．1．2 倾角传感器介绍

2．1．3 测算算法原理概述

2．2 基于倾角传感器的深度测算方法建立

2．3 深度测算算法验证与分析

2．3．1 试验装置与材料

2．3．2 试验与结果分析

2．4 本章小结

第三章 基于GPS的面积测算方法研究

3．1 理论依据

3．1．1 GPS技术介绍

3．1．2 面积测算方法原理概述

3．2 试验材料与方法

3．2．1 试验平台搭建

3．2．2 试验材料

3．2．3 方法步骤

3．3 基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法建立

3．3．1 数据预处理

3．3．2 区域网格化

3．3．3 密度分类

3．3．4 网格点扫描

3．3．5 求取平均值

3．4 面积测算算法验证与分析

3．4．1 试验材料与方法

3．4．2 结果与分析

3．5 本章小结

第四章 车载深松作业质量监测设备设计与实现

4．1 设备总体架构设计

4．1．1 设备需求分析

4．1．2 设备整体架构

4．1．3 设备安装设计

4．2 设备硬件模块设计

4．2．1 信息采集模块设计

4．2．2 主控集成模块设计

4．2．3 人机交互模块设计

4．2．4 关键器件封装设计

4．3 系统软件设计

4．3．1 单片机软件设计

4．3．2 工控屏软件设计

4．4 本章小结

第五章 设备试验验证与分析

5．1 设备功能测试

5．2 深度测算精度测试

5．2．1 实时深度精度测试

5．2．2 平均深度精度测算试验

5．3 面积测算精度测试

5．4 设备性能测试

5．4．1 设备电压稳定性测定

5．4．2 设备断电存储性能测定

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

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