一种相对水面的水田农业机具作业姿态测量方法

摘要

一种相对水面的水田农业机具作业姿态测量方法包括：a.将水田的水面视作静态并作为测量的基准面，通过固定在作业机具上的二维测距传感器向水田的水面扫描得出水面点集，对水面点集进行拟合得到拟合直线；b.计算二维测距传感器到拟合直线的垂直距离L；计算二维测距传感器到拟合直线的垂线与二维测距传感器的中心线的夹角，即横向倾斜角度β；c.利用三角关系通过垂直距离L得出二维测距传感器的垂直高度，进而得出作业机具相对于水面的垂直高度H；d.将垂直高度H和横向倾斜角度β分别与设定值比较，实现作业机具的姿态控制。无需外加参考基准而获得水田作业机具的姿态信息，可用于水田作业机具姿态控制，属于智能农业机械领域。

说明书

技术领域

本发明涉及智能农业机械领域，特别涉及一种相对水面的水田农业机具作 业姿态测量方法。

背景技术

平整的水田可以保证农田水层深浅一致，节省农业用水；可以减少农药、 化肥和除草剂的使用量，提高农药、化肥和除草剂的使用效率，进而减少生产 成本和对环境的污染；可以增加农作物产量，促进农业可持续发展。

传统的水田平整方法都是仿形平整，劳动强度大且效率低，同时平整精度 低，难以达到精细平整的要求(刘效勇等，2010)。

在水田的常规平整中采用的简易平地设备一般由拖拉机后拖一根木棒或木 板作为机具，平地精度主要取决于机具的重量及泥面的软硬程度。由于泥面的 软硬和高低的变化，机具也会随其上下起伏。随着现代农业装备发展与应用， 要求作业机具保持与作业对象面平行。

目前市场上的大多数农业机械仍为传统的仿形作业方式，只有少量农业装 备可实现作业机具具有高度方向的控制而不受农田不平整影响，农田精细平整 主要采用激光平地技术和GPS平地技术。激光平地技术能够大幅度地提高田间 土地平整精度，成本相对较低，效率较高，节水增产。不过，激光平地技术易 受外界因素影响，在强光和大风下工作会使平地精度产生较大误差(李鑫磊， 2011)，同时，由于激光接收器的垂直接收范围有限，在大面积坡面平整时，会 出现激光信号丢失现象，难以满足农田坡面平整要求(王泷等，2013)。此外， 激光平地系统的工作半径有限，一般为200～450米(TrimbleInc.,2003；2007)。 全球定位系统(globalpositioningsystem，GPS)技术能够获得地表任何位置的定 位信息，且工作不受天气影响，具有测量速度快、工作效率高的突出特点，而 RTK-GPS技术的动态定位精度更可达到厘米级水平，为高效、大规模实施土地 平整提供了重要的支撑条件(Aziz,etal.,2006；李益农等，2005)。基于GPS的 土地平整技术作为新兴科技，在美国等发达国家已得到较好地应用。目前，我 国水田田块面积增大，成片耕种，田埂窄小；不论平原地区水田还是丘陵地区 水田都会有遮挡物，如防护林等，此外，我国大部分区域尚未建立CORS (ContinuousOperationalReferenceSystem)，要获得高精度GPS定位信息需自主 架设差分基准站。农田精细平整技术中现有激光平地技术和GPS平地技术，激 光平地技术受距离限制，而GPS平地技术的成本高、且信号受遮挡物影响测量 精度。

因此，有必要提供一种基于水田特性的水田精细平整方法、技术以及相关 装备，以满足市场需求。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种区别于传统 水田平整方法的相对水面的水田农业机具作业姿态测量方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种相对水面的水田农业机具作业姿态测量方法，其特征在于：包括如下 步骤：a.将水田的水面视作静态并作为测量的基准面，通过固定在作业机具上的 二维测距传感器向水田的水面扫描得出水面点集，对水面点集进行拟合得到拟 合直线；b.计算二维测距传感器到拟合直线的垂直距离L；计算二维测距传感器 到拟合直线的垂线与二维测距传感器的中心线的夹角，即横向倾斜角度β；c.利 用三角关系通过垂直距离L得出二维测距传感器的垂直高度，进而得出作业机 具相对于水面的垂直高度H；d.将垂直高度H和横向倾斜角度β分别与设定值 比较，实现作业机具的姿态控制。其中，步骤b中，二维测距传感器的中心线 为传感器已知参数，计算中心线和二维测距传感器到拟合直线垂线的夹角，得 到作业机具相对水面的横向倾斜角度β。

作为一种优选，所述步骤a中，通过二维测距传感器的旋转测距部件形成 二维的扫描面，二维测距传感器向下以一个扫描角度向水面扫描，水面和扫描 面相交处形成垂直于作业机具前进方向的扫描线，由扫描线得到拟合直线；水 面和扫描面的夹角为角α，其与安装角相关(与安装角互补)，步骤c中，通过 垂直距离L和角α得出垂直高度H。

作为一种优选，扫描线包括水面点集和非水面点集，通过滤波算法排除非 水面点集，选出水面点集。滤波算法为现有的算法，其作用为：减少非水面扫 描点的干扰，提高水面扫描直线的准确度。

作为一种优选，扫描角度(即二维测距传感器旋转角度)为60-120度。

作为一种优选，非水面点集对应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、凸出于水面的杂草等。

作为一种优选，步骤d中，通过固定在作业机具上的姿态传感器对作业机 具的运动姿态进行校正，精确控制作业机具的姿态；此处所说的作业机具的姿 态，包括作业机具的垂直高度H和横向倾斜角度β，其中垂直高度H对应作业 机具的作业深度。

作为一种优选，姿态传感器用于测量作业机具的空间姿态角度，至少包括 俯仰角度和横滚角度；其中俯仰角度用于校正牵拉作业机具的拖拉机前后倾斜 变化对角α的影响，进而用来校正垂直高度H，横滚角度用于校正拖拉机左右 倾斜变化对横向倾斜角度β测量的影响。

作为一种优选，姿态传感器安装在二维测距传感器上，二维测距传感器安 装在作业机具上。

作为一种优选，作业机具为平地铲，由水田拖拉机牵引；平地铲由高程油 缸和调平油缸控制，保持平地铲的垂直高度H和横向倾斜角度β与设定值一致。

总的说来，本发明具有如下优点：

(1)本发明通过固定在水田作业机具上的二维测距传感器扫描测量水田的 水面，滤除干扰信息后提取水田的水面点集拟合成拟合直线，计算二维测距传 感器与拟合直线的垂直距离L和横向倾斜角度β，再通过三角关系转换得到作业 机具相对于水田的水面的垂直高度H。无需外加参考基准而获得水田作业机具 的姿态信息，可用于水田作业机具姿态控制。

(2)本发明的测量方法采用姿态传感器对拖拉机/水田平地机的运动姿态产 生的影响进行了校正，保证了测量准确性。

(3)本发明结构简单、操作方便，可对作业机具的姿态相对于水面进行精 确控制，实现水面以下水田的平整。

附图说明

图1为作业机具的垂直高度H的测量示意图，为作业机具的侧视图。

图2为作业机具作业横向倾斜角β测量的示意图，为作业机具的后视图。

图3为本发明在水田平地机上应用示意图。

其中，1.二维测距传感器、2.姿态传感器、3.二维测距传感器的扫描面， 由一个扫描周期内的所有测量线路形成、4.水田平地机、5.平地铲。x_L,y_L,z_L为 二维测距传感器的空间直角坐标系，x_A,y_A,z_A为姿态传感器的空间直角坐标系， 两空间直角坐标系相互平行；角α为测距传感器扫描面平面与水平面的夹角； 横向倾斜角β为二维测距传感器到拟合直线的垂线与二维测距传感器的中心线 的夹角。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

本实施例是本发明应用于水田平地机的平地铲作业姿态测量与控制，包括 水田平地机、平地铲(即本实施例中的作业机具)、二维测距传感器、姿态传 感器和控制系统。

平地铲与水田平地机连接，可通过高程油缸实现平地铲的上下调节(高程 调节)，通过调平油缸实现平地铲的左右调节(自动调平)。二维测距传感器和 姿态传感器均安装在平地铲上，二维测距传感器和姿态传感器对应的直角坐标 系相互平行。

二维测距传感器倾斜向平地铲后方扫描测量水田的水面，通过滤波算法滤 除干扰信息后提取水田的水面点集，并将水面点集拟合成拟合直线，计算二维 测距传感器在扫描面上到拟合直线的垂直距离L(通过二维测距传感器读取)和 横向倾斜角度β(实时测量线路中二维测距传感器到拟合之间之间的距离和垂直 距离L，两者构成直角三角形，可算出夹角，该数值经由控制系统配合二维测距 传感器横滚角度计算校正)，夹角α(与安装角互补，由安装角算出，安装角在 二维测距传感器安装时即可确定，夹角α经由控制系统配合姿态传感器的俯仰 角度计算校正)，再利用三角关系转换得到平地铲相对于水田的水面的垂直高 度H(H＝L·sinα)。

水田平地机受水田的硬底层高低起伏影响使平地铲离水面的高度和倾斜角 度时刻变化，再通过测量到的垂直高度H和横向倾斜角度β与设定在控制系统 中的高度和倾斜角度比较，控制平地铲的高程油缸和调平油缸，保持平地铲的 垂直高度H和平地铲横向倾斜角度β接近设定的平地铲高度和倾斜角度，实现 平地铲的姿态测量与控制，达到水田精准平整目的。采用姿态传感器对水田平 地机的运动姿态产生的影响进行了校正，保证了测量准确性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。