机械深松作业质量监测技术研发

第一章 绪论1.1 研究背景与意义我国是一个耕地大国，耕地总面积排在全球前列，同时我国又是一个人口大国，在我国超过 600 个市县的人均耕地面积在联合国的戒备线下，人均耕地占有量偏少，人多地少是我国的基本国情，但我国土壤耕地质量仍在逐年下降(李为明等 2013)。我国土壤耕作依赖传统的耕作模式与小功率农业机械的使用，例如牛耕、旋耕等耕作方式，这些不良耕作方式每年反复运用，造成土壤耕层逐年变浅，犁底层;却越来越深，犁底层;深度能够达到 6~10 厘米(张宏伟 2015)。犁底层;中养分物质含量较少，土壤颗粒之间空隙较小，多出现片状、大块状或层状构造。土壤经过长年积累形成的犁底层;大多较坚硬，农作物的根系难以突破下扎，导致作物根系生命力下降，大大削弱了农作物的抗风、抗病、抗倒伏、抗干旱能力，造成作物减产；同时作物根系不发达造成雨水不能下渗构成地表径流，作物储水能力缺乏，容易形成水土流失等土地灾害。农业种植的经验与事实表明，提高土壤质量是提高作物增产的重要方式之一。如何在反复耕作的有限的土地基础上，利用先进的技术手段提高耕地质量是我国农业面临的重大问题。以免耕、少耕为主的保护性耕种引入我国后得到了很好的应用，现在，保护性耕种技术之一的土壤深松技术正越来越引起大家的重视。机械深松技术是指用不同种类的农机配套相应的深松铲，来完成土地深松作业的机械化技术(花盛 2007; 曹庆军等2014)。机械深松作业的目标是蓬松土壤，破坏犁底层而又不破坏土壤耕层，实现对作物耕地的物理性改良，加快土层的热交换，促进雨水入渗速度和入渗体积，降低水分蒸发造成的损失，为作物根系构造适宜的生长环境。因此，机械化深松技术不但能够大大提高耕地质量、促进农作物增产，而且能够减少土地的水土流失，打造良好的农业种植环境，最终促进农业的可持续发展(高坤等 2009; 李广东和兰胜武 2010)。正因为深松带来的效益巨大，国家制定了一系列政策来促进机械深松耕作方式的推广。国务院总理李克强在 2016 两会上做《政府工作报告》提到，2016 年加强高标准农田建设，增加深松土地 1.5 亿亩。为进一步响应落实党中央、国务院的决策安排，继续加快机械深松整地技术的推广应用，农业部组织编制了《全国农机深松整地作业实施规划（2016-2020年）》(2016)。并且，政府部门对深松作业制定了一系列补贴政策，用来推动机械深松作业的落实。............1.2 国内外研究现状近年来随着科学技术的日益更新和发展，许多先进的理念与技术被应用于农业领域并促进了农业的快速发展，在农业机械方面，国内外已经利用一系列先进的技术开展了农机作业监测技术的研究(Wang Z et al. 2010; Fathollazadeh H et al. 2007; aminaa M Set al. 1981)。王慧平等(2014)利用.NET 设计了 Web Service 客户端并在其上进行了二次开发，最终完成了对农机监管的远程服务系统，该系统能够实现作业历史数据查询、农机实时监控、农机信息管理和即时报警等功能，但是该系统无法统计作业面积。在深松整地作业监测方面，国内许多院校、研究所和公司也进行了一系列开发与探索。由哈尔滨工业大学信息技术研究所等几所单位设计的农机深松作业鉴别方法融合了多种传感器，包括速度传感器、摄像头、功率传感器等，通过摄像头计算深度，利用 GPRS 网络将GPS 定位信息上传至服务器的数据库，通过过滤轨迹数据并结合面积计算方法得到最终作业面积，结果表明可以系统实现准确测量(2014)。刘碧贞等(2015)利用北斗和 GPS 双模接收机实现谷物收割机作业轨迹的绘制，通过北斗报文功能实现作业数据的无线传输，最终设计了谷物收割机的综合管理系统，实现农机的管理与调度，也可测算收割面积与谷物产量。王玲等(2014)利用 GPS 与 GSM 技术建立了农机作业机群监测系统，可远程实现对农业机械的监测，完成了农机作业状态、作业面积、地理环境信息以及作业数据的自动上传，利用面向对象的软件并针对不同类型作业机械开发专用软件，实现作业轨迹实时跟随、作业数据实时显示保存，通过实验表明该系统达到了作业机群远程监控的需求。现有设备或系统较多借助网络和服务器平台实现对农机作业的监测，此种方法成本较高、测算效率较差，且传输网络受作业环境影响较大，当网络信号差或网络流量用尽时设备无法进行工作。...........第二章 基于倾角传感器的深度测算方法研究深度测算主要考虑测算精度与测算方法的便利性，从国内外研究现状分析，本章深度测算采用基于倾角传感器的间接测算方法，通过对拖拉机液压悬挂系统工作原理研究，找出拖拉机提铲落铲过程中三点悬挂结构的运动规律，解析出求解作业深度的几何模型，得出计算方法与公式。最后搭建试验平台采集角度原始数据，验证深度算法的可行性，为后文设备设计提供理论与技术支持。2.1 理论依据拖拉机液压悬挂系统能够利用液体产生的压力来控制悬挂机具的升降，自动调节悬挂机具的作业深度。其能够减轻悬挂机具重量，改善农机手作业劳动条件，提高拖拉机的作业效率和机动性能(Zhang L X et al. 2012; Sarami S 2010)。按液压位置分布的不同，分为分置、半分置和整体式三类液压悬挂系统。液压悬挂系统主要由液压系统、操纵机构、悬挂机构三部分构成(齐树强 2015)。其中液压系统主要由油泵、油缸和分配器等部件组成，油泵为动力部分，能够将发动机机械能转化为液体压力能；油缸为执行部分，可以将油液压力转化为机械能(韩英2000)；控制部分为分配器，其作用为控制油流方向，进而控制油缸动作；液压系统还包括辅助部分，包括油箱、滤网、油管等，能够完后油液的输送和净化。液压悬挂系统的操纵机构能够控制分配器运动。液压悬挂系统的悬挂机构是连接农具的杆件，包括三点悬挂、两点悬挂等。三点悬挂适用于中小型农机，机具运动偏摆小，行驶直线性好，自动回正快；两点悬挂适用于大型拖拉机，机具横向偏摆大，机组转弯半径小(Ibrahim IMEl-Demerdash S M 1999)。拖拉机三点悬挂结构如图 2-1 所示。.........2.2 基于倾角传感器的深度测算方法建立结合前文下拉杆与深松铲运动分析，以方形横梁为例，提出了测算深度的计算方法步骤并介绍相关公式推导过程。根据深耕作业机具的结构要求，深松作业拖拉机一般选择悬挂结构为三点的拖拉机，拖拉机与深松铲具体连接方式为拖拉机上拉杆和两个下拉杆的前端与拖拉机铰接，后端与深松铲铰接，可以看作为深松铲上三个点与拖拉机上三个点连接，即为三点悬挂(丁强 2013)。农机手在驾驶室通过操纵手柄控制液压部分升降，从而带动三点悬挂机构提升或下降来控制深松铲作业时的深度。拖拉机在深松作业过程中会处于落铲状态，当行驶至地头时或作业完成时，深松铲会处于提升状态。通过分析提铲落铲运动，深松铲的运动可以近似看为两部分，一个将下拉杆与深松铲看为整体作圆周运动，另一个是深松铲本身绕下拉杆与深松铲铰接点连线的轴作圆周运动。由此可知深松深度由下拉杆转动与深松铲本身的转动决定的，通过倾角传感器测量下拉杆与深松铲转动角度，与未作业前初始角度比对，再结合深松铲和下拉杆几何尺寸可间接得到深松铲下降或提升的距离，此距离即为作业实时深度值。由于深松作业面积较大，受地形与误差影响，单独某一点的瞬时深度值无法评价此次作业深度总体水平，因此可通过求取深度平均值作为此次作业深度的评价指标。.............第三章 基于 GPS 的面积测算方法研究.......173.1 理论依据....... 173.1.1 GPS 技术介绍........... 173.1.2 面积测算方法原理概述............ 183.2 试验材料与方法.... 193.2.1 试验平台搭建.......... 193.2.2 试验材料......... 193.2.3 方法步骤......... 203.3 基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法建立........... 203.4 面积测算算法验证与分析...... 263.4.1 试验材料与方法...... 263.4.2 结果与分析..... 263.5 本章小结....... 26第四章 车载深松作业质量监测设备设计与实现..........274.1 设备总体架构设计......... 274.2 设备硬件模块设计......... 294.3 系统软件设计........ 394.4 本章小结....... 46第五章 设备试验验证与分析......475.1 设备功能测试........ 475.2 深度测算精度测试......... 485.3 面积测算精度测试......... 495.4 设备性能测试........ 505.5 本章小结....... 51第五章 设备试验验证与分析在搭建完车载深松作业质量监测设备之后，将深度与面积测算算法嵌入单片机与工控屏，对设备基本功能进行了测试之后对设备监测精确度进行验证，同时根据深松作业质量设备设计要求，对设备电压稳定性与数据断电存储性能进行测试。5.1 设备功能测试车载深松作业质量监测设备设计完成后在陕西靖边县、武功县等地进行了一系列试验与应用，设备在运行期间稳定完成了各项功能，表明本文设计的设备能够完成基本的深松作业监测功能。图 5-1 为设备实际安装应用照片，地点在陕西武功县。同时以 2016 年 4 月 3 日模拟深松试验为例，对设备基本功能进行了测试，试验目的旨在测试设备是否完成基本的面积与深度测算。该试验地点为西北农林科技大学操场，设备安装于自行车模拟拖拉机深松作业，采用 12V 锂电池供电。作业前对设备参数进行设置从而验证参数设置功能，包括初始角度、下拉杆力臂长度等参数；作业时实时查看显示界面深度、里程、速度等数据，验证设备实时显示功能；作业后查看平均深度以及面积测算结果，验证面积与深度测算功能。测试表明设备能够完成上述基本功能，满足深松作业监测需求。图 5-2 为本次作业结果界面，由图 5-2 可以看到本次作业地块的经纬度、作业起止时间、平均深度、面积、里程等信息，表明该设备能够完成基本的监测功能。
........结论本文以机械深松作业的深度监测和面积监测为研究对象，首先对深度与面积算法进行了探索与研究，提出采用倾角传感器与 GPS 结合的测量方法，通过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 技术并结合面积格点覆盖的测算方法计算作业面积；其次设计了车载深松作业质量监测设备，采用单片机采集传感器原始数据，工控屏嵌入算法计算作业面积与深度并实现在线显示，用户可通过触控屏幕实现人机交互，采用 GPRS 模块将作业结果数据与作业特征数据上传至服务器保存。最后设计试验对设备功能性、测算精度、系统性能进行了试验，通过试验表明设备性能良好。本文主要结论如下：（1）研究分析了深松作业深度测算方法。通过研究拖拉机液压悬挂系统和倾角传感器工作原理，分析拖拉机深松作业提铲落铲过程，确定了基于倾角传感器测算深度的基本方法。通过对三点悬挂提铲落铲运动的研究，解析出深松铲提铲落铲过程运动几何模型，推导出求解公式并确定深度测算步骤。利用土槽试验车、计算机、倾角传感器等搭建了角度数据采集试验平台，通过 EXCEL 软件并结合公式计算出试验深度，与实际深度对比验证了深度测算算法的可靠性。（2）研究分析了深松作业面积测算方法。通过对低成本 GPS 技术与拖拉机深松作业过程研究，提出测算的基本理论依据。搭建了深松作业经纬度数据采集试验平台，采集深松作业经纬度试验数据，研究基于面积格点覆盖的深松面积测算方法，介绍测算方法的步骤。借助 MATLAB、EXCEL、谷歌地球等软件确定出算法模型与参数，包括数据预处理、区域网格化、密度分类、网格统计方式。最后设计试验验证了面积算法的可靠性。（3）完成了车载深松作业质量监测设备的软硬件设计。根据拖拉机结构以及应用需求提出了监测设备理论原型架构，设计了监测设备的整体安装方式。根据面积与深度测算方案进行设备的硬件设计，确定了处理器与各关键模块选型；完成 PCB 集成电路设计，包括核心处理器电路、GPRS 电路、串口通信电路、电压电路等；完成设备封装与安装设计，包括防水、减震等。根据应用需求开发了单片机与工控屏软件，单片机软件包括包括初始化程序、原始数据采集程序、字符串发送程序等；工控屏软件包括面积、深度计算程序、人机交互界面程序、数据存储程序等。..........参考文献（略）