基于GPS的平地系统设计与试验
时间：2014-10-08 来源：未知 作者：傻傻地鱼 本文字数：3854字
0、 引言
土地平整可以提高灌溉水的利用率,是农田节水增产的重要措施之一。利用激光的准直性,产生一个激光基准面,可以实现农田土地平整并在生产中得到了应用。但是,该技术适用于较小规模农田地块内地表起伏不太大的土地精细平整,且易受强光、大风等天气条件的影响。2005 年,发达国家开始将 GPS 技术应用到农田平整作业研究中。GPS 平地技术具有精度高、受天气等外界因素影响小等优点,美国已经有相关商品并进行了实际应用; 但因价格等原因,未能在我国推广应用。
为此,在消化吸收国外相关产品基础上,设计开发了基于 GPS 的平地系统,并进行了平地试验,取得了较好的试验效果。
1、 GPS 平地系统工作原理
GPS 平地系统主要由拖拉机、GPS 接收机、车载计算机、控制器、姿态航向传感器、液压系统和平地铲运设备等部分组成,如图 1 所示。
土地平整作业之前,首先需要对待平整地块进行三维地形测量,为设计合理的农田平整施工方案提供数据支持。驾驶拖拉机按照一定路径行驶,车载计算机通过 GPS 接收机实时获取农田不同位置的经纬度坐标及高程,并对数据进行分析与处理,计算得到基准高程,即平地设计高程。随后,车载计算机将实时高程与基准高程进行比较,判断位置高低,并通过控制器向液压系统输出相应控制信号,控制平地铲升降。
土地平整作业结束后,需要对平整后地块再次进行三维地形测量,进行平整前后平地效果对比,对平整工程质量、平地效率以及土地平整精度进行定量评价。
2、 系统硬件组成
本研究采用上位机决策和下位机控制相结合的方法。其中,上位机系统以车载计算机为工作平台,主要负责 GPS 数据的获取与处理,输出位置高低判断信号; 下位机系统以控制器为核心,通过实时接收上位机位置判断信号,控制平地铲完成平地作业。系统框图,如图 2 所示。
2. 1 GPS 接收机
GPS 接收机是 GPS 平地系统的主要测量设备,包括基准站、移动站和数传电台 3 部分。测量时,移动站实时获取 GPS 卫星天线所处位置的 RTK 差分定位信息,得到较准确的三维位置信息。本研究选用美国 Trimble 公司生产的 Trimble5700接收机设备,采用 RTK 差分方式进行定位测量,动态定位精度可达厘米级。
2. 2 姿态航向传感器
拖拉机在田间平地作业时,颠簸较大,使得固定在平地铲上的 GPS 天线晃动较大,增加了 GPS 测量误差,定位精度下降较大。为此,采用姿态与航向传感器对 GPS 位置信息进行校正,提高 GPS 定位精度。姿态与航向传感器安装于平地铲上与 GPS 天线临近的位置。本研究中选用荷兰 Xsens 公司生产的 MTI -AHRS 型姿态与航向传感器。该传感器可输出航向角、校准的三轴加速度和角速度。
2. 3 车载计算机
车载计算机作为数据处理终端,负责 GPS 测量数据的采集、处理及存储,并向下位机输出位置高低判断信号。系统选用工控机作为车载计算机(型号 AFL -12A - N270,深圳威强) ,采用 Windows XP 操作系统,利用 RS232 串口与 GPS 接收机及控制器进行数据通信。
2. 4 控制器
控制器接收来自车载计算机输出的数字信号,对信号进行 D/A 转换后经过驱动电路控制液压系统,进而控制平地铲的升降。控制器的构成,如图 3 所示。
图 3 中,控制器采用 STC89C52 型单片机为主控制芯片,通过 RS232 串口接收上位机(车载计算机) 传送来的位置高低判断信号,并通过指示灯实时显示。同时,通过驱动电路,发送相应电平的模拟控制信号给液压控制系统,实现平地铲的升降。控制器可以通过软件实现手动和自动两种模式: 在手动模式下,只能实现手控平地铲的升降; 在自动模式下,可以由位置偏差信号自动控制平地铲升降,也可以实现手动控制。
2. 5 液压系统
GPS 控制平地设备的液压系统用来执行控制器的输出指令,驱动油缸控制平地铲动作。该系统平地作业时采用拖拉机的液压动力输出。
2. 6 平地铲
平地铲通常置于拖拉机后方,在行驶过程中由液压系统控制其升降,实现对于农田表面土壤的削平、推移和填充。依据平地作业时农田表面条件的不同,可以分为水田平地铲和旱田平地铲两种。图5 所示为本研究所用的旱田平地铲。
3、 系统软件设计
3. 1 上位机软件
上位机软件以车载计算机为运行平台,在 Win-dows 操作系统下,利用 Microsoft Visual C + + 6. 0 进行软件开发,主要实现 GPS 数据提取与转换、误差分析与校正,以及基准高程的计算。
3. 1. 1 GPS 数据格式转换
车载计算机通过串口获取 GPS 接收机输出的定位数据,采用的是 WGS -84 大地坐标系,需要转换为相应的平面直角坐标(X,Y,Z)。目前,世界各国通常采用高斯 - 克吕格(Gauss - Kruger) 投影方法,简称高斯投影法。具体计算方法参见文献。
3. 1. 2 误差校正
针对平地作业过程中产生的 GPS 测量误差,通过MTI - AHRS 姿态航向传感器的输出信息对 GPS 位置信息进行校正,计算公式为
其中,x、y、z 为准确的天线位置坐标; Xα、Yα、Zα为 GPS 输出的三维坐标; φ 、θp、θr分别为姿态航向传感器输出的航向角、俯仰角、横滚角; a、b、h 分别为GPS 天线在三维坐标轴 3 个方向的投影距天线中心的距离。E-1φ θpθ()r可以表示为
通过数学方法进行校正。首先,采用经典统计学方法剔除一些极大极小的异常高程数据。由于测量数据较多,可近似看作服从正态分布。在置信度 1 - α= 95% 的情况下,利用公式(3 ) 来计算高程数据的上限数值和下限数值,有
其中,x-为高程测量数据平均值; σ 为高程测量数据总体标准差; z 为可查参数; n 为高程测量数据个数。如式(1) 所示,保留区间 (x-- ,x-+ ) 以内数据,将该区间以外的数据剔除掉,则有
采用加权平均函数法对高程测量随机误差数据进行修正。即将地块按照一定的长度划分成等边长的栅格(如 1m × 1m,1. 5m × 1. 5m,2m × 2m,2. 5m × 2.5m 等) 。其中,相邻两个栅格的重叠区为 0. 5m。根据各高程影响的地块的权重,设置不同的权值。落在重叠区内的高程数据权重取 2,落在非重叠区内的高程数据权重取 1,算出每个栅格内的加权平均值作为栅格内的最终高程数据,计算公式为
3. 2 下位机软件
下位机软件以单片机为运行平台,如图 6 所示。
上电后控制器开始工作,若上位机传送过来的位置信号有效,则判断用户选择的是自动模式还是手动模式: 如果是手动模式,则直接响应人工升/降液压控制信号; 如果是自动模式,控制器则对输入的位置信号进行处理,输出液压控制信号和指示灯驱动信号。
4、 试验与分析
4. 1 试验方法及步骤
为检验 GPS 控制平地系统的田间试验效果,于北京市海淀区上庄镇(北纬 40°,东经 116°左右) 进行了平地作业。试验地块为 30m ×120m 的农田,地表表面起伏较大。将 GPS 接收机基站固定在农田附近开阔处,移动站卫星天线及姿态航向传感器固定在拖拉机平地铲上,通过测量天线高度(天线中心距离地面的垂直高度) ,即可转换得到地面待测点的相对高程。车载计算机及控制器均固定在拖拉机驾驶室内。试验步骤如下:
1) 对平地前地块进行人工定点测量。利用皮尺测绘待平整地块边界,设计6m ×6m 网格,地块内共布设5 ×21 个待测点。采用高精度水准仪测量待测点相对高程,并利用 Trimble 5700 GPS 接收机静态测量经纬度,可分别达到毫米级和厘米级测量精度。
2) 对平地前地块进行车载 GPS 动态测量。关闭控制器,驾驶拖拉机以 0. 3m/s 的速度在待测区域内进行往返式测量,GPS 数据采集频率为 1Hz。
3) 平地作业。打开控制器,驾驶拖拉机牵引平地铲在田块内沿给定的行驶路径行走,平地铲挖高填低,搬运土方,完成土地平整作业。
4) 复测地形。平地作业完毕后,重复第 2 ) 、3 )步,对平整后的地块再次进行人工定点测量和车载GPS 动态测量。
4. 2 试验结果及分析
车载 GPS 三维地形动态测量和人工定点测量两种方式的地形测量数据具体情况如下:人工定点测量方式共采集 126 个点,由 4 人同时工作耗时 4h; 车载 GPS 测量共采集 850 个点,单人驾驶工作,耗时 50min,其测量效率更高,采集数据密度更大。利用 Golden Software 公司 Surfer 软件,对人工定点测量数据、车载 GPS 三维地形动态测量原始数据以及校正后数据,分别构建三维地形图。
可看出,校正前车载动态测量三维地形图有很多的尖状突起,这是由于拖拉机行驶过程中 GPS天线抖动比较剧烈,致使测量过程中出现部分奇异数据。经过姿态校正以及误差修正算法处理之后的动态测量三维地形图与人工定点测量三维地形图具有很好的空间一致性。平地后地形图。
可以看出,平整作业后农田表面起伏度减小,地块平整度有所提高。
4. 3 平地效果评价
对平地前后的高程数据进行统计计算,获得平地前后的高程标准差、与基准高程相差 8cm 范围内的测点数及最大高程差等数据,如表 1 所示。
由表 1 可以看出,试验地块的最大高程差由平地前的 39cm 下降到 17cm,标准偏差值由 16. 8cm 下降到7. 8cm,测点间的高程差异减小。≤8cm 测点累积百分比数 由 13%提升至 85%,表明农田表面平整程度的分布情况得到了较大的改善。
5、 结束语
本文集成研发的 GPS 控制平地系统,既可实现农田三维地形快速测量,也能完成无坡度要求的土地精细快速平整作业,为我国应用与推广基于 GPS 的平地技术提供了一个系统的解决方案。田间试验分析结果表明,系统工作稳定,车载 GPS 三维地形动态测量方式相比人工定点测量方法,测量效率提高 75% 以上。
平整后的农田高程标准偏差为 7. 8cm,绝对差值在 8cm 范围内的测点占 85% ,可满足农业部高标准农田平整度要求。未来的研究工作,将集中在基于 GNSS 技术,降低土地平整技术与设备的成本,提高农田表面高程测量精度,增加导航与自适应控制功能,研发符合我国国情的便于实际操作的农田智能平整系统。
参考文献:
[1] 水利部农村水利司. 节水灌溉[M]. 北京: 中国农业出版社,1998.
[2] 刘玉华. 浅谈激光平地机械化技术[J]. 天津农林科技,2008,2(5) : 26 - 27.
[3] 田珂,周卫军,龙晓辉,等. GPS 在精准农业中的应用[J]. 农业科技通讯,2008(8) : 26 -29.
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