引言

      為了節(jié)約農(nóng)業(yè)用水, 提高農(nóng)藥、 化肥和除草劑的使用效率, 農(nóng)田精細(xì)平整越來(lái)越受到重視。 激光控制平地技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田平整, 可有效提高農(nóng)田的平整精度, 提高農(nóng)田灌溉水的利用率, 從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)地面灌溉[1~ 3] 。 激光平地機(jī)在 旱地平整中已 經(jīng)得到應(yīng)用[ 4~ 6] 。 我國(guó)南方水田硬底層高低不平, 為此華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院研制了水田激光平地機(jī)。 該水田激光平地機(jī)在水田平地作業(yè)中, 不但實(shí)現(xiàn)了平地鏟高低可調(diào), 而且能保證平地鏟水平可控, 使平地鏟在工作過(guò)程中始終保持在與激光束平面平行的一個(gè)平面上[ 7~ 8] 。 大面積生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 水田激光平地機(jī)平整精度能很好地滿足水稻種植農(nóng)藝要求[9] 。水田平整作業(yè)中平地鏟的水平程度對(duì)平整精度影響很大, 為了對(duì)水田激光平地機(jī)的平地鏟傾角檢測(cè)和控制性能進(jìn)行評(píng)定, 本文采用 2 個(gè)超聲波傳感器對(duì)水田激光平地機(jī)平地鏟傾角檢測(cè)和控制性能進(jìn)行評(píng)定。

1 超聲波傳感器測(cè)量?jī)A斜角的原理
1.1 超聲波測(cè)距原理

      超聲波測(cè)距的基本原理是超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出聲波, 聲波遇到被測(cè)物體返回至超聲波接收傳感器, 根據(jù)聲波的傳輸時(shí)間, 即可計(jì)算出被測(cè)距離

      式中 c 為聲波在空氣中的傳播速度, 在 20 e , 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下 c= 343 m/ s。

1.2 超聲波測(cè)傾斜角原理

      超聲波可用于物體傾斜測(cè)量[ 10] 。 如圖 1 所示,在被測(cè)物體兩端各安裝一個(gè)超聲波傳感器, 通過(guò)測(cè)量被測(cè)物體兩端與參考水平面的距離, 即可得到被測(cè)物體的傾斜角度。 被測(cè)物體與參考平面之間的夾角即圖中角度 H, 設(shè)超聲波傳感器 1 和超聲波傳感器 2 測(cè)量的距離分別為 L1 和 L2, 則被測(cè)物體的傾斜角度 H與 L1、 L 2 關(guān)系為

2、超聲波傳感器測(cè)量的影響因素

2.1溫度對(duì)距離測(cè)量的影響

      一般認(rèn)為, 超聲波在空氣中傳播時(shí), 聲音的傳播速度受環(huán)境溫度的影響。 聲速與溫度的關(guān)系 為式中 T ) ) ) 攝氏溫度, e

      為了降低超聲波在空氣中傳播速度受環(huán)境的影響, 采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 檢測(cè)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償, 其測(cè)溫分辨率可達(dá) 015e 。 為了了解SensComp 600 超聲波傳感器距離測(cè)量精度, 將傳感器固定于 800 mm 的高度, 使其垂直向地面發(fā)送聲波。 如圖 2 所示是超聲波傳感器連續(xù)近 30 min 測(cè)量距離數(shù)據(jù)曲線。 由圖可知, SensComp 600超聲波傳感器在靜態(tài)條件下測(cè)量距離精度 高, 平均誤差0102 mm, 最大誤差 8 mm。

圖 2 超聲波傳感器靜態(tài)距離測(cè)量

2.2 正常接收回波的有效角度

      利用超聲波傳感器測(cè)量物體 傾斜角度, 聲波 必然會(huì)與反射面( 參考平面)形成一定 角度, 如 圖 3 所示。 傾斜角度太大必定無(wú)法接收 到回波, 由實(shí)驗(yàn) 測(cè)得, SensComp 600 超聲 波傳感器有效測(cè)得的最大傾斜角度為 A= 2216b。

2.3 運(yùn)動(dòng)對(duì)回波接收的影響

      由于測(cè)量過(guò)程中超聲波傳感器相對(duì)地面是運(yùn)動(dòng)的, 因此會(huì)出現(xiàn)接收到的聲波頻率與發(fā)射的聲波頻率不同的現(xiàn)象, 即多普勒效應(yīng)[ 12] 。 聲波從傳感器射到地面的頻率與地面接收頻率之間的關(guān)系為

      聲波由地面反射至傳感器, 傳感器接收到的頻率為

      傳感器面向運(yùn)動(dòng)方向時(shí), 式中取負(fù)號(hào); 反之, 傳感器面向運(yùn)動(dòng)相反方向時(shí)取正號(hào)。
      實(shí)驗(yàn)證明, 因超聲波傳感器隨平地鏟運(yùn)動(dòng)速度低, 不影響回波正常接收。

2.4 與姿態(tài)傳感器對(duì)比
      為了驗(yàn)證超聲波傳感器能否準(zhǔn)確測(cè)量 傾斜角度, 采用姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)( attitude and headingreference system) AHRS500GA2226[ 13] 作為 參考 傳感器。 該傳感器測(cè)量被安裝物體的歐拉方位角( 航向、 俯仰與橫滾角) , 它內(nèi)置三軸磁場(chǎng)計(jì)、3 個(gè)陀螺儀和 3 個(gè)加速度計(jì), 能高精度、 高靈敏地測(cè)出 360b范圍的方位角,  本實(shí)驗(yàn)將其 Y 軸順著一長(zhǎng)木板長(zhǎng)度方向安裝, 其測(cè)定的俯仰角即為木板實(shí)際傾角。 而 2 個(gè)超聲波傳感器分別安裝于木板兩端, 距離為 2185 m, 木板離地高度 017 m。單片機(jī) C8051F040 實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器的控制、 距離和角度計(jì)算, 并保存 AHRS500GA2226 的俯仰角, 同時(shí)通過(guò) RS232 發(fā)送至計(jì)算機(jī)中保存。

      如圖 4 所示, 是超聲波傳感器和 AHRS500GA2226 分別測(cè)量到的木板傾斜角度。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用 2 個(gè)超聲波傳感器測(cè)量?jī)A斜角度靜態(tài)測(cè)量時(shí)最大測(cè)量偏差 0108b; 動(dòng)態(tài)測(cè)量 時(shí)最大測(cè)量偏 差 1100b。因此, 傳感器的運(yùn)動(dòng)對(duì)超聲波測(cè)距精度影響較小, 采用 2 個(gè)超聲波傳感器測(cè)量?jī)A斜角度是可行的。

圖 4 與姿態(tài)傳感器對(duì)比曲線

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和性能評(píng)定實(shí)驗(yàn)

3.1 水田激光平地機(jī)平臺(tái)

      本文評(píng)定的水田激光平地機(jī)由2部分組成: 高程控制部分和 水平控制部分[8] 。 平地鏟與插 秧機(jī)底盤(pán)通過(guò)三點(diǎn)懸掛方式連接, 高程控制器根據(jù)激光接收器測(cè)得的激光發(fā)射器發(fā)出的激光信號(hào)控制雙作用油缸伸縮, 實(shí)現(xiàn)平地鏟提升或下降, 從而保證平地鏟處于設(shè)定的高度。 整個(gè)平地鏟( 鏟長(zhǎng) 3 ) 可相對(duì)于懸掛裝置旋轉(zhuǎn), 平地鏟的傾角由水平控制系統(tǒng)融合美國(guó) D 公司生產(chǎn)的 M MS 慣性傳感器( 加速度計(jì) DXL 3 和陀螺儀 DXRS3 ) 信號(hào)得到, 通過(guò)雙作用油缸使平地鏟保持水平。 因此, 平地鏟能夠?qū)崿F(xiàn)高度方向和水平方向聯(lián)合控制, 使平地鏟在工作中始終處于某一與激光平面平行的水平面內(nèi)。

3.2 性能評(píng)定實(shí)驗(yàn)
      為了對(duì)水田激光平地機(jī)的平地鏟傾角檢測(cè)和控制性能進(jìn)行評(píng)定, 根據(jù)超聲波測(cè)量?jī)A角的原理, 將兩超聲波傳感器分別安裝于水田激光平地機(jī)平地鏟兩端, 如圖 5 所示, 2 個(gè)超聲波傳感器相距 2185 m, 超聲 波 傳 感 器 工 作 及 距 離 和 角 度 運(yùn) 算 由 單 片 機(jī)C8051F040 完成。 同時(shí), 單片機(jī)通過(guò)一個(gè)串口接收平地鏟水平控制系統(tǒng)發(fā)出的平地鏟傾斜信息, 并通過(guò)另一個(gè)串口將各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出, 由 PC 機(jī)將這些數(shù)據(jù)保存及進(jìn)行分析。

圖 5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及傳感器安裝
       測(cè)試時(shí)將 3 m 長(zhǎng)平地鏟提升至離地面約015 m。按實(shí)驗(yàn)方案人工搖晃平地鏟( 平地鏟作平面運(yùn)動(dòng)) ,超聲測(cè)試系統(tǒng)采集記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論
( 1) 采用 2 個(gè)超聲波傳感器測(cè)量?jī)A斜角度是可行的, 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量精度分別為 0108b和 1100b。

( 2) 水田激光平地機(jī)平地鏟傾斜角采用 1 個(gè)低成 本 的 加 速 度 計(jì) ADXL203 與 1 個(gè) 陀 螺 儀ADXRS300, 通過(guò)融合 角度信息能準(zhǔn)確地得到平地鏟實(shí)時(shí)傾角, 一般誤差不超過(guò) 1b。

( 3) 水田激光平地機(jī)水平控制系統(tǒng)能較好地控制平地鏟水平, 能滿足水田平整作業(yè)的需要。

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