基于GPS的平地系统设计与试验
基于 GPS 的平地系统设计与试验
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
摘要：
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基于GPS的平地系统设计与试验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...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-04-12
