0、 引言
土地平整可以提高灌溉水的利用率,是農田節水增產的重要措施之一。利用激光的準直性,產生一個激光基準面,可以實現農田土地平整并在生產中得到了應用。但是,該技術適用于較小規模農田地塊內地表起伏不太大的土地精細平整,且易受強光、大風等天氣條件的影響。2005 年,發達國家開始將 GPS 技術應用到農田平整作業研究中。GPS 平地技術具有精度高、受天氣等外界因素影響小等優點,美國已經有相關商品并進行了實際應用; 但因價格等原因,未能在我國推廣應用。
為此,在消化吸收國外相關產品基礎上,設計開發了基于 GPS 的平地系統,并進行了平地試驗,取得了較好的試驗效果。
1、 GPS 平地系統工作原理
GPS 平地系統主要由拖拉機、GPS 接收機、車載計算機、控制器、姿態航向傳感器、液壓系統和平地鏟運設備等部分組成,如圖 1 所示。
土地平整作業之前,首先需要對待平整地塊進行三維地形測量,為設計合理的農田平整施工方案提供數據支持。駕駛拖拉機按照一定路徑行駛,車載計算機通過 GPS 接收機實時獲取農田不同位置的經緯度坐標及高程,并對數據進行分析與處理,計算得到基準高程,即平地設計高程。隨后,車載計算機將實時高程與基準高程進行比較,判斷位置高低,并通過控制器向液壓系統輸出相應控制信號,控制平地鏟升降。
土地平整作業結束后,需要對平整后地塊再次進行三維地形測量,進行平整前后平地效果對比,對平整工程質量、平地效率以及土地平整精度進行定量評價。
2、 系統硬件組成
本研究采用上位機決策和下位機控制相結合的方法。其中,上位機系統以車載計算機為工作平臺,主要負責 GPS 數據的獲取與處理,輸出位置高低判斷信號; 下位機系統以控制器為核心,通過實時接收上位機位置判斷信號,控制平地鏟完成平地作業。系統框圖,如圖 2 所示。
2. 1 GPS 接收機
GPS 接收機是 GPS 平地系統的主要測量設備,包括基準站、移動站和數傳電臺 3 部分。測量時,移動站實時獲取 GPS 衛星天線所處位置的 RTK 差分定位信息,得到較準確的三維位置信息。本研究選用美國 Trimble 公司生產的 Trimble5700接收機設備,采用 RTK 差分方式進行定位測量,動態定位精度可達厘米級。
2. 2 姿態航向傳感器
拖拉機在田間平地作業時,顛簸較大,使得固定在平地鏟上的 GPS 天線晃動較大,增加了 GPS 測量誤差,定位精度下降較大。為此,采用姿態與航向傳感器對 GPS 位置信息進行校正,提高 GPS 定位精度。姿態與航向傳感器安裝于平地鏟上與 GPS 天線臨近的位置。本研究中選用荷蘭 Xsens 公司生產的 MTI -AHRS 型姿態與航向傳感器。該傳感器可輸出航向角、校準的三軸加速度和角速度。
2. 3 車載計算機
車載計算機作為數據處理終端,負責 GPS 測量數據的采集、處理及存儲,并向下位機輸出位置高低判斷信號。系統選用工控機作為車載計算機\\(型號 AFL -12A - N270,深圳威強\\) ,采用 Windows XP 操作系統,利用 RS232 串口與 GPS 接收機及控制器進行數據通信。
2. 4 控制器
控制器接收來自車載計算機輸出的數字信號,對信號進行 D/A 轉換后經過驅動電路控制液壓系統,進而控制平地鏟的升降?？刂破鞯臉嫵?如圖 3 所示。
圖 3 中,控制器采用 STC89C52 型單片機為主控制芯片,通過 RS232 串口接收上位機\\(車載計算機\\) 傳送來的位置高低判斷信號,并通過指示燈實時顯示。同時,通過驅動電路,發送相應電平的模擬控制信號給液壓控制系統,實現平地鏟的升降?？刂破骺梢酝ㄟ^軟件實現手動和自動兩種模式: 在手動模式下,只能實現手控平地鏟的升降; 在自動模式下,可以由位置偏差信號自動控制平地鏟升降,也可以實現手動控制。
2. 5 液壓系統
GPS 控制平地設備的液壓系統用來執行控制器的輸出指令,驅動油缸控制平地鏟動作。該系統平地作業時采用拖拉機的液壓動力輸出。
2. 6 平地鏟
平地鏟通常置于拖拉機后方,在行駛過程中由液壓系統控制其升降,實現對于農田表面土壤的削平、推移和填充。依據平地作業時農田表面條件的不同,可以分為水田平地鏟和旱田平地鏟兩種。圖5 所示為本研究所用的旱田平地鏟。
3、 系統軟件設計
3. 1 上位機軟件
上位機軟件以車載計算機為運行平臺,在 Win-dows 操作系統下,利用 Microsoft Visual C + + 6. 0 進行軟件開發,主要實現 GPS 數據提取與轉換、誤差分析與校正,以及基準高程的計算。
3. 1. 1 GPS 數據格式轉換
車載計算機通過串口獲取 GPS 接收機輸出的定位數據,采用的是 WGS -84 大地坐標系,需要轉換為相應的平面直角坐標\\(X,Y,Z\\)。目前,世界各國通常采用高斯 - 克呂格\\(Gauss - Kruger\\) 投影方法,簡稱高斯投影法。具體計算方法參見文獻。
3. 1. 2 誤差校正
針對平地作業過程中產生的 GPS 測量誤差,通過MTI - AHRS 姿態航向傳感器的輸出信息對 GPS 位置信息進行校正,計算公式為
其中,x、y、z 為準確的天線位置坐標; Xα、Yα、Zα為 GPS 輸出的三維坐標; φ 、θp、θr分別為姿態航向傳感器輸出的航向角、俯仰角、橫滾角; a、b、h 分別為GPS 天線在三維坐標軸 3 個方向的投影距天線中心的距離。E-1φ θpθ\\(\\)r可以表示為
通過數學方法進行校正。首先,采用經典統計學方法剔除一些極大極小的異常高程數據。由于測量數據較多,可近似看作服從正態分布。在置信度 1 - α= 95% 的情況下,利用公式\\(3 \\) 來計算高程數據的上限數值和下限數值,有
其中,x-為高程測量數據平均值; σ 為高程測量數據總體標準差; z 為可查參數; n 為高程測量數據個數。如式\\(1\\) 所示,保留區間 \\(x-- \ue014,x-+ \ue014\\) 以內數據,將該區間以外的數據剔除掉,則有
采用加權平均函數法對高程測量隨機誤差數據進行修正。即將地塊按照一定的長度劃分成等邊長的柵格\\(如 1m × 1m,1. 5m × 1. 5m,2m × 2m,2. 5m × 2.5m 等\\) 。其中,相鄰兩個柵格的重疊區為 0. 5m。根據各高程影響的地塊的權重,設置不同的權值。落在重疊區內的高程數據權重取 2,落在非重疊區內的高程數據權重取 1,算出每個柵格內的加權平均值作為柵格內的最終高程數據,計算公式為
3. 2 下位機軟件
下位機軟件以單片機為運行平臺,如圖 6 所示。
上電后控制器開始工作,若上位機傳送過來的位置信號有效,則判斷用戶選擇的是自動模式還是手動模式: 如果是手動模式,則直接響應人工升/降液壓控制信號; 如果是自動模式,控制器則對輸入的位置信號進行處理,輸出液壓控制信號和指示燈驅動信號。
4、 試驗與分析
4. 1 試驗方法及步驟
為檢驗 GPS 控制平地系統的田間試驗效果,于北京市海淀區上莊鎮\\(北緯 40°,東經 116°左右\\) 進行了平地作業。試驗地塊為 30m ×120m 的農田,地表表面起伏較大。將 GPS 接收機基站固定在農田附近開闊處,移動站衛星天線及姿態航向傳感器固定在拖拉機平地鏟上,通過測量天線高度\\(天線中心距離地面的垂直高度\\) ,即可轉換得到地面待測點的相對高程。車載計算機及控制器均固定在拖拉機駕駛室內。試驗步驟如下:
1\\) 對平地前地塊進行人工定點測量。利用皮尺測繪待平整地塊邊界,設計6m ×6m 網格,地塊內共布設5 ×21 個待測點。采用高精度水準儀測量待測點相對高程,并利用 Trimble 5700 GPS 接收機靜態測量經緯度,可分別達到毫米級和厘米級測量精度。
2\\) 對平地前地塊進行車載 GPS 動態測量。關閉控制器,駕駛拖拉機以 0. 3m/s 的速度在待測區域內進行往返式測量,GPS 數據采集頻率為 1Hz。
3\\) 平地作業。打開控制器,駕駛拖拉機牽引平地鏟在田塊內沿給定的行駛路徑行走,平地鏟挖高填低,搬運土方,完成土地平整作業。
4\\) 復測地形。平地作業完畢后,重復第 2 \\) 、3 \\)步,對平整后的地塊再次進行人工定點測量和車載GPS 動態測量。
4. 2 試驗結果及分析
車載 GPS 三維地形動態測量和人工定點測量兩種方式的地形測量數據具體情況如下:人工定點測量方式共采集 126 個點,由 4 人同時工作耗時 4h; 車載 GPS 測量共采集 850 個點,單人駕駛工作,耗時 50min,其測量效率更高,采集數據密度更大。利用 Golden Software 公司 Surfer 軟件,對人工定點測量數據、車載 GPS 三維地形動態測量原始數據以及校正后數據,分別構建三維地形圖。
可看出,校正前車載動態測量三維地形圖有很多的尖狀突起,這是由于拖拉機行駛過程中 GPS天線抖動比較劇烈,致使測量過程中出現部分奇異數據。經過姿態校正以及誤差修正算法處理之后的動態測量三維地形圖與人工定點測量三維地形圖具有很好的空間一致性。平地后地形圖。
可以看出,平整作業后農田表面起伏度減小,地塊平整度有所提高。
4. 3 平地效果評價
對平地前后的高程數據進行統計計算,獲得平地前后的高程標準差、與基準高程相差 8cm 范圍內的測點數及最大高程差等數據,如表 1 所示。
由表 1 可以看出,試驗地塊的最大高程差由平地前的 39cm 下降到 17cm,標準偏差值由 16. 8cm 下降到7. 8cm,測點間的高程差異減小?！?cm 測點累積百分比數 由 13%提升至 85%,表明農田表面平整程度的分布情況得到了較大的改善。
5、 結束語
本文集成研發的 GPS 控制平地系統,既可實現農田三維地形快速測量,也能完成無坡度要求的土地精細快速平整作業,為我國應用與推廣基于 GPS 的平地技術提供了一個系統的解決方案。田間試驗分析結果表明,系統工作穩定,車載 GPS 三維地形動態測量方式相比人工定點測量方法,測量效率提高 75% 以上。
平整后的農田高程標準偏差為 7. 8cm,絕對差值在 8cm 范圍內的測點占 85% ,可滿足農業部高標準農田平整度要求。未來的研究工作,將集中在基于 GNSS 技術,降低土地平整技術與設備的成本,提高農田表面高程測量精度,增加導航與自適應控制功能,研發符合我國國情的便于實際操作的農田智能平整系統。
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