專(zhuān)利名稱：一種車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)田三維地形測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)中，為了有效改善田面狀況，提高田間的灌溉效率和灌水均勻度，需要對(duì)土地進(jìn)行精細(xì)平整。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用的土地平整技術(shù)常規(guī)土地平整、激光控制平地技術(shù)和GPS平地技術(shù)等。這些平地技術(shù)的平地基準(zhǔn)，大部分由操作者主觀確定。目前關(guān)于農(nóng)田三維地形測(cè)量技術(shù)，在國(guó)內(nèi)研究較少。專(zhuān)利號(hào)ZL200820079033. X的基于GPS和激光技術(shù)的三維地形測(cè)量裝置采用GPS測(cè)量農(nóng)田中某點(diǎn)的經(jīng)緯度，采用激光技術(shù)測(cè)量該點(diǎn)的高度，但這種測(cè)量方式工作量大，效率低。公開(kāi)號(hào)CN101000233A的水下三維地形測(cè)量系統(tǒng)，公開(kāi)了一種利用圖像技術(shù)測(cè)量水槽中水下床面的沙波形態(tài)，但只適用于實(shí)驗(yàn)室。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供一種精度高、操作簡(jiǎn)單、效率高的車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，包括高精度全球定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、角度測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)采集器和平地機(jī)的平地鏟。所述高精度全球定位系統(tǒng)包括GPS天線和GPS接收機(jī)。所述GPS天線安裝于平地鏟主鏟的中間處；GPS接收機(jī)安裝于平地機(jī)的駕駛室內(nèi)；GPS天線與GPS接收機(jī)相連接；GPS 接收機(jī)用于實(shí)時(shí)測(cè)量安裝在平地鏟上GPS天線的三維坐標(biāo)。所述姿態(tài)傳感器為AHRS姿態(tài)傳感器，安裝于GPS天線的正下方，用于校正平地鏟的三維坐標(biāo)。所述角度測(cè)量傳感器采用絕對(duì)編碼器，安裝于平地鏟拖板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，用于將拖板上下活動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集器。所述數(shù)據(jù)采集器安裝于平地機(jī)的駕駛室內(nèi)；數(shù)據(jù)采集器包括微處理器、GPS處理模塊、AHRS處理模塊、編碼器處理模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊以及存儲(chǔ)模塊；數(shù)據(jù)采集器用于接收和處理GPS接收機(jī)、AHRS姿態(tài)傳感器和絕對(duì)編碼器輸出的信號(hào)，然后控制平地鏟的升降。所述數(shù)據(jù)采集器中的微處理器，用于對(duì)系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)的處理和控制電磁閥的PWM的信號(hào)輸出。所述數(shù)據(jù)采集器中的GPS處理模塊，通過(guò)串行接口與微處理器相連接，用于接收 GPS接收機(jī)輸出的GPS數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)采集器中的AHRS處理模塊，通過(guò)串行接口與微處理器相連接，用于接收 AHRS姿態(tài)傳感器輸出的AHRS數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)采集器中的編碼器處理模塊，用于接收編碼器的數(shù)據(jù)，并輸送到微處理器中處理。所述數(shù)據(jù)采集器中的電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)控制平地鏟升降的電磁閥。所述數(shù)據(jù)采集器中的顯示模塊，通過(guò)并行接口與微處理器相連，用于實(shí)時(shí)顯示采集的GPS與編碼器的信息。所述數(shù)據(jù)采集器中的存儲(chǔ)模塊與微處理器相連接，將GPS的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與處理后的高程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡上。外部電源與數(shù)據(jù)采集器、GPS接收機(jī)和AHRS姿態(tài)傳感器相連接，為系統(tǒng)中各部分提供穩(wěn)定的工作電壓。按鍵開(kāi)關(guān)與微處理器相連接，用于對(duì)微處理器程序的外部中斷控制。本發(fā)明的工作原理是采用車(chē)載GPS技術(shù)與AHRS姿態(tài)傳感器相結(jié)合，實(shí)時(shí)測(cè)量平地機(jī)的平地鏟的三維空間坐標(biāo)，提高了工作效率，保證了坐標(biāo)的準(zhǔn)確性；同時(shí)利用絕對(duì)編碼器測(cè)量平地鏟后面的拖板的上下運(yùn)動(dòng)角度，求出拖板相對(duì)平地鏟的高度，再與GPS數(shù)據(jù)結(jié)合，可以求出拖板底面的高程數(shù)據(jù)。同時(shí)，拖板的上下運(yùn)動(dòng)的角度還將控制平地機(jī)的平地鏟的升降。由于，本發(fā)明的拖板的上下活動(dòng)是由農(nóng)田表面來(lái)決定的，不受水的影響，所以本發(fā)明裝置不僅可以測(cè)量旱地的三維地形，還可以測(cè)量水田的三維地形，并且能實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，方便用戶的了解與后期的分析處理。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果(I)本發(fā)明的測(cè)量精度高、效率高，操作簡(jiǎn)單，可以為平地機(jī)提供一個(gè)精確的標(biāo)準(zhǔn)高度。(2)本發(fā)明既可以用于測(cè)量旱地的三維地形，也可以測(cè)量水田的三維地形。


圖I為本發(fā)明車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中的數(shù)據(jù)采集器以及外圍設(shè)備原理框圖。圖3為GPS天線、AHRS姿態(tài)傳感器和絕對(duì)編碼器的安裝示意圖。圖4為平地鏟的側(cè)視圖。其中1.平地機(jī)；2.電磁閥；3.數(shù)據(jù)采集器；4. GPS接收機(jī)；5.平地鏟；6.絕對(duì)編碼器；7. GPS天線；8. AHRS姿態(tài)傳感器；9.拖板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例I如圖I所示，一種車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，包括安裝于平地機(jī)I上的GPS接收機(jī)4、GPS天線7、AHRS姿態(tài)傳感器8、絕對(duì)編碼器6、數(shù)據(jù)采集器3和平地鏟5。所述數(shù)據(jù)采集器3安裝于平地機(jī)I的駕駛控制室內(nèi)。如圖2所示，數(shù)據(jù)采集器3 包括微處理器、GPS處理模塊、AHRS處理模塊、編碼器處理模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊以及存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)采集器3的外設(shè)包括GPS接收機(jī)4、AHRS姿態(tài)傳感器8、電磁閥2、絕對(duì)編碼器6、SD卡、顯示屏、按鍵開(kāi)關(guān)和電源。數(shù)據(jù)采集器3用于接收和處理GPS接收機(jī)4、 AHRS姿態(tài)傳感器8和絕對(duì)編碼器6輸出的信號(hào)，然后控制平地鏟5的升降。所述數(shù)據(jù)采集器中的微處理器，用于對(duì)系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)的處理和控制電磁閥的PWM的信號(hào)輸出。所述數(shù)據(jù)采集器中的GPS處理模塊，通過(guò)串行接口與微處理器相連接，用于接收GPS接收機(jī)輸出的GPS數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)采集器中的AHRS處理模塊，通過(guò)串行接口與微處理器相連接，用于接收AHRS姿態(tài)傳感器輸出的AHRS數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)采集器中的編碼器處理模塊，用于接收編碼器的數(shù)據(jù)，并輸送到微處理器中處理。所述數(shù)據(jù)采集器中的電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)控制平地鏟升降的電磁閥。所述數(shù)據(jù)采集器中的顯示模塊，通過(guò)并行接口與微處理器相連， 用于實(shí)時(shí)顯示采集的GPS與編碼器的信息。所述數(shù)據(jù)采集器中的存儲(chǔ)模塊與微處理器相連接，將GPS的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與處理后的高程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡上。GPS接收機(jī)4和AH RS姿態(tài)傳感器8通過(guò)串行接口與數(shù)據(jù)采集器3相連接。數(shù)據(jù)采集器3實(shí)時(shí)采集GPS接收機(jī)4和AH RS姿態(tài)傳感器8的數(shù)據(jù)。外部電源與數(shù)據(jù)采集器3、GPS接收機(jī)4和AHRS姿態(tài)傳感器8相連接，為系統(tǒng)中各部分提供穩(wěn)定的工作電壓。按鍵開(kāi)關(guān)與微處理器相連接，用于對(duì)微處理器程序的外部中斷控制。如圖3和4所示，GPS天線7安裝于平地鏟5的主鏟的中間處；GPS接收機(jī)4安裝于平地機(jī)的駕駛室內(nèi)；GPS天線7連接到GPS接收機(jī)4上。GPS接收機(jī)4用于實(shí)時(shí)測(cè)量安裝在平地鏟5上GPS天線7的三維坐標(biāo)。所述AHRS姿態(tài)傳感器8安裝于GPS天線7的正下方，用于校正平地鏟5的三維坐標(biāo)。平地鏟拖板9可以相對(duì)平地鏟5上下自由活動(dòng)。所述絕對(duì)編碼器6安裝于平地鏟拖板9的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，平地鏟拖板9的上下活動(dòng)可以帶動(dòng)絕對(duì)編碼器6的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。絕對(duì)編碼器6用于將拖板9上下活動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。所述平地機(jī)的電磁閥2用于控制平地機(jī)后面的平地鏟的升降。如圖4所示，平地鏟拖板9可以上下自由活動(dòng)，其相對(duì)于平地鏟5不同的角度時(shí)， GPS天線7位置b點(diǎn)的高度相對(duì)于平地鏟拖板9的底平面a點(diǎn)的高度差H+Ah將不同。b 點(diǎn)的高程值可以直接通過(guò)GPS測(cè)量出來(lái)，平地鏟5的高度H的值可以用尺子測(cè)量出來(lái)，Ah 的值則是通過(guò)絕對(duì)編碼器6與GPS共同標(biāo)定得到，從而得到a點(diǎn)的高程值為b_(H+Ah)。其中，Ah值的標(biāo)定，是通過(guò)GPS與絕對(duì)編碼器6共同來(lái)標(biāo)定的。先將平地機(jī)I的平地鏟5放到地面，即Ah = O。此時(shí)由GPS測(cè)出b點(diǎn)的高度值為Hb，同時(shí)讀取絕對(duì)編碼器 6的值MO。然后慢慢升起平地鏟5只至平地鏟拖板9離開(kāi)地面。此過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集器3 同時(shí)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)GPS的高程值Hi和與其相對(duì)應(yīng)的絕對(duì)編碼器6的值Mi。(i為正整數(shù))貝U， 平地鏟5升高的高度值A(chǔ)hi = Hi-Hb。絕對(duì)編碼器6的值Mi的值就對(duì)應(yīng)著當(dāng)前平地鏟5 升高的高度值A(chǔ)hi。數(shù)據(jù)采集器3存儲(chǔ)這些相對(duì)應(yīng)的值，給程序提供一個(gè)查表的數(shù)據(jù)庫(kù)。平地機(jī)I的平地鏟5的升降，是由數(shù)據(jù)采集器3通過(guò)控制電磁閥2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在三維地形測(cè)量中，數(shù)據(jù)采集器3采集絕對(duì)編碼器6的值，然后查表得到平地鏟5的高度值A(chǔ)h。 通過(guò)比較平地鏟5的高度值A(chǔ)h來(lái)控制電磁閥，從而控制平地機(jī)I的平地鏟5升降。這個(gè)比較值取標(biāo)定中得到的平地鏟5高度值A(chǔ)hi中的中間值。當(dāng)平地鏟5的高度值A(chǔ)h小于這個(gè)比較值時(shí)，平地機(jī)I的平地鏟5就上升；同理，當(dāng)平地鏟5的高度值A(chǔ)h大于這個(gè)比較值時(shí)，平地機(jī)I的平地鏟5就下降。拖板9的上下運(yùn)動(dòng)的角度還將控制平地機(jī)I的平地鏟 5的升降。
本實(shí)施例中，在三維地形測(cè)量前，先對(duì)Ah值進(jìn)行標(biāo)定。然后駕駛平地機(jī)I在農(nóng)田中進(jìn)行三維地形測(cè)量。在平地機(jī)I進(jìn)行三維地形測(cè)量中，平地鏟5的平地鏟拖板9時(shí)刻與地面相接觸。數(shù)據(jù)采集器3實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并處理GPS、AHRS姿態(tài)傳感器8和絕對(duì)編碼器6的數(shù)據(jù)。地面的經(jīng)緯度坐標(biāo)由GPS測(cè)量，并通過(guò)AHRS姿態(tài)傳感器8進(jìn)行姿態(tài)校正得到；地面的高程坐標(biāo)也是由GPS測(cè)量，再減去平地鏟5的高度H和平地鏟5升高的高度值A(chǔ) h，并再次通過(guò)AHRS姿態(tài)傳感器8進(jìn)行姿態(tài)校正得到。這樣就能快速的得到準(zhǔn)確的農(nóng)田三維地形坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，其特征在于包括高精度全球定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、角度測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)采集器和平地機(jī)的平地鏟。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，其特征在于所述高精度全球定位系統(tǒng)包括GPS天線和GPS接收機(jī)，GPS天線安裝于平地鏟的主鏟的中間處；GPS接收機(jī)安裝于平地機(jī)的駕駛室內(nèi)；GPS天線與GPS接收機(jī)相連接；GPS接收機(jī)用于實(shí)時(shí)測(cè)量安裝在平地鏟上GPS天線的三維坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，其特征在于所述姿態(tài)傳感器為AHRS姿態(tài)傳感器，安裝于GPS天線的正下方，用于校正平地鏟的三維坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，其特征在于所述角度測(cè)量傳感器采用絕對(duì)編碼器，安裝于平地鏟拖板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，用于將拖板上下活動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集器安裝于平地機(jī)的駕駛室內(nèi)；數(shù)據(jù)采集器包括微處理器、GPS處理模塊、AHRS處理模塊、編碼器處理模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊以及存儲(chǔ)模塊；數(shù)據(jù)采集器用于接收和處理GPS接收機(jī)、AHRS姿態(tài)傳感器和絕對(duì)編碼器輸出的信號(hào)，然后控制平地鏟的升降。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集器中的微處理器，是用于對(duì)系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)的處理和控制電磁閥的PWM的信號(hào)輸出；所述數(shù)據(jù)采集器中的GPS處理模塊，是通過(guò)串行接口與微處理器相連接，用于接收GPS 接收機(jī)輸出的GPS數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)采集器中的AHRS處理模塊，是通過(guò)串行接口與微處理器相連接，用于接收 AHRS姿態(tài)傳感器輸出的AHRS數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)采集器中的編碼器處理模塊，是用于接收編碼器的數(shù)據(jù)，并輸送到微處理器中處理；所述數(shù)據(jù)采集器中的電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，是用于驅(qū)動(dòng)控制平地鏟升降的電磁閥；所述數(shù)據(jù)采集器中的顯示模塊，是通過(guò)并行接口與微處理器相連，用于實(shí)時(shí)顯示采集的GPS與編碼器的信息；所述數(shù)據(jù)采集器中的存儲(chǔ)模塊與微處理器相連接，將GPS的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與處理后的高程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種車(chē)載農(nóng)田三維地形測(cè)量裝置，包括GPS接收機(jī)、GPS天線、AHRS姿態(tài)傳感器、絕對(duì)編碼器、數(shù)據(jù)采集器和平地機(jī)的平地鏟。本發(fā)明的測(cè)量精度高、作業(yè)效率高，操作簡(jiǎn)單，而且可用于旱地和水田的三維地形的精準(zhǔn)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01S19/42GK102607499SQ201210064388
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者嚴(yán)乙桉, 何杰, 周志艷, 廖娟, 羅錫文, 苗峻齊, 資雙飛 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)