基于GPS的平地系统设计与试验.docx
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1、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、
2、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
3、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 Tri
4、mble5700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
5、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
6、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
7、 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
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