基于雙天線GNSS的精準平地控制系統(tǒng)試驗研究
2020-10-19 07:02:18梁冉冉莊衛(wèi)東
農(nóng)機化研究 2020年4期
梁冉冉,莊衛(wèi)東
(黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)
0 引言
隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,對水資源的需求量不斷增大,農(nóng)田灌溉用水比例已經(jīng)達到農(nóng)業(yè)用水量的90%以上。由于農(nóng)田地表不平,超過20%的農(nóng)田灌溉用水流失,造成土壤和養(yǎng)分的流失。平地機的發(fā)明為解決提高土壤均勻性和降低水肥流失等問題提供了方法。土地平整技術在土地開發(fā)管理和農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中都起到至關重要的作用,它可通過平地機的工作將高低不平的土地平整到完全水平或帶有一定的坡度的狀態(tài)。土地平整主要分為基本土地平整和精細土地平整兩類,基本土地平整主要是對土地進行粗略平整,包括鏟運設備、推土設備和刮土設備?；就恋仄秸|(zhì)量主要受設備因素和人為因素影響,導致土地平整水平整水平精度受到限制,而精細平整設備的出現(xiàn)彌補了基本平整設備的不足,其主要包括激光控制平地設備和GNSS控制平地設備[1]。
激光控制平地設備由平地鏟、控制器、液壓系統(tǒng)、激光發(fā)射器和激光接收器等組成。激光平地設備和傳統(tǒng)平地設備相比時優(yōu)越性十分顯著,前者靈敏度和精確度是后者的10～50倍。經(jīng)過激光平地機平整后,肥料的利用率達到50%～70%,比基本平整后平均增加10%,農(nóng)田平整范圍為3cm,農(nóng)田利用率提高2.6%,農(nóng)業(yè)經(jīng)營成本較低15%,節(jié)水20%[2]。激光平地機本身也存在一些不足:作業(yè)半徑不足500m,接收器垂直感應距離范圍僅為20～30cm;工作環(huán)境要求高,在大風、暴雨天氣情況中,由于激光信號受到限制,無法正常工作;智能化程度低,不能實現(xiàn)農(nóng)田地形測量和路徑的規(guī)劃[3]。
GNSS控制平地設備對于激光控制平地設備中的問題給與了有效的解決,主要優(yōu)點有:可全天候24h作業(yè)且不受惡劣天氣影響;在作業(yè)面積上不受限制,適合大規(guī)模作業(yè);集成水平高,安裝容易;作業(yè)高度調(diào)節(jié)范圍大;智能化和可視化水平高,可以進行路徑規(guī)劃和地形測量,極大地提高土地平整作業(yè)效率[4]。
傳統(tǒng)的GNSS平地機主要是通過控制單個液壓油缸的伸縮控制平地鏟的升降,在一些坡度較大的土地上工作時不能保持平地鏟的水平狀態(tài),導致了平地效果不理想[5]。
針對平地鏟不能保持一直水平的難題,本文開發(fā)了一款由雙油缸控制的雙天線平地機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于平地鏟的水平狀態(tài)可以通過調(diào)節(jié)兩個油缸的伸縮、平地鏟的俯仰角、水平傾角保證;操控方便,運用靈活,靈敏度的可視化程度高,極大地提高了土地平整精度。
1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 整體結(jié)構(gòu)
平地機整體如圖1所示。
圖1 雙天線GNSS的精準控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of GNSS precision control system for dual antennas
1.2 工作原理
GNSS基準站發(fā)射RTK差分信號,GNSS移動站接收液壓油缸的經(jīng)度、緯度、高程、航向、俯仰角、方位角、速度、接收到的衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星信號等信息[6]。當軟件開啟60s后,接收到的位置信息變化保持在厘米級,衛(wèi)星信號為差分狀態(tài)時,軟件運行平穩(wěn);四路控制器選擇自動狀態(tài),利用軟件自動控制液壓油缸的升降,液壓系統(tǒng)為單獨控制兩個液壓油缸的升降提供動力。由于將兩個液壓油缸放置在水平面上,液壓油缸的升降不明顯,基于此問題利用程序?qū)⒁簤河透椎母叱淘O置為周期66s、高程變化范圍為10cm的正弦曲線來模擬實際土地高程變化,并檢測兩個液壓油缸的高程是否和設置高程的高度差保持在2cm、俯仰角的變化范圍保持在2°之內(nèi)。工作結(jié)束后,軟件自動將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中[7]。
2 參數(shù)及主要部件設計
2.1 試驗臺的主要技術參數(shù)
液壓油缸外形尺寸/mm:630×250×2 500
工作幅寬/mm:3 000
油缸伸縮量/mm:0～300
電磁換向閥型號:DSG-02-306-DC12V-20
工作電壓/V:220
工作溫度/℃:0～40
傳動方式:液壓傳動
2.2 主要部件設計
2.2.1 四路控制器
四路控制器是試驗臺的核心控制部件,可以選擇手動調(diào)試和自動調(diào)試兩種控制模式。當選擇手動調(diào)試時,可以單獨控制兩個液壓油缸的升降,快速查找出液壓油缸和電磁換向閥在工作中的不足,方便調(diào)節(jié)[8];當選擇自動調(diào)試時,啟用精準平地控制軟件,實現(xiàn)根據(jù)土地實際高程變化自動調(diào)控液壓油缸升降以達到精準平地的目的。四路控制器的主要優(yōu)點為操作簡單、人機互動性高,是連接電磁換向閥和精準平地系統(tǒng)軟件的中樞。
2.2.2 精準平地控制系統(tǒng)軟件
精準平地控制系統(tǒng)軟件是雙天線GNSS的精準平地系統(tǒng)中的關鍵技術,主要包括GNSS調(diào)試、控制調(diào)試、平地作業(yè)及記錄圖4部分[9]。GNSS調(diào)試主要功能為接收GPS 信號,確定平地機的經(jīng)度、緯度、速度、高程、作業(yè)時間、航向角、俯仰角、接收到的衛(wèi)星數(shù)量及衛(wèi)星信號質(zhì)量等信息?？刂普{(diào)試的主要功能是在未連接衛(wèi)星信號時通過系統(tǒng)單獨控制液壓油缸的升降,當接入衛(wèi)星信號后,系統(tǒng)可以通過紅綠燈的亮滅來分別顯示左右液壓油缸的升降[10]。平地作業(yè)主要功能為:當系統(tǒng)獲取土地的當前高度后,自動調(diào)節(jié)兩個液壓油缸的升降,以達到精準平地的目的。記錄圖的主要功能為測量工作地塊的高程圖,記錄平地機的作業(yè)軌跡,顯示平地機作業(yè)前后土壤高程的變化程度。
2.2.3 液壓傳動系統(tǒng)
根據(jù)精準平地系統(tǒng)的工作要求,設計了如圖2所示的液壓工作系統(tǒng)。
1.油箱 2.節(jié)流閥 3.左三位四通電磁換向閥 4.左側(cè)液壓油缸 5.左單向節(jié)流閥 6.左液壓鎖 7.右三位四通電磁換向閥 8.右側(cè)液壓油缸 9.右單向節(jié)流閥 10.右液壓鎖 11.精濾油器 12.液壓馬達 13.粗過濾器圖2 液壓傳動系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working schematic diagram of hydraulic transmission system
該系統(tǒng)可以幫助平地機在工作中實現(xiàn)9種不同情況的調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)開始工作時,液壓馬達通過過濾器將液壓油輸送到兩個三位四通電磁換向閥的閥體內(nèi),軟件根據(jù)雙天線定位系統(tǒng)得到液壓油缸兩端的高度和俯仰角的角度,自動判斷液壓油缸的伸縮。如果液壓油缸需要上升,電磁換向閥左側(cè)的電磁鐵通電,液壓油缸伸長;如果液壓油缸需要下降,電磁換向閥右側(cè)的電磁鐵通電,液壓油缸縮短;如果液壓油缸需要保持靜止,電磁換向閥處于中位狀態(tài),液壓油缸長度不變。左右液壓油缸單獨具備上述3種運動狀態(tài),經(jīng)過組合共有9種不同的運動情況可實現(xiàn)單獨調(diào)節(jié),滿足平地過程中不同的土地狀態(tài)[11]。液壓鎖和單向節(jié)流閥為液壓油缸提供穩(wěn)定的液壓動力,保證平地機作業(yè)時的穩(wěn)定性。
3 平地模擬試驗
3.1 試驗條件
2018年10月7日于黑龍江八一農(nóng)墾大學校園內(nèi)進行了雙天線GNSS的精準平地模擬試驗。試驗中,采用司南定位系統(tǒng)發(fā)射和接收衛(wèi)星信號,車載電腦為控制系統(tǒng),液壓系統(tǒng)為動力輸出系統(tǒng)。測試試驗臺在精準平地軟件將土地當前高程設置為正弦曲線變化時,兩個液壓油缸自動調(diào)節(jié)水平高度的精度和俯仰角的變化范圍。
3.2 試驗方案
連接GNSS基準站、移動站及精準平地系統(tǒng)軟件,將液壓控制系統(tǒng)和四路控制器相連接,再將平地系統(tǒng)軟件打開,接收衛(wèi)星信號,開啟液壓控制系統(tǒng)。通過四路控制器選擇手動或自動調(diào)控液壓油缸的升降,通過手動控制將液壓油缸分別調(diào)節(jié)到合適高度[12]。選擇自動控制,設置當前土地高程,點擊設置高程按鈕,液壓油缸通過上升和下降來調(diào)節(jié)水平;在軟件開始運行60s后,衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星信號保持穩(wěn)定,開始試驗。
3.2.1 液壓油缸伸縮量的計算公式
精準平地軟件通過單獨調(diào)節(jié)液壓油缸的升降來保障平地機的平衡。設參數(shù)dol為GNSS接收器處偏離設定高程的距離,則有
dol=|d-dnαv|
式中d—GNSS接收器處的高程;
dnav—設定高程;
dol—接收器處偏離設定高程的距離。
當dol=0時,不進行高程調(diào)整。當dol≠0時,若d-dnav>0,則GNSS接收器在設定高程下方;若d-dnav<0,則GNSS接收器在設定高程上方。
3.2.2 司南方位角報文解析及俯仰角計算公式
在司南系統(tǒng)中,方位角信息主要有XXTRA語句提供[13]。XXTRA語句的格式為:$XXTRAhhmss.ss,hhh.hh,ppp.pp,rrr.rr,q,n,dd,dd,xxxx*CC
式中Φ—A、B兩點之間的俯仰角;
x1—B點的橫坐標;
y1—B點的縱坐標;
z1—B點的豎坐標。
通過精準平地試驗臺的測試試驗,并確立平地機的自動控制精度與模擬土地高程之間的關系,檢測俯仰角在兩個液壓油缸在伸縮過程中的變化,測試平地機的工作精度是否隨著土地模擬高程的變化而變化,俯仰角的變化是否始終在精度范圍內(nèi)。本系統(tǒng)設計的精準平地系統(tǒng)的平地精度為2cm,俯仰角的變化精度為2°。
3.3 試驗方法
首先連接GNSS基準站、移動站及精準平地系統(tǒng)軟件,將液壓控制系統(tǒng)和四路控制器相連接;然后,將平地系統(tǒng)軟件打開,接收衛(wèi)星信號,開啟液壓控制系統(tǒng),通過四路控制器選擇手動或自動模式單獨調(diào)控兩個液壓油缸的升降。通過手動控制,將液壓油缸分別調(diào)節(jié)到合適高度,選擇自動控制,設置當前土地高程,點擊模擬土地高程按鈕,液壓油缸通過上升和下降自動調(diào)節(jié)水平;在軟件開始運行60s后,衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星信號保持穩(wěn)定,開始試驗[14]。將平地模擬試驗中高度變化設置為80.07～80.17m,每2s鐘高程變化為0.003m,模擬高程的變化為正弦函數(shù),每66s完成一次高程變化周期;在GPS信號接收平穩(wěn)后,點擊平地模擬試驗按鈕,開始試驗。以200s為每組數(shù)據(jù)測試時間,分別測試2組試驗,對平地作業(yè)的實際高程和俯仰角數(shù)據(jù)進行收集,并對試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理分析[15]。
3.3.1 確定設置高程和高程之間的關系
對于采集到的設置高程和高程數(shù)據(jù)利用Excel進行數(shù)據(jù)分析,利用圖形構(gòu)建器做設置高程和高程折線圖,觀察設置高程和高程數(shù)據(jù)之間的變化關系,如圖3所示。做殘差分析圖,分析設置高程和高程之間的誤差關系,如圖4所示。
圖3 設置高程和高程變化曲線圖Fig.3 Set elevation and elevation change Graphs
圖4 高程殘差散點圖Fig.4 Elevation residuals scatter plot
3.3.2 確定實際俯仰角和標準俯仰角之間的關系
對于采集到的設置高程和高程數(shù)據(jù)利用Excel進行數(shù)據(jù)分析,利用圖形構(gòu)建器做實際俯仰角和標準俯仰角折線圖,觀察數(shù)據(jù)之間的變化關系,如圖5所示。做殘差分析圖,分析實際俯仰角和標準俯仰角之間的誤差關系,如圖6所示。
圖5 標準俯仰角和俯仰角變化曲線Fig5 Standard pitch angle and pitch angle variation curve
圖6 俯仰角殘差散點圖Fig6 Pitch angle Residuals scatter plot
從試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出:土壤設置高程和平地機的工作高程之間的殘差值小于3%,平地精度控制在2cm之內(nèi);俯仰角和標準俯仰角之間的殘差值小于3%,變化精度小于2°,符合平地機作業(yè)精度。
4 結(jié)論
設計了一款符合國家農(nóng)業(yè)機械施肥標準的基于雙天線北斗定位系統(tǒng)的精準平地系統(tǒng),可以繪制不同地塊的地形圖,根據(jù)衛(wèi)星信號的反饋通過調(diào)節(jié)平地機兩端液壓油缸的伸縮,以確保平地機的水平。對該系統(tǒng)進行了室外測試試驗,結(jié)果表明:平地精度控制在2cm內(nèi),俯仰角變化范圍小于2°,可以滿足精準平地的要求。本文研發(fā)的基于雙天線北斗定位系統(tǒng)的精準平地系統(tǒng)具有技術先進、可靠性高、方便操作及平地精度高等優(yōu)點,滿足工作要求。
