專利名稱：一種基于gps 和激光技術的高程控制方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明針對農業機械裝備自動化控制技術領域，涉及一種高程控制方法及系統， 尤其涉及一種采用GPS (Global Position System，全球定位系統)技術結合激光技術實現對開溝鋪管機田間作業的開溝深度和坡度進行實時控制的方法及系統。
背景技術：
上世紀九十年代以前，開溝鋪管機的高程(開溝深度和坡降)一直是通過人工測量并借助機械裝置操控，不僅勞動強度大、工作效率低，而且難以避免發生一些人為誤差， 影響施工質量。九十年代以后至今，隨著農業機械自動化的發展與進步，開溝鋪管機的高程控制普遍采用激光制導儀控制完成。基本控制過程如下激光接收器接收來自激光發射器發出的激光信號，通過信號的接收、處理和轉換，最后傳送給控制器，控制器可根據來自激光接收器的信號，判斷激光接收器相對基準參考平面的偏差位置，在控制器面板上實時顯示相對高低，并發送相應的控制信號給液壓控制系統，使之反饋控制開溝鋪管機開溝臂升降，直至激光接收器中心位于激光參考平面內時，便控制開溝鋪管機開溝臂保持穩定。激光技術是一種被動式測量高程技術，激光本身并沒有時間基準和位置基準。激光控制高程精度目前可以達到2厘米，眾所周知，這種方式的激光制導雖然精確，但其作用距離是有限的，尤其是需要通視條件，在有地形阻擋時不可能實施，而在云霧以及煙塵阻擋時有效性也大大降低。目前采用激光控制高程時，需要在作業前人工拿著測量桿對整塊地采樣，并且當地面起伏較大時，激光接收器可能接收不到信號。而GPS制導基本上沒有距離限制，也不受天氣和地形限制，但是精確性卻不如激光制導。GPS定位系統可以實時測定流動點的位置并提供測量時間，為系統提供WGS84大地測量基準和時間基準。低精度的GPS 接收模塊水平測量精度能滿足要求，但測量高程坐標時誤差較大；高精度的GPS接收模塊成本又非常高，因此大多數都選用價格合理、精度較高的、支持RTK(Real Time Kinematic, 實時動態測量)技術的雙頻GPS-OEM板(RTK GPS-OEM板)來完成測點信息的采集。采用 GPS技術結合激光技術，使其二者優勢互補，在開溝鋪管機高程自動測控系統中有著較好的應用前景。
發明內容
為解決上述問題，本發明公開一種基于GPS和激光技術的高程控制方法，用于開溝鋪管作業的開溝鋪管機，其特征在于，包括步驟100，設置GPS基站并確定激光發射器的位置坐標和固定在開溝臂上的激光接收器的三維坐標；步驟200，判斷GPS信號和激光信號是否有效，并進行相應的數據存儲和定位信息的處理；步驟300，在空間坐標系中計算出開溝臂底端的三維坐標，驅動開溝臂移動；步驟400，將當前開溝臂高程信號與事先設定的開溝臂高程信號進行比對，確定高程控制信息，實現對深度調節液壓缸的控制。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟100包括步驟101，由GPS基站確定激光發射器的位置坐標為Χ0、Υ0、Ζ0，此時GPS天線的坐標為XI、Yl、Ζ1，則可以根據激光發射器發射的斜面坡度計算出激光接收器的位置坐標Χ2、 Υ2、Ζ2。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟200包括步驟201，由同步觸發模塊不斷的向GPS接收模塊和激光接收器發送同步脈沖，當判斷二者數據傳輸同步時，數據處理與控制中心予以接收；步驟202，由于GPS接收模塊接收的是在WGS84坐標系下的坐標，因此需要將接收到的三維坐標值進行坐標轉換，轉換成當地空間直角坐標系中的坐標值；步驟203，當地面起伏較大或其它異常情形時，激光接收器接收不到信號，此時以 GPS接收模塊接收到的高程信息作為控制依據，判斷開溝臂執行的方向，驅動開溝臂移動；步驟204，當激光接收器能接收到激光發射器的信號時，再由GPS接收模塊接收到的高程信號和激光接收器接收到的相對高程信號的融合作為微調控制信號。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟300包括步驟301，傾角傳感器輸出的信號經處理后得到的開溝臂頂端與空間的夾角為 θ、Y、Ψ，開溝臂的長度為Li，則可以計算得到開溝臂底端相對于基點深度位置HO。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟301包括步驟302，當激光接收器丟失信號時，則根據傾角傳感器測得的角度和GPS接收模塊接收到的坐標信息，計算出此刻開溝臂底端的三維坐標X、Y、Z，將所得開溝臂Z值與HO 進行比較，判斷開溝臂執行的方向，驅動開溝臂移動；步驟303，當激光接收器恢復接收到信號后，則可以根據GPS接收模塊和激光接收器二者的權重進行數據融合。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟303后，還包括步驟304，通過所得當前開溝臂Z值與HO進行比較實現控制；步驟305，開溝深度許可波動ξ厘米，在[Η0- ξ，HO+ ξ ]區間內可以近似認為所述Z值與HO相一致，此時不需要驅動深度調節液壓缸，如果超過該區間，則認為開溝臂過高或者過低，對開溝臂進行控制，使所述Z值與HO達到一致。本發明公開一種基于GPS和激光技術的高程控制系統，用于開溝鋪管作業的開溝鋪管機，其特征在于，包括GPS定位系統，包括，GPS基站、GPS接收模塊、GPS天線；激光系統，包括，激光發射器、激光接收器；數據處理與控制中心，用于采集GPS坐標信號、激光信號和開溝臂角度信號，并將處理后的當前開溝臂的高程與設定高程進行分析比較，判斷是否驅動開溝臂；傾角傳感器，采用一種三軸加速度傳感器，用于反映開溝臂的姿態；液壓執行系統，用于實施數據處理與控制中心的高程控制指令，控制電磁閥、深度調節液壓缸和開溝臂的動作。所述的高程控制系統，其特征在于，數據處理與控制中心還包括處理單元，用于將GPS定位系統與激光系統的數據信息進行高程定位信息的處理；同步觸發模塊，用于將所述激光系統中的信號與所述GPS定位系統中GPS定位信號進行同步處理；A/D轉換器與數據傳輸單元，用于將激光系統和GPS定位系統的信息進行A/D轉換以及進行I/O接口數據傳輸處理；控制驅動模塊，用于將控制驅動的信號發送至液壓執行系統進行操作。所述的高程控制系統，其特征在于，所述液壓執行系統還包括電磁閥，用于根據數據處理與控制中心的控制信號開通或關斷深度調節液壓缸的相應液壓回路；深度調節液壓缸，用于驅動開溝臂做出升降運動以實現開溝深度的調節。所述的高程控制系統，其特征在于，所述傾角傳感器還包括放大器，用于所述傾角傳感器通過所述放大器連接到所述A/D轉換與數據傳輸單兀。所述的高程控制系統，其特征在于，還包括顯示模塊用于通過LCD液晶顯示器及其驅動電路顯示高程控制數據。本發明還公開一種開溝鋪管機，其特征在于，包括上述所述的系統。實施本發明的基于GPS和激光技術的高程控制系統，具有以下效果將GPS定位技術與激光高程測量技術巧妙結合，在正常工作狀態時，利用激光接收器接收到的相對高程信息和GPS接收到的信息，精確地測量出激光接收器的三維坐標信息，再結合傾角傳感器的角度信號計算出當前開溝臂的高程，實現高程精準控制，此時，GPS主要體現于導航功能； 在地面起伏較大、或超距離作業、或云霧煙塵阻擋等異常情況下，若激光接收器接收不到信號時，控制系統立即切換利用GPS采集到的高程信息作為開溝深度控制信號，使開溝臂按照指定的方向上升或者下降。其不僅實現了 GPS和激光高程信息的融合，可以快速地對開溝臂高程實行動態控制，改善開溝鋪管機的工作質量，而且在激光接收器信號丟失的情況下可以利用GPS進行控制，以保證開溝鋪管機的工作可靠性。上述基于GPS和激光技術的高程控制系統，其有益效果在于，在進行鋪管作業前， 不必利用人工拿著激光接收器進行手工測量農田的相對高程差，以直接駕駛開溝鋪管機，利用車體上的GPS進行相對高程差的測量。上述基于GPS和激光技術的高程控制系統，其有益效果在于，當開溝鋪管機在農田進行開溝鋪管作業時，固定安裝在開溝臂上的激光接收器接收到GPS的坐標和激光的高程坐標后，可以在坐標系中根據傾角傳感器的角度計算出當前開溝臂頂端和底端的三維坐標，這樣可以既能實現實時監控開溝臂的擺放狀態，又能控制開溝臂始終處于垂直面(相對于水平面)，以保證開溝深度的穩定性，提高開溝鋪管機的作業質量。
圖1為本發明基于GPS和激光技術的高程控制系統組成示意圖；圖2為本發明傾角傳感器三維傾角示意圖；圖3為本發明基于GPS和激光技術的高程控制系統原理框圖；圖4為本發明基于GPS和激光技術的高程控制系統具體實施方式
的工作流程6
圖5為本發明基于GPS和激光技術的高程控制方法流程圖。
具體實施例方式下面給出本發明的具體實施方式
，結合附圖對本發明做出進一步的描述。如附圖1所示，在本發明的一實施例中，基于GPS和激光技術的高程控制系統主要包括GPS基站1、激光發射器2、GPS接收模塊3、激光接收器4、GPS天線5、數據處理與控制中心6、測量桿7、開溝臂8、深度調節液壓缸9、傾角傳感器10、管箱11等。其中，所述GPS 接收模塊3、激光接收器4、傾角傳感器10分別與所述數據處理與控制中心6連接。所述 GPS天線5安裝在測量桿7的頂端，所述激光接收器4固定在測量桿7上部(與GPS天線5 保持設定距離)，所述激光發射器2固定在三腳架上。所述GPS接收模塊3采用RTK GPS-OEM板，具有接收GPS信號、處理信號、輸出觀測信號和定位結果等功能，用標準的NMEA-0183協議格式輸出定位信息，支持串行通信。GPS 天線5采用高精度測量型天線。GPS基站1與激光發射器2之間的距離為a，激光接收器4 與GPS天線5的距離為b，激光接收器4與開溝臂8頂端回轉中心距離為c，其中a、b、c (為常數)的距離數值可視施工情形現場確定。所述激光發射器2采用常用大作用范圍的單坡激光發射器。所述激光接收器4采用一種基于集成IC的激光接收器，其接收器共采用數十片硅光電池加濾光片，分成多層多列，以保證有較大的垂直工作范圍和360°全方位工作面。所述測量桿7采用具有較好剛性、且高度能與開溝深度相匹配的固定桿。所述傾角傳感器10采用一種三軸加速度傳感器，用來反映開溝臂8的姿態。在實施中，為了得到同步數據，在數據處理與控制中心6設置有一個同步觸發模塊，對GPS接收模塊和激光接收器實施同步觸發。該模塊由時延電路產生的延時信號，經過反相器三極管及放大電路進行功率放大產生觸發可控硅的脈沖，最后由動作觸發脈沖電路產生同步多路脈沖。在數據處理與控制中心6設置的顯示模塊主要是IXD液晶顯示器，可以顯示當前時鐘信息、位置信息、速度信息、等等。并通過紅，綠，黃三種顏色的發光二極管分別表示開溝臂8的狀態過高，適中，過低。整個系統所需電能由DC/DC開關電源提供，電源輸入由開溝鋪管機自帶的蓄電池提供。電源具有多電壓輸出接口，具備穩定可靠的供電能力，RTK GPS-OEM板和激光系統都提供寬壓電源接口。GPS是6 18V，激光系統是11 15V，所以電源采用12V電壓，提供多路輸出穩壓接口。開溝鋪管機在進行開溝鋪管作業時，對開溝臂8的高程控制大致分為以下四個步驟一，設置GPS基站1并確定激光發射器2的位置坐標；二，確定固定在開溝臂8上的激光接收器4的三維坐標；三，在空間坐標系中計算出開溝臂8底端的三維坐標；四，將當前高程與事先設定高程比對，實現對深度調節液壓缸9的控制。在高程控制過程中，首先是由同步觸發模塊不斷的向GPS接收模塊3和激光接收器4發送同步脈沖，當判斷二者數據傳輸同步時，數據處理與控制中心6才予以接收。由于 GPS接收模塊3接收的是在WGS84坐標系下的坐標，因此需要將接收到的三維坐標值進行坐標轉換，轉換成當地空間直角坐標系中的坐標值，以便于后續處理。當地面起伏較大或其它異常情形時，激光接收器4接收不到信號，此時便以GPS接收模塊3接收到的高程信息作為控制依據，判斷開溝臂8執行的方向，驅動開溝臂8移動。當激光接收器4能接收到激光發射器2的信號時，再由GPS接收模塊3接收到的高程信號和激光接收器4接收到的相對高程信號的融合作為微調控制信號。假設由GPS基站1確定激光發射器2的位置坐標為(X0，Y0, Z0)，此時GPS天線5 的坐標為(X1，Y1，Z1)，則可以根據激光發射器2發射的斜面坡度計算出激光接收器應當在位置(Χ2，Υ2，Ζ2)上。又假設傾角傳感器10輸出的信號經處理后得到的開溝臂8頂端與空間的夾角為(Θ，γ，ψ)，θ為俯仰角，Υ為橫滾角，Ψ為航向角或方位角，詳見附圖2。開溝臂8的長度為Li，則可以計算得到開溝臂8底端相對于基點(激光發射器2的位置點) 深度位置Η0。當激光接收器4丟失信號時，則根據傾角傳感器10測得的角度和GPS接收模塊3接收到的坐標信息，計算出此刻開溝臂8底端的三維坐標(X，Y，Ζ)，將所得Z值與HO 進行比較，判斷開溝臂8執行的方向，驅動開溝臂8移動。當激光接收器4恢復接收到信號后，則可以根據GPS和激光二者的權重進行數據融合，當開溝鋪管機離激光發射器距離較近(如400米以內)時，則主要以激光信號為主，GPS信號為輔，當距離較遠時(如400米以外)，則主要以GPS信號為主，這樣可以擴大開溝鋪管機的作業范圍。控制過程如上所述，通過所得當前開溝臂Z值與HO進行比較來實現控制。在實際應用中，開溝深度許可波動ξ厘米(ξ為允許誤差，有具體數值，根據施工要求和設備精度而定)，在[Η0- ξ，HO+ ξ ]區間內可以近似認為Z與HO相一致，此時不需要驅動深度調節液壓缸9。如果超過這個區間，則認為開溝臂8過高或者過低，需要對其進行控制，設計中有兩路控制信號，分別是上升和下降兩路信號，通過驅動深度調節液壓缸9伸縮，最終達到準確控制開溝臂8的目的。如圖3本發明提供一種基于GPS和激光技術的高程控制系統，它包括GPS定位系統20，該系統包括GPS基站1、GPS接收模塊3、GPS天線5 ；激光系統30包括，激光發射器2、激光接收器4。數據處理與控制中心6，包括，處理單元41、A/D轉換器與數據傳輸單元42、同步觸發模塊43、和控制驅動模塊44。顯示模塊50用于顯示開溝鋪管機的開溝臂8的開溝深度是否符合設定的要求，其中顯示模塊50根據數據處理與控制中心6的信息顯示“過高”、“適中”、“過低”。傾角傳感器10，用來反映開溝臂8的姿態。液壓執行系統，用于實施數據處理與控制中心的高程控制指令，控制電磁閥、深度調節液壓缸和開溝臂的動作。電磁閥60，用于根據數據處理與控制中心6的信息控制深度調節液壓缸9，從而驅動開溝臂8運動。其中，所述GPS接收模塊3、激光接收器4、傾角傳感器10分別連接至所述數據處理與控制中心6。所述數據處理與控制中心6用于采集GPS坐標信號、激光高程信號和開溝臂8角度信號，并將處理后的當前開溝臂8的高程與設定高程進行分析比較，判斷是否驅動液壓執行系統(含電磁閥、深度調節液壓缸和開溝臂)。主要包括計算機中央處理單元41、A/D 轉換與數據傳輸單元42、控制驅動模塊44、同步觸發模塊43、顯示模塊50和供電電源等。
所述GPS基站1用于定點測量基站自身及激光發射器2所處的位置坐標，并向數據處理與控制中心6提供參考點。所述激光發射器2作為光源用于向激光接收器4提供參考激光平面。所述GPS接收模塊3用于測量安裝在開溝臂8上激光接收器4的位置坐標并提供測量時間，在激光接收器4出現異常接收不到信號時可以利用所述的GPS接收模塊3的高程信息迅速介入控制，為系統提供WGS84大地測量基準和時間基準，同時將坐標信息發送至數據處理與控制中心6。所述激光接收器4用于測量自身相對激光平面(由激光發射器2提供)所在的高低位置，并將高程信號發送至所述數據處理與控制中心6。所述同步觸發模塊43用于GPS和激光系統二者集成時，使數據保持同步。所述傾角傳感器10用于測量當前開溝臂8的姿態信息，并將信號發送至所述數據處理與控制中心6。所述顯示模塊50用于顯示高程信息，并通過發光二極管顯示過高、適中、過低三種情形狀態，便于直觀了解開溝臂8作業狀態。本發明所述的基于GPS和激光技術的高程控制系統中，所述GPS定位系統20包括 GPS接收模塊3 (RTK GPS-OEM板)和GPS天線5，其中，所述GPS接收模塊3與所述同步觸發模塊連接。本發明所述的基于GPS和激光技術的高程控制系統中，所述激光系統包括激光發射器2和激光接收器4，其中，激光接收器4連接至所述同步觸發模塊。本發明所述的基于GPS和激光技術的高程控制系統中，所述同步觸發模塊包括外部觸發電路，用脈沖信號實現同步觸發。本發明所述的基于GPS和激光技術的高程控制系統中，所述開溝臂8傾角傳感器 10包括傾角傳感器和放大器，其中，所述傾角傳感器通過所述放大器連接到所述A/D轉換與數據傳輸單元。本發明所述的基于GPS和激光技術的高程控制系統中，所述顯示模塊50包括IXD 液晶顯示器及其驅動電路。實施本發明的基于GPS和激光技術的高程控制系統，具有以下效果將GPS定位技術與激光高程測量技術巧妙結合，在正常工作狀態時，利用激光接收器接收到的相對高程信息和GPS接收到的信息，精確地測量出激光接收器的三維坐標信息，再結合傾角傳感器的角度信號計算出當前開溝臂8的高程，實現高程精準控制，此時，GPS主要體現于導航功能；在地面起伏較大、或超距離作業、或云霧煙塵阻擋等異常情況下，若激光接收器接收不到信號時，控制系統立即切換利用GPS采集到的高程信息作為開溝深度控制信號，使開溝臂8按照指定的方向上升或者下降。其不僅實現了 GPS和激光高程信息的融合，可以快速地對開溝臂8高程實行動態控制，改善開溝鋪管機的工作質量，而且在激光接收器信號丟失的情況下可以利用GPS進行控制，以保證開溝鋪管機的工作可靠性。上述基于GPS和激光技術的高程控制系統，其有益效果在于，在進行鋪管作業前， 不必利用人工拿著激光接收器進行手工測量農田的相對高程差，可以直接駕駛開溝鋪管機，利用車體上的GPS進行相對高程差的測量。上述基于GPS和激光技術的高程控制系統，其有益效果在于，當開溝鋪管機在農田進行開溝鋪管作業時，固定安裝在開溝臂8上的激光接收器接收到GPS的坐標和激光的高程坐標后，可以在坐標系中根據傾角傳感器的角度計算出當前開溝臂8頂端和底端的三維坐標，這樣可以既能實現實時監控開溝臂8的擺放狀態，又能控制開溝臂8始終處于垂直面(相對于水平面)，以保證開溝深度的穩定性，提高開溝鋪管機的作業質量。如圖4所示為基于GPS和激光技術的高程控制的步驟S301，進行系統的初始化；S302，判斷GPS數據是否有效，如果判斷GPS數據有效，則執行步驟S303 ；S303,判斷激光數據是否有效，如果激光數據有效，則執行步驟S304，否則執行步驟 S305 ；S304，檢測是否有同步信號，如果有同步信號執行步驟S306，否則執行步驟S303 ；S305，接收GPS信息，然后執行步驟S306 ；S306，存儲數據并處理定位信息，執行步驟S307 ；S307，解算出開溝臂當前高程，執行步驟S308 ；S308,是否與設定的高程相同，如果相同執行步驟S309，否則執行步驟S310 ；S309，不接通電磁閥；S310，接通電磁閥；然后執行步驟S311 ；S311，驅動深度調節液壓缸，然后執行步驟S312 ；S312，控制開溝臂至設定高程。如附圖5所示本發明公開一種基于GPS和激光技術的高程控制方法，其特征在于， 包括步驟100，設置GPS基站并確定激光發射器的位置坐標和固定在開溝臂上的激光接收器的三維坐標；步驟200，判斷GPS信號和激光信號是否有效，并進行相應的數據存儲和定位信息的處理；步驟300，在空間坐標系中計算出開溝臂底端的三維坐標，驅動開溝臂移動；步驟400，將當前開溝臂高程信號與事先設定的開溝臂高程信號進行比對，確定高程控制信息，實現對深度調節液壓缸的控制。
所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟100包括步驟101，由GPS基站確定激光發射器的位置坐標為Χ0、Υ0、Ζ0，此時GPS天線的坐標為XI、Yl、Ζ1，則可以根據激光發射器發射的斜面坡度計算出激光接收器的位置坐標Χ2、 Υ2、Ζ2。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟200包括步驟201，由同步觸發模塊不斷的向GPS接收模塊和激光接收器發送同步脈沖，當判斷二者數據傳輸同步時，數據處理與控制中心予以接收；步驟202，由于GPS接收模塊接收的是在WGS84坐標系下的坐標，因此需要將接收到的三維坐標值進行坐標轉換，轉換成當地空間直角坐標系中的坐標值；步驟203，當地面起伏較大或其它異常情形時，激光接收器接收不到信號，此時以 GPS接收模塊接收到的高程信息作為控制依據，判斷開溝臂執行的方向，驅動開溝臂移動；步驟204，當激光接收器能接收到激光發射器的信號時，再由GPS接收模塊接收到
10的高程信號和激光接收器接收到的相對高程信號的融合作為微調控制信號。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟300包括步驟301，傾角傳感器輸出的信號經處理后得到的開溝臂頂端與空間的夾角為 θ、Y、Ψ，開溝臂的長度為Li，則可以計算得到開溝臂底端相對于基點深度位置HO。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟301包括步驟302，當激光接收器丟失信號時，則根據傾角傳感器測得的角度和GPS接收模塊接收到的坐標信息，計算出此刻開溝臂底端的三維坐標X、Y、Z，將所得開溝臂Z值與HO 進行比較，判斷開溝臂執行的方向，驅動開溝臂移動；步驟303，當激光接收器恢復接收到信號后，則可以根據GPS接收模塊和激光接收器二者的權重進行數據融合。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟303后，還包括步驟304，通過所得當前開溝臂Z值與HO進行比較實現控制；步驟305，開溝深度許可波動ξ厘米，在[Η0- ξ，HO+ ξ ]區間內可以近似認為所述Z值與HO相一致，此時不需要驅動深度調節液壓缸，如果超過該區間，則認為開溝臂過高或者過低，對開溝臂進行控制，使所述Z值與HO達到一致。本領域的技術人員在不脫離權利要求書確定的本發明的精神和范圍的條件下，還可以對以上內容進行各種各樣的修改。因此本發明的范圍并不僅限于以上的說明，而是由權利要求書的范圍來確定的。
權利要求
1.一種基于GPS和激光技術的高程控制方法，用于開溝鋪管作業的開溝鋪管機，其特征在于，包括步驟100，設置GPS基站并確定激光發射器的位置坐標和固定在開溝臂上的激光接收器的三維坐標；步驟200，判斷GPS信號和激光信號是否有效，并進行相應的數據存儲和定位信息的處理；步驟300，在空間坐標系中計算出開溝臂底端的三維坐標，驅動開溝臂移動；步驟400，將當前開溝臂高程信號與事先設定的開溝臂高程信號進行比對，確定高程控制信息，實現對深度調節液壓缸的控制。
2.如權利要求1所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟100包括步驟101，由GPS基站確定激光發射器的位置坐標為Χ0、Υ0、Ζ0，此時GPS天線的坐標為 XI、YU Ζ1，則可以根據激光發射器發射的斜面坡度計算出激光接收器的位置坐標Χ2、Υ2、 Ζ2。
3.如權利要求1所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟200包括步驟201，由同步觸發模塊不斷的向GPS接收模塊和激光接收器發送同步脈沖，當判斷二者數據傳輸同步時，數據處理與控制中心予以接收；步驟202，由于GPS接收模塊接收的是在WGS84坐標系下的坐標，因此需要將接收到的三維坐標值進行坐標轉換，轉換成當地空間直角坐標系中的坐標值；步驟203，當地面起伏較大或其它異常情形時，激光接收器接收不到信號，此時以GPS 接收模塊接收到的高程信息作為控制依據，判斷開溝臂執行的方向，驅動開溝臂移動；步驟204，當激光接收器能接收到激光發射器的信號時，再由GPS接收模塊接收到的高程信號和激光接收器接收到的相對高程信號的融合作為微調控制信號。
4.如權利要求1所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟300包括步驟301，傾角傳感器輸出的信號經處理后得到的開溝臂頂端與空間的夾角為θ、γ、 Ψ，開溝臂的長度為Li，則可以計算得到開溝臂底端相對于基點深度位置Η0。
5.如權利要求4所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟301包括步驟302，當激光接收器丟失信號時，則根據傾角傳感器測得的角度和GPS接收模塊接收到的坐標信息，計算出此刻開溝臂底端的三維坐標X、Y、Ζ，將所得開溝臂Z值與HO進行比較，判斷開溝臂執行的方向，驅動開溝臂移動；步驟303，當激光接收器恢復接收到信號后，則可以根據GPS接收模塊和激光接收器二者的權重進行數據融合。
6.如權利要求5所述的高程控制方法，其特征在于，所述步驟303后，還包括步驟304，通過所得當前開溝臂Z值與HO進行比較實現控制；步驟305，開溝深度許可波動ξ厘米，在[Η0-ξ，Η0+ξ]區間內可以近似認為所述Z值與HO相一致，此時不需要驅動深度調節液壓缸，如果超過該區間，則認為開溝臂過高或者過低，對開溝臂進行控制，使所述Z值與HO達到一致。
7.一種基于GPS和激光技術的高程控制系統，用于開溝鋪管作業的開溝鋪管機，其特征在于，包括GPS定位系統，包括，GPS基站、GPS接收模塊、GPS天線；激光系統，包括，激光發射器、激光接收器；數據處理與控制中心，用于采集GPS坐標信號、激光信號和開溝臂角度信號，并將處理后的當前開溝臂的高程與設定高程進行分析比較，判斷是否驅動開溝臂； 傾角傳感器，采用一種三軸加速度傳感器，用于反映開溝臂的姿態； 液壓執行系統，用于實施數據處理與控制中心的高程控制指令，控制電磁閥、深度調節液壓缸和開溝臂的動作。
8.如權利要求7所述的高程控制系統，其特征在于，數據處理與控制中心還包括 處理單元，用于將GPS定位系統與激光系統的數據信息進行高程定位信息的處理； 同步觸發模塊，用于將所述激光系統中的信號與所述GPS定位系統中GPS定位信號進行同步處理；A/D轉換器與數據傳輸單元，用于將激光系統和GPS定位系統的信息進行A/D轉換以及進行I/O接口數據傳輸處理；控制驅動模塊，用于將控制驅動的信號發送至液壓執行系統進行操作。
9.如權利要求7所述的高程控制系統，其特征在于，所述液壓執行系統還包括電磁閥，用于根據數據處理與控制中心的控制信號開通或關斷深度調節液壓缸的相應液壓回路；深度調節液壓缸，用于驅動開溝臂做出升降運動以實現開溝深度的調節。
10.如權利要求7所述的高程控制系統，其特征在于，所述傾角傳感器還包括放大器，用于所述傾角傳感器通過所述放大器連接到所述A/D轉換與數據傳輸單元。
11.如權利要求7所述的高程控制系統，其特征在于，還包括顯示模塊用于通過IXD 液晶顯示器及其驅動電路顯示高程控制數據。
12.—種開溝鋪管機，其特征在于，包括權利要求7-11所述的系統。
全文摘要
本發明公開一種基于GPS和激光技術的高程控制方法，用于開溝鋪管作業的開溝鋪管機，其特征在于，包括步驟100，設置GPS基站并確定激光發射器的位置坐標和固定在開溝臂上的激光接收器的三維坐標；步驟200，判斷GPS信號和激光信號是否有效，并進行相應的數據存儲和定位信息的處理；步驟300，在空間坐標系中計算出開溝臂底端的三維坐標，驅動開溝臂移動；步驟400，將當前開溝臂高程信號與事先設定的開溝臂高程信號進行比對，確定高程控制信息，實現對深度調節液壓缸的控制。
文檔編號E02F5/10GK102518160SQ20111044240
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者偉利國, 張小超, 段京云, 王麗麗, 胡小安, 趙化平 申請人:中國農業機械化科學研究院, 北京天順長城液壓科技有限公司