專利名稱：一種車載農田三維地形測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及農田三維地形測量領域，特別涉及一種車載農田三維地形測量裝置。
背景技術：
在農業中，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，需要對土地進行精細平整。目前，國內外廣泛采用的土地平整技術常規土地平整、激光控制平地技術和GPS平地技術等。這些平地技術的平地基準，大部分由操作者主觀確定。目前關于農田三維地形測量技術，在國內研究較少。專利號ZL200820079033. X的基于GPS和激光技術的三維地形測量裝置采用GPS測量農田中某點的經緯度，采用激光技術測量該點的高度，但這種測量方式工作量大，效率低。公開號CN101000233A的水下三維地形測量系統，公開了一種利用圖像技術測量水槽中水下床面的沙波形態，但只適用于實驗室。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺點，提供一種精度高、操作簡單、效率高的車載農田三維地形測量裝置。本發明的目的通過下述技術方案實現一種車載農田三維地形測量裝置，包括高精度全球定位系統、姿態傳感器、角度測量傳感器、數據采集器和平地機的平地鏟。所述高精度全球定位系統包括GPS天線和GPS接收機。所述GPS天線安裝于平地鏟主鏟的中間處；GPS接收機安裝于平地機的駕駛室內；GPS天線與GPS接收機相連接；GPS 接收機用于實時測量安裝在平地鏟上GPS天線的三維坐標。所述姿態傳感器為AHRS姿態傳感器，安裝于GPS天線的正下方，用于校正平地鏟的三維坐標。所述角度測量傳感器采用絕對編碼器，安裝于平地鏟拖板的轉動軸上，用于將拖板上下活動的角度轉換為電信號輸出給數據采集器。所述數據采集器安裝于平地機的駕駛室內；數據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、電磁閥驅動模塊、顯示模塊以及存儲模塊；數據采集器用于接收和處理GPS接收機、AHRS姿態傳感器和絕對編碼器輸出的信號，然后控制平地鏟的升降。所述數據采集器中的微處理器，用于對系統的初始化、數據的處理和控制電磁閥的PWM的信號輸出。所述數據采集器中的GPS處理模塊，通過串行接口與微處理器相連接，用于接收 GPS接收機輸出的GPS數據。所述數據采集器中的AHRS處理模塊，通過串行接口與微處理器相連接，用于接收 AHRS姿態傳感器輸出的AHRS數據。所述數據采集器中的編碼器處理模塊，用于接收編碼器的數據，并輸送到微處理器中處理。所述數據采集器中的電磁閥驅動模塊，用于驅動控制平地鏟升降的電磁閥。所述數據采集器中的顯示模塊，通過并行接口與微處理器相連，用于實時顯示采集的GPS與編碼器的信息。所述數據采集器中的存儲模塊與微處理器相連接，將GPS的坐標數據與處理后的高程數據存儲到SD卡上。外部電源與數據采集器、GPS接收機和AHRS姿態傳感器相連接，為系統中各部分提供穩定的工作電壓。按鍵開關與微處理器相連接，用于對微處理器程序的外部中斷控制。本發明的工作原理是采用車載GPS技術與AHRS姿態傳感器相結合，實時測量平地機的平地鏟的三維空間坐標，提高了工作效率，保證了坐標的準確性；同時利用絕對編碼器測量平地鏟后面的拖板的上下運動角度，求出拖板相對平地鏟的高度，再與GPS數據結合，可以求出拖板底面的高程數據。同時，拖板的上下運動的角度還將控制平地機的平地鏟的升降。由于，本發明的拖板的上下活動是由農田表面來決定的，不受水的影響，所以本發明裝置不僅可以測量旱地的三維地形，還可以測量水田的三維地形，并且能實時顯示和存儲采集的數據，方便用戶的了解與后期的分析處理。本發明與現有技術相比具有如下優點和效果(I)本發明的測量精度高、效率高，操作簡單，可以為平地機提供一個精確的標準高度。(2)本發明既可以用于測量旱地的三維地形，也可以測量水田的三維地形。
圖I為本發明車載農田三維地形測量裝置的結構示意圖。圖2為本發明中的數據采集器以及外圍設備原理框圖。圖3為GPS天線、AHRS姿態傳感器和絕對編碼器的安裝示意圖。圖4為平地鏟的側視圖。其中1.平地機；2.電磁閥；3.數據采集器；4. GPS接收機；5.平地鏟；6.絕對編碼器；7. GPS天線；8. AHRS姿態傳感器；9.拖板。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例I如圖I所示，一種車載農田三維地形測量裝置，包括安裝于平地機I上的GPS接收機4、GPS天線7、AHRS姿態傳感器8、絕對編碼器6、數據采集器3和平地鏟5。所述數據采集器3安裝于平地機I的駕駛控制室內。如圖2所示，數據采集器3 包括微處理器、GPS處理模塊、AHRS處理模塊、編碼器處理模塊、電磁閥驅動模塊、顯示模塊以及存儲模塊。數據采集器3的外設包括GPS接收機4、AHRS姿態傳感器8、電磁閥2、絕對編碼器6、SD卡、顯示屏、按鍵開關和電源。數據采集器3用于接收和處理GPS接收機4、 AHRS姿態傳感器8和絕對編碼器6輸出的信號，然后控制平地鏟5的升降。所述數據采集器中的微處理器，用于對系統的初始化、數據的處理和控制電磁閥的PWM的信號輸出。所述數據采集器中的GPS處理模塊，通過串行接口與微處理器相連接，用于接收GPS接收機輸出的GPS數據。所述數據采集器中的AHRS處理模塊，通過串行接口與微處理器相連接，用于接收AHRS姿態傳感器輸出的AHRS數據。所述數據采集器中的編碼器處理模塊，用于接收編碼器的數據，并輸送到微處理器中處理。所述數據采集器中的電磁閥驅動模塊，用于驅動控制平地鏟升降的電磁閥。所述數據采集器中的顯示模塊，通過并行接口與微處理器相連， 用于實時顯示采集的GPS與編碼器的信息。所述數據采集器中的存儲模塊與微處理器相連接，將GPS的坐標數據與處理后的高程數據存儲到SD卡上。GPS接收機4和AH RS姿態傳感器8通過串行接口與數據采集器3相連接。數據采集器3實時采集GPS接收機4和AH RS姿態傳感器8的數據。外部電源與數據采集器3、GPS接收機4和AHRS姿態傳感器8相連接，為系統中各部分提供穩定的工作電壓。按鍵開關與微處理器相連接，用于對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4安裝于平地機的駕駛室內；GPS天線7連接到GPS接收機4上。GPS接收機4用于實時測量安裝在平地鏟5上GPS天線7的三維坐標。所述AHRS姿態傳感器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。平地鏟拖板9可以相對平地鏟5上下自由活動。所述絕對編碼器6安裝于平地鏟拖板9的轉動軸上，平地鏟拖板9的上下活動可以帶動絕對編碼器6的軸轉動。絕對編碼器6用于將拖板9上下活動的角度轉換為電信號輸出。所述平地機的電磁閥2用于控制平地機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，其相對于平地鏟5不同的角度時， GPS天線7位置b點的高度相對于平地鏟拖板9的底平面a點的高度差H+Ah將不同。b 點的高程值可以直接通過GPS測量出來，平地鏟5的高度H的值可以用尺子測量出來，Ah 的值則是通過絕對編碼器6與GPS共同標定得到，從而得到a點的高程值為b_(H+Ah)。其中，Ah值的標定，是通過GPS與絕對編碼器6共同來標定的。先將平地機I的平地鏟5放到地面，即Ah = O。此時由GPS測出b點的高度值為Hb，同時讀取絕對編碼器 6的值MO。然后慢慢升起平地鏟5只至平地鏟拖板9離開地面。此過程中，數據采集器3 同時實時存儲GPS的高程值Hi和與其相對應的絕對編碼器6的值Mi。(i為正整數)貝U， 平地鏟5升高的高度值Ahi = Hi-Hb。絕對編碼器6的值Mi的值就對應著當前平地鏟5 升高的高度值Ahi。數據采集器3存儲這些相對應的值，給程序提供一個查表的數據庫。平地機I的平地鏟5的升降，是由數據采集器3通過控制電磁閥2來實現的。在三維地形測量中，數據采集器3采集絕對編碼器6的值，然后查表得到平地鏟5的高度值Ah。 通過比較平地鏟5的高度值Ah來控制電磁閥，從而控制平地機I的平地鏟5升降。這個比較值取標定中得到的平地鏟5高度值Ahi中的中間值。當平地鏟5的高度值Ah小于這個比較值時，平地機I的平地鏟5就上升；同理，當平地鏟5的高度值Ah大于這個比較值時，平地機I的平地鏟5就下降。拖板9的上下運動的角度還將控制平地機I的平地鏟 5的升降。
本實施例中，在三維地形測量前，先對Ah值進行標定。然后駕駛平地機I在農田中進行三維地形測量。在平地機I進行三維地形測量中，平地鏟5的平地鏟拖板9時刻與地面相接觸。數據采集器3實時存儲并處理GPS、AHRS姿態傳感器8和絕對編碼器6的數據。地面的經緯度坐標由GPS測量，并通過AHRS姿態傳感器8進行姿態校正得到；地面的高程坐標也是由GPS測量，再減去平地鏟5的高度H和平地鏟5升高的高度值A h，并再次通過AHRS姿態傳感器8進行姿態校正得到。這樣就能快速的得到準確的農田三維地形坐標。
權利要求
1.一種車載農田三維地形測量裝置，其特征在于包括高精度全球定位系統、姿態傳感器、角度測量傳感器、數據采集器和平地機的平地鏟。
2.根據權利要求I所述的車載農田三維地形測量裝置，其特征在于所述高精度全球定位系統包括GPS天線和GPS接收機，GPS天線安裝于平地鏟的主鏟的中間處；GPS接收機安裝于平地機的駕駛室內；GPS天線與GPS接收機相連接；GPS接收機用于實時測量安裝在平地鏟上GPS天線的三維坐標。
3.根據權利要求I所述的車載農田三維地形測量裝置，其特征在于所述姿態傳感器為AHRS姿態傳感器，安裝于GPS天線的正下方，用于校正平地鏟的三維坐標。
4.根據權利要求I所述的車載農田三維地形測量裝置，其特征在于所述角度測量傳感器采用絕對編碼器，安裝于平地鏟拖板的轉動軸上，用于將拖板上下活動的角度轉換為電信號輸出給數據采集器。
5.根據權利要求I所述的車載農田三維地形測量裝置，其特征在于所述數據采集器安裝于平地機的駕駛室內；數據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、電磁閥驅動模塊、顯示模塊以及存儲模塊；數據采集器用于接收和處理GPS接收機、AHRS姿態傳感器和絕對編碼器輸出的信號，然后控制平地鏟的升降。
6.根據權利要求5所述的車載農田三維地形測量裝置，其特征在于所述數據采集器中的微處理器，是用于對系統的初始化、數據的處理和控制電磁閥的PWM的信號輸出；所述數據采集器中的GPS處理模塊，是通過串行接口與微處理器相連接，用于接收GPS 接收機輸出的GPS數據；所述數據采集器中的AHRS處理模塊，是通過串行接口與微處理器相連接，用于接收 AHRS姿態傳感器輸出的AHRS數據；所述數據采集器中的編碼器處理模塊，是用于接收編碼器的數據，并輸送到微處理器中處理；所述數據采集器中的電磁閥驅動模塊，是用于驅動控制平地鏟升降的電磁閥；所述數據采集器中的顯示模塊，是通過并行接口與微處理器相連，用于實時顯示采集的GPS與編碼器的信息；所述數據采集器中的存儲模塊與微處理器相連接，將GPS的坐標數據與處理后的高程數據存儲到SD卡上。
全文摘要
本發明公開了一種車載農田三維地形測量裝置，包括GPS接收機、GPS天線、AHRS姿態傳感器、絕對編碼器、數據采集器和平地機的平地鏟。本發明的測量精度高、作業效率高，操作簡單，而且可用于旱地和水田的三維地形的精準測量。
文檔編號G01S19/42GK102607499SQ201210064388
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者嚴乙桉, 何杰, 周志艷, 廖娟, 羅錫文, 苗峻齊, 資雙飛 申請人:華南農業大學