引言

      為了節約農業用水, 提高農藥、 化肥和除草劑的使用效率, 農田精細平整越來越受到重視。 激光控制平地技術進行農田平整, 可有效提高農田的平整精度, 提高農田灌溉水的利用率, 從而實現精細地面灌溉[1~ 3] 。 激光平地機在 旱地平整中已 經得到應用[ 4~ 6] 。 我國南方水田硬底層高低不平, 為此華南農業大學工程學院研制了水田激光平地機。 該水田激光平地機在水田平地作業中, 不但實現了平地鏟高低可調, 而且能保證平地鏟水平可控, 使平地鏟在工作過程中始終保持在與激光束平面平行的一個平面上[ 7~ 8] 。 大面積生產實驗結果表明, 水田激光平地機平整精度能很好地滿足水稻種植農藝要求[9] 。水田平整作業中平地鏟的水平程度對平整精度影響很大, 為了對水田激光平地機的平地鏟傾角檢測和控制性能進行評定, 本文采用 2 個超聲波傳感器對水田激光平地機平地鏟傾角檢測和控制性能進行評定。

1 超聲波傳感器測量傾斜角的原理
1.1 超聲波測距原理

      超聲波測距的基本原理是超聲波發射傳感器發出聲波, 聲波遇到被測物體返回至超聲波接收傳感器, 根據聲波的傳輸時間, 即可計算出被測距離

      式中 c 為聲波在空氣中的傳播速度, 在 20 e , 一個標準大氣壓下 c= 343 m/ s。

1.2 超聲波測傾斜角原理

      超聲波可用于物體傾斜測量[ 10] 。 如圖 1 所示,在被測物體兩端各安裝一個超聲波傳感器, 通過測量被測物體兩端與參考水平面的距離, 即可得到被測物體的傾斜角度。 被測物體與參考平面之間的夾角即圖中角度 H, 設超聲波傳感器 1 和超聲波傳感器 2 測量的距離分別為 L1 和 L2, 則被測物體的傾斜角度 H與 L1、 L 2 關系為

2、超聲波傳感器測量的影響因素

2.1溫度對距離測量的影響

      一般認為, 超聲波在空氣中傳播時, 聲音的傳播速度受環境溫度的影響。 聲速與溫度的關系 為式中 T ) ) ) 攝氏溫度, e

      為了降低超聲波在空氣中傳播速度受環境的影響, 采用數字溫度傳感器 DS18B20 檢測環境溫度實現溫度補償, 其測溫分辨率可達 015e 。 為了了解SensComp 600 超聲波傳感器距離測量精度, 將傳感器固定于 800 mm 的高度, 使其垂直向地面發送聲波。 如圖 2 所示是超聲波傳感器連續近 30 min 測量距離數據曲線。 由圖可知, SensComp 600超聲波傳感器在靜態條件下測量距離精度 高, 平均誤差0102 mm, 最大誤差 8 mm。

圖 2 超聲波傳感器靜態距離測量

2.2 正常接收回波的有效角度

      利用超聲波傳感器測量物體 傾斜角度, 聲波 必然會與反射面( 參考平面)形成一定 角度, 如 圖 3 所示。 傾斜角度太大必定無法接收 到回波, 由實驗 測得, SensComp 600 超聲 波傳感器有效測得的最大傾斜角度為 A= 2216b。

2.3 運動對回波接收的影響

      由于測量過程中超聲波傳感器相對地面是運動的, 因此會出現接收到的聲波頻率與發射的聲波頻率不同的現象, 即多普勒效應[ 12] 。 聲波從傳感器射到地面的頻率與地面接收頻率之間的關系為

      聲波由地面反射至傳感器, 傳感器接收到的頻率為

      傳感器面向運動方向時, 式中取負號; 反之, 傳感器面向運動相反方向時取正號。
      實驗證明, 因超聲波傳感器隨平地鏟運動速度低, 不影響回波正常接收。

2.4 與姿態傳感器對比
      為了驗證超聲波傳感器能否準確測量 傾斜角度, 采用姿態與航向參考系統( attitude and headingreference system) AHRS500GA2226[ 13] 作為 參考 傳感器。 該傳感器測量被安裝物體的歐拉方位角( 航向、 俯仰與橫滾角) , 它內置三軸磁場計、3 個陀螺儀和 3 個加速度計, 能高精度、 高靈敏地測出 360b范圍的方位角,  本實驗將其 Y 軸順著一長木板長度方向安裝, 其測定的俯仰角即為木板實際傾角。 而 2 個超聲波傳感器分別安裝于木板兩端, 距離為 2185 m, 木板離地高度 017 m。單片機 C8051F040 實現超聲波傳感器的控制、 距離和角度計算, 并保存 AHRS500GA2226 的俯仰角, 同時通過 RS232 發送至計算機中保存。

      如圖 4 所示, 是超聲波傳感器和 AHRS500GA2226 分別測量到的木板傾斜角度。 實驗結果表明利用 2 個超聲波傳感器測量傾斜角度靜態測量時最大測量偏差 0108b; 動態測量 時最大測量偏 差 1100b。因此, 傳感器的運動對超聲波測距精度影響較小, 采用 2 個超聲波傳感器測量傾斜角度是可行的。

圖 4 與姿態傳感器對比曲線

3 實驗平臺和性能評定實驗

3.1 水田激光平地機平臺

      本文評定的水田激光平地機由2部分組成: 高程控制部分和 水平控制部分[8] 。 平地鏟與插 秧機底盤通過三點懸掛方式連接, 高程控制器根據激光接收器測得的激光發射器發出的激光信號控制雙作用油缸伸縮, 實現平地鏟提升或下降, 從而保證平地鏟處于設定的高度。 整個平地鏟( 鏟長 3 ) 可相對于懸掛裝置旋轉, 平地鏟的傾角由水平控制系統融合美國 D 公司生產的 M MS 慣性傳感器( 加速度計 DXL 3 和陀螺儀 DXRS3 ) 信號得到, 通過雙作用油缸使平地鏟保持水平。 因此, 平地鏟能夠實現高度方向和水平方向聯合控制, 使平地鏟在工作中始終處于某一與激光平面平行的水平面內。

3.2 性能評定實驗
      為了對水田激光平地機的平地鏟傾角檢測和控制性能進行評定, 根據超聲波測量傾角的原理, 將兩超聲波傳感器分別安裝于水田激光平地機平地鏟兩端, 如圖 5 所示, 2 個超聲波傳感器相距 2185 m, 超聲 波 傳 感 器 工 作 及 距 離 和 角 度 運 算 由 單 片 機C8051F040 完成。 同時, 單片機通過一個串口接收平地鏟水平控制系統發出的平地鏟傾斜信息, 并通過另一個串口將各種數據實時輸出, 由 PC 機將這些數據保存及進行分析。

圖 5 測試實驗平臺及傳感器安裝
       測試時將 3 m 長平地鏟提升至離地面約015 m。按實驗方案人工搖晃平地鏟( 平地鏟作平面運動) ,超聲測試系統采集記錄實時數據。

4 結論
( 1) 采用 2 個超聲波傳感器測量傾斜角度是可行的, 靜態與動態測量精度分別為 0108b和 1100b。

( 2) 水田激光平地機平地鏟傾斜角采用 1 個低成 本 的 加 速 度 計 ADXL203 與 1 個 陀 螺 儀ADXRS300, 通過融合 角度信息能準確地得到平地鏟實時傾角, 一般誤差不超過 1b。

( 3) 水田激光平地機水平控制系統能較好地控制平地鏟水平, 能滿足水田平整作業的需要。

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