专利名称：一种基于gps 和激光技术的高程控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明针对农业机械装备自动化控制技术领域，涉及一种高程控制方法及系统， 尤其涉及一种采用GPS (Global Position System，全球定位系统)技术结合激光技术实现对开沟铺管机田间作业的开沟深度和坡度进行实时控制的方法及系统。
背景技术：
上世纪九十年代以前，开沟铺管机的高程(开沟深度和坡降)一直是通过人工测量并借助机械装置操控，不仅劳动强度大、工作效率低，而且难以避免发生一些人为误差， 影响施工质量。九十年代以后至今，随着农业机械自动化的发展与进步，开沟铺管机的高程控制普遍采用激光制导仪控制完成。基本控制过程如下激光接收器接收来自激光发射器发出的激光信号，通过信号的接收、处理和转换，最后传送给控制器，控制器可根据来自激光接收器的信号，判断激光接收器相对基准参考平面的偏差位置，在控制器面板上实时显示相对高低，并发送相应的控制信号给液压控制系统，使之反馈控制开沟铺管机开沟臂升降，直至激光接收器中心位于激光参考平面内时，便控制开沟铺管机开沟臂保持稳定。激光技术是一种被动式测量高程技术，激光本身并没有时间基准和位置基准。激光控制高程精度目前可以达到2厘米，众所周知，这种方式的激光制导虽然精确，但其作用距离是有限的，尤其是需要通视条件，在有地形阻挡时不可能实施，而在云雾以及烟尘阻挡时有效性也大大降低。目前采用激光控制高程时，需要在作业前人工拿着测量杆对整块地采样，并且当地面起伏较大时，激光接收器可能接收不到信号。而GPS制导基本上没有距离限制，也不受天气和地形限制，但是精确性却不如激光制导。GPS定位系统可以实时测定流动点的位置并提供测量时间，为系统提供WGS84大地测量基准和时间基准。低精度的GPS 接收模块水平测量精度能满足要求，但测量高程坐标时误差较大；高精度的GPS接收模块成本又非常高，因此大多数都选用价格合理、精度较高的、支持RTK(Real Time Kinematic, 实时动态测量)技术的双频GPS-OEM板(RTK GPS-OEM板)来完成测点信息的采集。采用 GPS技术结合激光技术，使其二者优势互补，在开沟铺管机高程自动测控系统中有着较好的应用前景。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开一种基于GPS和激光技术的高程控制方法，用于开沟铺管作业的开沟铺管机，其特征在于，包括步骤100，设置GPS基站并确定激光发射器的位置坐标和固定在开沟臂上的激光接收器的三维坐标；步骤200，判断GPS信号和激光信号是否有效，并进行相应的数据存储和定位信息的处理；步骤300，在空间坐标系中计算出开沟臂底端的三维坐标，驱动开沟臂移动；步骤400，将当前开沟臂高程信号与事先设定的开沟臂高程信号进行比对，确定高程控制信息，实现对深度调节液压缸的控制。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤100包括步骤101，由GPS基站确定激光发射器的位置坐标为Χ0、Υ0、Ζ0，此时GPS天线的坐标为XI、Yl、Ζ1，则可以根据激光发射器发射的斜面坡度计算出激光接收器的位置坐标Χ2、 Υ2、Ζ2。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤200包括步骤201，由同步触发模块不断的向GPS接收模块和激光接收器发送同步脉冲，当判断二者数据传输同步时，数据处理与控制中心予以接收；步骤202，由于GPS接收模块接收的是在WGS84坐标系下的坐标，因此需要将接收到的三维坐标值进行坐标转换，转换成当地空间直角坐标系中的坐标值；步骤203，当地面起伏较大或其它异常情形时，激光接收器接收不到信号，此时以 GPS接收模块接收到的高程信息作为控制依据，判断开沟臂执行的方向，驱动开沟臂移动；步骤204，当激光接收器能接收到激光发射器的信号时，再由GPS接收模块接收到的高程信号和激光接收器接收到的相对高程信号的融合作为微调控制信号。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤300包括步骤301，倾角传感器输出的信号经处理后得到的开沟臂顶端与空间的夹角为 θ、Y、Ψ，开沟臂的长度为Li，则可以计算得到开沟臂底端相对于基点深度位置HO。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤301包括步骤302，当激光接收器丢失信号时，则根据倾角传感器测得的角度和GPS接收模块接收到的坐标信息，计算出此刻开沟臂底端的三维坐标X、Y、Z，将所得开沟臂Z值与HO 进行比较，判断开沟臂执行的方向，驱动开沟臂移动；步骤303，当激光接收器恢复接收到信号后，则可以根据GPS接收模块和激光接收器二者的权重进行数据融合。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤303后，还包括步骤304，通过所得当前开沟臂Z值与HO进行比较实现控制；步骤305，开沟深度许可波动ξ厘米，在[Η0- ξ，HO+ ξ ]区间内可以近似认为所述Z值与HO相一致，此时不需要驱动深度调节液压缸，如果超过该区间，则认为开沟臂过高或者过低，对开沟臂进行控制，使所述Z值与HO达到一致。本发明公开一种基于GPS和激光技术的高程控制系统，用于开沟铺管作业的开沟铺管机，其特征在于，包括GPS定位系统，包括，GPS基站、GPS接收模块、GPS天线；激光系统，包括，激光发射器、激光接收器；数据处理与控制中心，用于采集GPS坐标信号、激光信号和开沟臂角度信号，并将处理后的当前开沟臂的高程与设定高程进行分析比较，判断是否驱动开沟臂；倾角传感器，采用一种三轴加速度传感器，用于反映开沟臂的姿态；液压执行系统，用于实施数据处理与控制中心的高程控制指令，控制电磁阀、深度调节液压缸和开沟臂的动作。所述的高程控制系统，其特征在于，数据处理与控制中心还包括处理单元，用于将GPS定位系统与激光系统的数据信息进行高程定位信息的处理；同步触发模块，用于将所述激光系统中的信号与所述GPS定位系统中GPS定位信号进行同步处理；A/D转换器与数据传输单元，用于将激光系统和GPS定位系统的信息进行A/D转换以及进行I/O接口数据传输处理；控制驱动模块，用于将控制驱动的信号发送至液压执行系统进行操作。所述的高程控制系统，其特征在于，所述液压执行系统还包括电磁阀，用于根据数据处理与控制中心的控制信号开通或关断深度调节液压缸的相应液压回路；深度调节液压缸，用于驱动开沟臂做出升降运动以实现开沟深度的调节。所述的高程控制系统，其特征在于，所述倾角传感器还包括放大器，用于所述倾角传感器通过所述放大器连接到所述A/D转换与数据传输单兀。所述的高程控制系统，其特征在于，还包括显示模块用于通过LCD液晶显示器及其驱动电路显示高程控制数据。本发明还公开一种开沟铺管机，其特征在于，包括上述所述的系统。实施本发明的基于GPS和激光技术的高程控制系统，具有以下效果将GPS定位技术与激光高程测量技术巧妙结合，在正常工作状态时，利用激光接收器接收到的相对高程信息和GPS接收到的信息，精确地测量出激光接收器的三维坐标信息，再结合倾角传感器的角度信号计算出当前开沟臂的高程，实现高程精准控制，此时，GPS主要体现于导航功能； 在地面起伏较大、或超距离作业、或云雾烟尘阻挡等异常情况下，若激光接收器接收不到信号时，控制系统立即切换利用GPS采集到的高程信息作为开沟深度控制信号，使开沟臂按照指定的方向上升或者下降。其不仅实现了 GPS和激光高程信息的融合，可以快速地对开沟臂高程实行动态控制，改善开沟铺管机的工作质量，而且在激光接收器信号丢失的情况下可以利用GPS进行控制，以保证开沟铺管机的工作可靠性。上述基于GPS和激光技术的高程控制系统，其有益效果在于，在进行铺管作业前， 不必利用人工拿着激光接收器进行手工测量农田的相对高程差，以直接驾驶开沟铺管机，利用车体上的GPS进行相对高程差的测量。上述基于GPS和激光技术的高程控制系统，其有益效果在于，当开沟铺管机在农田进行开沟铺管作业时，固定安装在开沟臂上的激光接收器接收到GPS的坐标和激光的高程坐标后，可以在坐标系中根据倾角传感器的角度计算出当前开沟臂顶端和底端的三维坐标，这样可以既能实现实时监控开沟臂的摆放状态，又能控制开沟臂始终处于垂直面(相对于水平面)，以保证开沟深度的稳定性，提高开沟铺管机的作业质量。
图1为本发明基于GPS和激光技术的高程控制系统组成示意图；图2为本发明倾角传感器三维倾角示意图；图3为本发明基于GPS和激光技术的高程控制系统原理框图；图4为本发明基于GPS和激光技术的高程控制系统具体实施方式
的工作流程6
图5为本发明基于GPS和激光技术的高程控制方法流程图。
具体实施例方式下面给出本发明的具体实施方式
，结合附图对本发明做出进一步的描述。如附图1所示，在本发明的一实施例中，基于GPS和激光技术的高程控制系统主要包括GPS基站1、激光发射器2、GPS接收模块3、激光接收器4、GPS天线5、数据处理与控制中心6、测量杆7、开沟臂8、深度调节液压缸9、倾角传感器10、管箱11等。其中，所述GPS 接收模块3、激光接收器4、倾角传感器10分别与所述数据处理与控制中心6连接。所述 GPS天线5安装在测量杆7的顶端，所述激光接收器4固定在测量杆7上部(与GPS天线5 保持设定距离)，所述激光发射器2固定在三脚架上。所述GPS接收模块3采用RTK GPS-OEM板，具有接收GPS信号、处理信号、输出观测信号和定位结果等功能，用标准的NMEA-0183协议格式输出定位信息，支持串行通信。GPS 天线5采用高精度测量型天线。GPS基站1与激光发射器2之间的距离为a，激光接收器4 与GPS天线5的距离为b，激光接收器4与开沟臂8顶端回转中心距离为c，其中a、b、c (为常数)的距离数值可视施工情形现场确定。所述激光发射器2采用常用大作用范围的单坡激光发射器。所述激光接收器4采用一种基于集成IC的激光接收器，其接收器共采用数十片硅光电池加滤光片，分成多层多列，以保证有较大的垂直工作范围和360°全方位工作面。所述测量杆7采用具有较好刚性、且高度能与开沟深度相匹配的固定杆。所述倾角传感器10采用一种三轴加速度传感器，用来反映开沟臂8的姿态。在实施中，为了得到同步数据，在数据处理与控制中心6设置有一个同步触发模块，对GPS接收模块和激光接收器实施同步触发。该模块由时延电路产生的延时信号，经过反相器三极管及放大电路进行功率放大产生触发可控硅的脉冲，最后由动作触发脉冲电路产生同步多路脉冲。在数据处理与控制中心6设置的显示模块主要是IXD液晶显示器，可以显示当前时钟信息、位置信息、速度信息、等等。并通过红，绿，黄三种颜色的发光二极管分别表示开沟臂8的状态过高，适中，过低。整个系统所需电能由DC/DC开关电源提供，电源输入由开沟铺管机自带的蓄电池提供。电源具有多电压输出接口，具备稳定可靠的供电能力，RTK GPS-OEM板和激光系统都提供宽压电源接口。GPS是6 18V，激光系统是11 15V，所以电源采用12V电压，提供多路输出稳压接口。开沟铺管机在进行开沟铺管作业时，对开沟臂8的高程控制大致分为以下四个步骤一，设置GPS基站1并确定激光发射器2的位置坐标；二，确定固定在开沟臂8上的激光接收器4的三维坐标；三，在空间坐标系中计算出开沟臂8底端的三维坐标；四，将当前高程与事先设定高程比对，实现对深度调节液压缸9的控制。在高程控制过程中，首先是由同步触发模块不断的向GPS接收模块3和激光接收器4发送同步脉冲，当判断二者数据传输同步时，数据处理与控制中心6才予以接收。由于 GPS接收模块3接收的是在WGS84坐标系下的坐标，因此需要将接收到的三维坐标值进行坐标转换，转换成当地空间直角坐标系中的坐标值，以便于后续处理。当地面起伏较大或其它异常情形时，激光接收器4接收不到信号，此时便以GPS接收模块3接收到的高程信息作为控制依据，判断开沟臂8执行的方向，驱动开沟臂8移动。当激光接收器4能接收到激光发射器2的信号时，再由GPS接收模块3接收到的高程信号和激光接收器4接收到的相对高程信号的融合作为微调控制信号。假设由GPS基站1确定激光发射器2的位置坐标为(X0，Y0, Z0)，此时GPS天线5 的坐标为(X1，Y1，Z1)，则可以根据激光发射器2发射的斜面坡度计算出激光接收器应当在位置(Χ2，Υ2，Ζ2)上。又假设倾角传感器10输出的信号经处理后得到的开沟臂8顶端与空间的夹角为(Θ，γ，ψ)，θ为俯仰角，Υ为横滚角，Ψ为航向角或方位角，详见附图2。开沟臂8的长度为Li，则可以计算得到开沟臂8底端相对于基点(激光发射器2的位置点) 深度位置Η0。当激光接收器4丢失信号时，则根据倾角传感器10测得的角度和GPS接收模块3接收到的坐标信息，计算出此刻开沟臂8底端的三维坐标(X，Y，Ζ)，将所得Z值与HO 进行比较，判断开沟臂8执行的方向，驱动开沟臂8移动。当激光接收器4恢复接收到信号后，则可以根据GPS和激光二者的权重进行数据融合，当开沟铺管机离激光发射器距离较近(如400米以内)时，则主要以激光信号为主，GPS信号为辅，当距离较远时(如400米以外)，则主要以GPS信号为主，这样可以扩大开沟铺管机的作业范围。控制过程如上所述，通过所得当前开沟臂Z值与HO进行比较来实现控制。在实际应用中，开沟深度许可波动ξ厘米(ξ为允许误差，有具体数值，根据施工要求和设备精度而定)，在[Η0- ξ，HO+ ξ ]区间内可以近似认为Z与HO相一致，此时不需要驱动深度调节液压缸9。如果超过这个区间，则认为开沟臂8过高或者过低，需要对其进行控制，设计中有两路控制信号，分别是上升和下降两路信号，通过驱动深度调节液压缸9伸缩，最终达到准确控制开沟臂8的目的。如图3本发明提供一种基于GPS和激光技术的高程控制系统，它包括GPS定位系统20，该系统包括GPS基站1、GPS接收模块3、GPS天线5 ；激光系统30包括，激光发射器2、激光接收器4。数据处理与控制中心6，包括，处理单元41、A/D转换器与数据传输单元42、同步触发模块43、和控制驱动模块44。显示模块50用于显示开沟铺管机的开沟臂8的开沟深度是否符合设定的要求，其中显示模块50根据数据处理与控制中心6的信息显示“过高”、“适中”、“过低”。倾角传感器10，用来反映开沟臂8的姿态。液压执行系统，用于实施数据处理与控制中心的高程控制指令，控制电磁阀、深度调节液压缸和开沟臂的动作。电磁阀60，用于根据数据处理与控制中心6的信息控制深度调节液压缸9，从而驱动开沟臂8运动。其中，所述GPS接收模块3、激光接收器4、倾角传感器10分别连接至所述数据处理与控制中心6。所述数据处理与控制中心6用于采集GPS坐标信号、激光高程信号和开沟臂8角度信号，并将处理后的当前开沟臂8的高程与设定高程进行分析比较，判断是否驱动液压执行系统(含电磁阀、深度调节液压缸和开沟臂)。主要包括计算机中央处理单元41、A/D 转换与数据传输单元42、控制驱动模块44、同步触发模块43、显示模块50和供电电源等。
所述GPS基站1用于定点测量基站自身及激光发射器2所处的位置坐标，并向数据处理与控制中心6提供参考点。所述激光发射器2作为光源用于向激光接收器4提供参考激光平面。所述GPS接收模块3用于测量安装在开沟臂8上激光接收器4的位置坐标并提供测量时间，在激光接收器4出现异常接收不到信号时可以利用所述的GPS接收模块3的高程信息迅速介入控制，为系统提供WGS84大地测量基准和时间基准，同时将坐标信息发送至数据处理与控制中心6。所述激光接收器4用于测量自身相对激光平面(由激光发射器2提供)所在的高低位置，并将高程信号发送至所述数据处理与控制中心6。所述同步触发模块43用于GPS和激光系统二者集成时，使数据保持同步。所述倾角传感器10用于测量当前开沟臂8的姿态信息，并将信号发送至所述数据处理与控制中心6。所述显示模块50用于显示高程信息，并通过发光二极管显示过高、适中、过低三种情形状态，便于直观了解开沟臂8作业状态。本发明所述的基于GPS和激光技术的高程控制系统中，所述GPS定位系统20包括 GPS接收模块3 (RTK GPS-OEM板)和GPS天线5，其中，所述GPS接收模块3与所述同步触发模块连接。本发明所述的基于GPS和激光技术的高程控制系统中，所述激光系统包括激光发射器2和激光接收器4，其中，激光接收器4连接至所述同步触发模块。本发明所述的基于GPS和激光技术的高程控制系统中，所述同步触发模块包括外部触发电路，用脉冲信号实现同步触发。本发明所述的基于GPS和激光技术的高程控制系统中，所述开沟臂8倾角传感器 10包括倾角传感器和放大器，其中，所述倾角传感器通过所述放大器连接到所述A/D转换与数据传输单元。本发明所述的基于GPS和激光技术的高程控制系统中，所述显示模块50包括IXD 液晶显示器及其驱动电路。实施本发明的基于GPS和激光技术的高程控制系统，具有以下效果将GPS定位技术与激光高程测量技术巧妙结合，在正常工作状态时，利用激光接收器接收到的相对高程信息和GPS接收到的信息，精确地测量出激光接收器的三维坐标信息，再结合倾角传感器的角度信号计算出当前开沟臂8的高程，实现高程精准控制，此时，GPS主要体现于导航功能；在地面起伏较大、或超距离作业、或云雾烟尘阻挡等异常情况下，若激光接收器接收不到信号时，控制系统立即切换利用GPS采集到的高程信息作为开沟深度控制信号，使开沟臂8按照指定的方向上升或者下降。其不仅实现了 GPS和激光高程信息的融合，可以快速地对开沟臂8高程实行动态控制，改善开沟铺管机的工作质量，而且在激光接收器信号丢失的情况下可以利用GPS进行控制，以保证开沟铺管机的工作可靠性。上述基于GPS和激光技术的高程控制系统，其有益效果在于，在进行铺管作业前， 不必利用人工拿着激光接收器进行手工测量农田的相对高程差，可以直接驾驶开沟铺管机，利用车体上的GPS进行相对高程差的测量。上述基于GPS和激光技术的高程控制系统，其有益效果在于，当开沟铺管机在农田进行开沟铺管作业时，固定安装在开沟臂8上的激光接收器接收到GPS的坐标和激光的高程坐标后，可以在坐标系中根据倾角传感器的角度计算出当前开沟臂8顶端和底端的三维坐标，这样可以既能实现实时监控开沟臂8的摆放状态，又能控制开沟臂8始终处于垂直面(相对于水平面)，以保证开沟深度的稳定性，提高开沟铺管机的作业质量。如图4所示为基于GPS和激光技术的高程控制的步骤S301，进行系统的初始化；S302，判断GPS数据是否有效，如果判断GPS数据有效，则执行步骤S303 ；S303,判断激光数据是否有效，如果激光数据有效，则执行步骤S304，否则执行步骤 S305 ；S304，检测是否有同步信号，如果有同步信号执行步骤S306，否则执行步骤S303 ；S305，接收GPS信息，然后执行步骤S306 ；S306，存储数据并处理定位信息，执行步骤S307 ；S307，解算出开沟臂当前高程，执行步骤S308 ；S308,是否与设定的高程相同，如果相同执行步骤S309，否则执行步骤S310 ；S309，不接通电磁阀；S310，接通电磁阀；然后执行步骤S311 ；S311，驱动深度调节液压缸，然后执行步骤S312 ；S312，控制开沟臂至设定高程。如附图5所示本发明公开一种基于GPS和激光技术的高程控制方法，其特征在于， 包括步骤100，设置GPS基站并确定激光发射器的位置坐标和固定在开沟臂上的激光接收器的三维坐标；步骤200，判断GPS信号和激光信号是否有效，并进行相应的数据存储和定位信息的处理；步骤300，在空间坐标系中计算出开沟臂底端的三维坐标，驱动开沟臂移动；步骤400，将当前开沟臂高程信号与事先设定的开沟臂高程信号进行比对，确定高程控制信息，实现对深度调节液压缸的控制。
所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤100包括步骤101，由GPS基站确定激光发射器的位置坐标为Χ0、Υ0、Ζ0，此时GPS天线的坐标为XI、Yl、Ζ1，则可以根据激光发射器发射的斜面坡度计算出激光接收器的位置坐标Χ2、 Υ2、Ζ2。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤200包括步骤201，由同步触发模块不断的向GPS接收模块和激光接收器发送同步脉冲，当判断二者数据传输同步时，数据处理与控制中心予以接收；步骤202，由于GPS接收模块接收的是在WGS84坐标系下的坐标，因此需要将接收到的三维坐标值进行坐标转换，转换成当地空间直角坐标系中的坐标值；步骤203，当地面起伏较大或其它异常情形时，激光接收器接收不到信号，此时以 GPS接收模块接收到的高程信息作为控制依据，判断开沟臂执行的方向，驱动开沟臂移动；步骤204，当激光接收器能接收到激光发射器的信号时，再由GPS接收模块接收到
10的高程信号和激光接收器接收到的相对高程信号的融合作为微调控制信号。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤300包括步骤301，倾角传感器输出的信号经处理后得到的开沟臂顶端与空间的夹角为 θ、Y、Ψ，开沟臂的长度为Li，则可以计算得到开沟臂底端相对于基点深度位置HO。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤301包括步骤302，当激光接收器丢失信号时，则根据倾角传感器测得的角度和GPS接收模块接收到的坐标信息，计算出此刻开沟臂底端的三维坐标X、Y、Z，将所得开沟臂Z值与HO 进行比较，判断开沟臂执行的方向，驱动开沟臂移动；步骤303，当激光接收器恢复接收到信号后，则可以根据GPS接收模块和激光接收器二者的权重进行数据融合。所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤303后，还包括步骤304，通过所得当前开沟臂Z值与HO进行比较实现控制；步骤305，开沟深度许可波动ξ厘米，在[Η0- ξ，HO+ ξ ]区间内可以近似认为所述Z值与HO相一致，此时不需要驱动深度调节液压缸，如果超过该区间，则认为开沟臂过高或者过低，对开沟臂进行控制，使所述Z值与HO达到一致。本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
权利要求
1.一种基于GPS和激光技术的高程控制方法，用于开沟铺管作业的开沟铺管机，其特征在于，包括步骤100，设置GPS基站并确定激光发射器的位置坐标和固定在开沟臂上的激光接收器的三维坐标；步骤200，判断GPS信号和激光信号是否有效，并进行相应的数据存储和定位信息的处理；步骤300，在空间坐标系中计算出开沟臂底端的三维坐标，驱动开沟臂移动；步骤400，将当前开沟臂高程信号与事先设定的开沟臂高程信号进行比对，确定高程控制信息，实现对深度调节液压缸的控制。
2.如权利要求1所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤100包括步骤101，由GPS基站确定激光发射器的位置坐标为Χ0、Υ0、Ζ0，此时GPS天线的坐标为 XI、YU Ζ1，则可以根据激光发射器发射的斜面坡度计算出激光接收器的位置坐标Χ2、Υ2、 Ζ2。
3.如权利要求1所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤200包括步骤201，由同步触发模块不断的向GPS接收模块和激光接收器发送同步脉冲，当判断二者数据传输同步时，数据处理与控制中心予以接收；步骤202，由于GPS接收模块接收的是在WGS84坐标系下的坐标，因此需要将接收到的三维坐标值进行坐标转换，转换成当地空间直角坐标系中的坐标值；步骤203，当地面起伏较大或其它异常情形时，激光接收器接收不到信号，此时以GPS 接收模块接收到的高程信息作为控制依据，判断开沟臂执行的方向，驱动开沟臂移动；步骤204，当激光接收器能接收到激光发射器的信号时，再由GPS接收模块接收到的高程信号和激光接收器接收到的相对高程信号的融合作为微调控制信号。
4.如权利要求1所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤300包括步骤301，倾角传感器输出的信号经处理后得到的开沟臂顶端与空间的夹角为θ、γ、 Ψ，开沟臂的长度为Li，则可以计算得到开沟臂底端相对于基点深度位置Η0。
5.如权利要求4所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤301包括步骤302，当激光接收器丢失信号时，则根据倾角传感器测得的角度和GPS接收模块接收到的坐标信息，计算出此刻开沟臂底端的三维坐标X、Y、Ζ，将所得开沟臂Z值与HO进行比较，判断开沟臂执行的方向，驱动开沟臂移动；步骤303，当激光接收器恢复接收到信号后，则可以根据GPS接收模块和激光接收器二者的权重进行数据融合。
6.如权利要求5所述的高程控制方法，其特征在于，所述步骤303后，还包括步骤304，通过所得当前开沟臂Z值与HO进行比较实现控制；步骤305，开沟深度许可波动ξ厘米，在[Η0-ξ，Η0+ξ]区间内可以近似认为所述Z值与HO相一致，此时不需要驱动深度调节液压缸，如果超过该区间，则认为开沟臂过高或者过低，对开沟臂进行控制，使所述Z值与HO达到一致。
7.一种基于GPS和激光技术的高程控制系统，用于开沟铺管作业的开沟铺管机，其特征在于，包括GPS定位系统，包括，GPS基站、GPS接收模块、GPS天线；激光系统，包括，激光发射器、激光接收器；数据处理与控制中心，用于采集GPS坐标信号、激光信号和开沟臂角度信号，并将处理后的当前开沟臂的高程与设定高程进行分析比较，判断是否驱动开沟臂； 倾角传感器，采用一种三轴加速度传感器，用于反映开沟臂的姿态； 液压执行系统，用于实施数据处理与控制中心的高程控制指令，控制电磁阀、深度调节液压缸和开沟臂的动作。
8.如权利要求7所述的高程控制系统，其特征在于，数据处理与控制中心还包括 处理单元，用于将GPS定位系统与激光系统的数据信息进行高程定位信息的处理； 同步触发模块，用于将所述激光系统中的信号与所述GPS定位系统中GPS定位信号进行同步处理；A/D转换器与数据传输单元，用于将激光系统和GPS定位系统的信息进行A/D转换以及进行I/O接口数据传输处理；控制驱动模块，用于将控制驱动的信号发送至液压执行系统进行操作。
9.如权利要求7所述的高程控制系统，其特征在于，所述液压执行系统还包括电磁阀，用于根据数据处理与控制中心的控制信号开通或关断深度调节液压缸的相应液压回路；深度调节液压缸，用于驱动开沟臂做出升降运动以实现开沟深度的调节。
10.如权利要求7所述的高程控制系统，其特征在于，所述倾角传感器还包括放大器，用于所述倾角传感器通过所述放大器连接到所述A/D转换与数据传输单元。
11.如权利要求7所述的高程控制系统，其特征在于，还包括显示模块用于通过IXD 液晶显示器及其驱动电路显示高程控制数据。
12.—种开沟铺管机，其特征在于，包括权利要求7-11所述的系统。
全文摘要
本发明公开一种基于GPS和激光技术的高程控制方法，用于开沟铺管作业的开沟铺管机，其特征在于，包括步骤100，设置GPS基站并确定激光发射器的位置坐标和固定在开沟臂上的激光接收器的三维坐标；步骤200，判断GPS信号和激光信号是否有效，并进行相应的数据存储和定位信息的处理；步骤300，在空间坐标系中计算出开沟臂底端的三维坐标，驱动开沟臂移动；步骤400，将当前开沟臂高程信号与事先设定的开沟臂高程信号进行比对，确定高程控制信息，实现对深度调节液压缸的控制。
文档编号E02F5/10GK102518160SQ20111044240
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者伟利国, 张小超, 段京云, 王丽丽, 胡小安, 赵化平 申请人:中国农业机械化科学研究院, 北京天顺长城液压科技有限公司