一种基于gps的农机作业里程计量方法
【专利摘要】一种基于GPS的农机作业里程计量方法，在作业农机上安装GPS装置按照一定频率实时采集经纬度数据并记录，计算相邻采集点之间的距离，根据农机的行进速度和采集频率设置一个范围阈值(0，a)，只有当计算出的相邻采集点之间的距离在该范围内时，才保存该计算结果作为有效距离，并认定两个采集点为有效采集点，否则认定在后的采集点为漂移点，剔除该漂移点并计算该漂移点前的有效采集点与该漂移点后的采集点的距离，以(0，2a)为新的范围阈值，再次计算并判断，依次类推，最后将所有的有效距离累加求和，得到农机作业的总里程，本发明将农机作业路线曲折、重复、绝对距离小等作业条件融合在一起，能够有效、合理、准确的计量出农机作业的里程。
【专利说明】
一种基于GPS的农机作业里程计量方法
技术领域
[0001] 本发明属于智能农业技术领域，特别涉及一种基于GPS的农机作业里程计量方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代农业理论与技术的不断发展，机械化作业正逐渐在我国农业生产中推广 开来。农业机械化是农业现代化的重要内容之一，由于机械化对于提高生产力和节约劳动 成本有着重要作用，我国政府大力支持推广机械化作业，并给予农民一定补贴。这就对农机 作业信息的统计提出了要求，其中重要的一项就是农机的作业里程，由于土地作业的地形 复杂性和小块田地的环境约束，农机作业里程无法准确统计，导致作业信息无法及时准确 的反馈回来。
[0003] 现有的里程统计方法一般为估测法和差分GPS测量法，传统的估测法对于不规整 的田地或者规模较大的田地无法进行准确统计，现有的差分GPS测量法将单点定位的精度 提高到厘米级，能够较为准确的计算两点间的直线距离，适用军用以及航天等远距离的测 量，而农机在田间作业路线曲折迂回过程复杂，且差分GPS设备价格昂贵，每一套的价格是 普通民用GPS的几十倍，不适于大范围的推广，因此现有的差分GPS测量方法无法准确、有效 的统计出每次农机作业的里程信息。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于GPS的农机作业 里程计量方法，该方法通过多次打点，计算相对距离将农机作业路线曲折、重复、绝对距离 小等作业条件融合在一起，能够有效、合理、准确的计量出农机作业的里程，且误差在5%以 下。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种基于GPS的农机作业里程计量方法，在作业农机上安装GPS装置按照一定频率 实时采集经炜度数据并记录，计算相邻采集点之间的距离，根据农机的行进速度和采集频 率设置一个范围阈值(〇，a)，只有当计算出的相邻采集点之间的距离在该范围内时，才保存 该计算结果作为有效距离，并认定两个采集点为有效采集点，否则认定在后的采集点为漂 移点，剔除该漂移点并计算该漂移点前的有效采集点与该漂移点后的采集点的距离，以(〇， 2a)为新的范围阈值，只有当计算出的距离在该新的范围内时，才保存该计算结果作为有效 距离，否则认定在后的采集点为漂移点，剔除该漂移点并计算该漂移点前的有效采集点与 该漂移点后的采集点的距离，以（〇,3a)为新的范围阈值，再次计算并判断，依次类推，最后 将所有的有效距离累加求和，得到农机作业的总里程。
[0007] 相邻采集点之间的距离
，其中，xk为相邻采集点经度方向上的地 面距离，
，0.113为根据经度变换1度对应的地面距离和单位换算 间的关系所得出的参数，Φ为当地的炜度为相邻两点间的经度差值，& = Χι+1-Χι，Χι为坐 标点经度;yk为相邻采集点炜度方向上的地面距离，71<=^\0.113,0.113为根据炜度变换1 度对应的地面距离和单位换算间的关系所得出的参数，^为相邻两点间的炜度差值，yj = yi+i-yi，yi 为坐标点炜度，i，j = 1，2，3......。
[0008] 具体地，农机速度为l〇km/h，可设置采集频率5Hz，范围阈值为0-1.80m，为了保证 第一个采集点为有效点，在待启动作业时的农机静止状态下开始采集坐标数据，第1秒内采 集5个坐标数据，计算其中任两点间的距离，若其中有5段以上距离小于0.20米，则取其中的 一点作为计量开始的第一个点，即第一采集点，否则将数据清零，在农机静止状态下再次采 集坐标数据。
[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0010] 1)本发明提出的一种基于GPS的农机作业里程计量方法能够有效、合理、准确的计 量出每次农机作业的里程，该方法通过融合作业中路线复杂、绝对距离小以及农机行进速 度等作业条件，大大提高了计量精度。
[0011] 2)该方法能够将农机作业过程中重复走过的路线也涵盖进去，无论农机的作业路 线多么复杂也不会发生遗漏，合理反映每次作业里程，避免主观因素造成的计量误差。
[0012] 3)本发明提出的农机作业里程计量方法可以在电子地图上进行标点，并生成路线 轨迹，这不仅便于作业信息的网络化管理，而且可为后期作业里程的数据比对提供依据。
[0013] 4)该方法操作简单，投入成本较低，且避免每次作业里程统计耗费的时间，提高了 作业效率。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明轨迹打点示意图。
[0015] 图2为本发明漂移点示意图。
[0016]图3为在地图上显示农机作业轨迹示意图。
[0017]图4为本发明算法流程图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0019] 本发明一种基于GPS的农机作业里程计量方法的建立及应用过程如下：
[0020] 1算法原理介绍
[0021] 下面结合农机作业行进过程介绍一下里程计量方法原理。首先，装有GPS装置的农 机在作业时，实时采集经炜度数据并记录，农机作业经过的土地便会有GPS经炜度坐标点， 这些经炜度坐标点绘出了农机行进的轨迹路线。那么每两个相邻经炜度坐标点之间就会有 一定的距离，通过转化计算得出每两个相邻经炜度坐标点间的实际地面距离，由于民用GPS 的定位精度较差，会偶尔发生漂移现象，所以根据农机的行进速度和采集经炜度坐标点的 频率划定一个两点之间距离的范围阈值，只有当计算出的距离在此范围内时才进行保存， 否则抛弃该漂移点。最后将保存的有效距离累加求和，此结果就是农机作业的总里程。 [0022]如图1所示，当农机在田间作业时，GPS以选定的频率在行驶轨迹上不断打点，此描 述为较理想状态下的轨迹打点示意图。
[0023]如图2所示，在更为一般的情况下，GPS的坐标记录会偶尔出现漂移现象，此描述为 打点过程中出现的几个漂移坐标点示意图。
[0024]如图3所示，GPS记录的坐标可以与地图结合使用，通过连接一系列的坐标点就画 出了农机作业的轨迹路线，如图中黑色实线所示，并可进行轨迹回放，图中黑点代表农机设 备。
[0025]所述求取有效点之间的准确距离，由于GPS模块存在低精度、漂移以及自身的航向 修正等问题，会对GPS经炜度坐标点分布带来一定的干扰，进而影响里程的精确计量。因此， 需要将出现的漂移点进行剔除，只计算正确有效的坐标点来提高里程的计量精度。
[0026] 2下面结合图3和图4详细介绍该算法流程，该算法详细步骤如下：
[0027]步骤1:设置GPS模块输出频率。该输出频率与农机作业速度有关。经试验验证，由 于农机速度一般为l〇km/h左右，当设置数据频率为5Hz时，每秒五个GPS经炜度数据被记录 时，相同条件下里程计量误差最低。
[0028] 步骤2:采集经炜度坐标，并计算相邻两点间的经炜度差值。差值计算由以下公式 求得：
[0029] Xj = Xi+i-Xi ； (1)
[0030] yj = yi+i-yi； (2)
[0031] (1)式中，Xl为坐标点经度，幻为相邻两点间的经度差值，i，j = l，2,3……；（2)式 中，坐标点炜度，y沩相邻两点间的炜度差值i，j = l，2,3……。
[0032] 步骤3:将两点间的经炜度差值转化为以米为单位的地面距离差值，并计算两点间 的实际直线距离。转换与计算由以下公式求得：
[0036] 其中，（3)式中，处为相邻两点经度方向上的地面距离，0.113为根据经度变换1度 对应的地面距离和单位换算间的关系所得出的参数，Φ为当地的炜度；（4)式中，y k为相邻 两点炜度方向上的地面距离，0.113为根据炜度变换1度对应的地面距离和单位换算间的关 系所得出的参数;（5)式中，z k为相邻两坐标点间的地面实际直线距离。
[0037] 步骤4:选定计量的第一个坐标点，确保其为有效点。由于设备刚上电启动的时候 农机还是静止的，所以认定第一秒的5个点正常是不发生跳动的，计算其中任两点间的距 离，若其中有5段及其以上的距离都小于0.20米则取其中的一点作为计量开始的第一个点， 则确保了第一个点不会发生漂移。
[0038]步骤5:剔除漂移点，保存准确点的有效距离。根据农机作业时的一般速度10km/h 以及GPS坐标读取频率5Hz，假设在农机匀速和打点精确的条件下，每两个点之间的理想距 离应为0.56米。若设定农机上限速度为30km/h，则理想条件下两点间最大距离为1.67米，于 是将1.80米设定为判断是否为有效距离的阈值。判别不等式如下式所示：
[0039] 〇<Zk< 1.80；(6)
[0040] Xm = Xi+2_Xi; (7)
[0041] ym=yi+2-yi； (8)
[0045] 0<zn<3.60；(12)
[0046] 其中，（6)式为判断相邻两点是否为有效距离的不等式，当zk在此范围内则为有效 距离进行保存，若超出此范围则认为出现了漂移点，首先剔除漂移点，再利用(7) -（11)式 来计算剔除漂移点后相邻两点的地面直线距离，zn即为求得的剔除漂移点后的相邻两点距 离，（12)式为再次判断剔除漂移点后的距离是否为有效距离，由于剔除一个点之后计算的 距离实际为理想状态下的3个点的距离，所以由之前的1.80变为3.60。
[0047] 步骤6:剔除漂移点算得的有效距离在保存完毕后进行累加求和，求得的最后结果 即为此次农机作业的总里程。
[0048] 3结果与讨论
[0049] 3.1试验方法
[0050] 本试验农机选用深松作业常用的山拖泰山以及东方红拖拉机。作业时，拖拉机带 深松设备行驶速度一般为15km/h左右。试验在陕西杨凌西北农林科技大学农场进行，试验 时间为2015年8月到10月。
[0051] 采用U-biox公司生产的neo_m8第八代GPS模块采集拖拉机作业时轨迹坐标，该模 块经炜度输出频率范围为1 Hz到10Hz，模块输出频率大小、语句格式可由上位机软件u-center配置。将GPS模块经炜度输出频率设置为5HZXPS模块采集的拖拉机作业时轨迹经炜 度数据保存在U盘。
[0052] 3.2算法验证结果
[0053] 拖拉机分别按照设定的路线轨迹进行深松作业，记录每次作业的实际里程以及原 始GPS经炜度数据。经过该算法用MATLAB软件编程计算，里程计量值与真实值误差在5%以 下。测量结果如下所示：
【主权项】
1. 一种基于GPS的农机作业里程计量方法，在作业农机上安装GPS装置按照一定频率实 时采集经炜度数据并记录，计算相邻采集点之间的距离，其特征在于，根据农机的行进速度 和采集频率设置一个范围阈值(〇， a)，只有当计算出的相邻采集点之间的距离在该范围内 时，才保存该计算结果作为有效距离，并认定两个采集点为有效采集点，否则认定在后的采 集点为漂移点，剔除该漂移点并计算该漂移点前的有效采集点与该漂移点后的采集点的距 离，以(0,2a)为新的范围阈值，只有当计算出的距离在该新的范围内时，才保存该计算结果 作为有效距离，否则认定在后的采集点为漂移点，剔除该漂移点并计算该漂移点前的有效 采集点与该漂移点后的采集点的距离，以(〇,3a)为新的范围阈值，再次计算并判断，依次类 推，最后将所有的有效距离累加求和，得到农机作业的总里程。2. 根据权利要求1所述基于GPS的农机作业里程计量方法，其特征在于，相邻采集点之 间的距离=知:+⑷:，其中，X k为相邻采集点经度方向上的地面距离， Λ) =Λ·, xO.l ,〇. 113为根据经度变换1度对应的地面距离和单位换算间的关系 I 〇0 所得出的参数，φ为当地的炜度，Xj为相邻两点间的经度差值，Xj=Xl+1- Xl，Xl为坐标点经 度;yk为相邻采集点炜度方向上的地面距离，yk=yj X0.113，0.113为根据炜度变换1度对应 的地面距离和单位换算间的关系所得出的参数，^为相邻两点间的炜度差值，η = y i为坐标点韩度，i，j = 1，2，3......。3. 根据权利要求1所述基于GPS的农机作业里程计量方法，其特征在于，设置农机速度 10km/h，采集频率5Hz，范围阈值为0-1.80m。4. 根据权利要求3所述基于GPS的农机作业里程计量方法，其特征在于，在待启动作业 时的农机静止状态下开始采集坐标数据，第1秒内采集5个坐标数据，计算其中任两点间的 距离，若其中有5段以上距离小于0.20米，则取其中的一点作为计量开始的第一个点，否则 将数据清零，在农机静止状态下再次采集坐标数据。
【文档编号】G01C22/00GK105865485SQ201610188034
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】王东, 王孝龙, 马明龙, 张海辉, 张阳
【申请人】西北农林科技大学