农机具深松作业的远程实时监测系统及面积测算方法

文档序号:10623579阅读:1341来源:国知局
农机具深松作业的远程实时监测系统及面积测算方法
【专利摘要】本发明公开了一种农机具深松作业的远程实时监测系统及面积测算方法,包括实时监测终端和深松系统管理平台,所述实时监测终端包括主控MCU模块以及分别与所述主控MCU模块连接的耕深测量模块、导航定位模块、数据存储模块和与所述深松系统管理平台实现信息交互的通讯模块;所述耕深测量模块包括分别与所述主控MCU模块相应输入端连接的农具标签模块、安装在下拉杆上的第一倾角传感器和安装在犁架上的第二倾角传感器。本发明采用倾角传感器测量耕深深度,不仅解决了测距类传感器易受地面不平、秸秆肥料拥堵对测深结果的影响,而且通过在犁架上安装第二倾角传感器可监测深松犁的水平变化状态提供准确的耕深测量。
【专利说明】
农机具深松作业的远程实时监测系统及面积测算方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种农机具深松实时监测系统,尤其是一种农机具深松作业的远程实 时监测系统及面积测算方法。
【背景技术】
[0002] 目前,我国农业生产方式已经实现了 W机械化作业为主的时代,随着农村劳动力 的城市转移,农业机械在农业生产的各个领域被广泛应用,农业生产对农业机械的依赖性 越来越强,农业机械化水平越来越高,农民对农业机械田间作业的质量要求也越来越高。如 何提高对田间作业的管理水平进而提高粮食作物单产,运对农机管理部口来说是新的挑 战。
[0003] 最近几年来,国家为提高粮食作物单产,改善我国农村耕地耕层结构,提升±壤抗 旱排溃能力,在农机化生产中,一直坚持实行W深松为重点的轮耕制,即每=年深 松一次,其它两年采取少耕或免耕作业,并对使用者给予一定的作业补贴,但深松作业面积 的准确认定和作业质量的检测始终是开展深松作业补助的难点。
[0004] 目前我国对于耕深的测量大部分还是采用人工化开机具作业过的±层,露出作业 ±层的底部,然后采用钢板尺进行测量的方法。运种方式不仅劳动强度大,而且靠化开作业 后的±层来确定沟底,带有不确定性,使测量不准确,并且无法连续地记录耕深数据。另外 现有的专利技术中采用超声波传感器计算耕深无法避免地面不平、賴杆肥料拥堵对测深结 果的影响;仅在深松作业机构负载架后端的较接轴上安装角度传感器无法监测深松準的水 平状态变化,不能避免有些机手田间作业偷工减料,提準浅耕,得不到深松效果。
[0005] 由于检测手段的落后和人为因素的影响,抽查到的作业地块也无法保证达到标 准,且现有的面积测算模型无法解决覆盖作业重复计算的问题,造成每年都有虚报面积现 象发生。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的是解决深松深度的在线测量和实时传输W及深松面积的准确测算 问题,其利用倾角传感器实时监测深松準的运行状态,借助车载终端的导航定位模块和深 松系统管理平台的面积测算模块构建面积测算模型可W解决重复作业、重复计算亩数的问 题,从而有效保障深松质量,并有效监控深松面积。
[0007] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是: 一种农机具深松作业的监测系统,包括实时监测终端和深松系统管理平台,所述实时 监测终端包括主控MCU模块W及分别与所述主控MCU模块连接的耕深测量模块、导航定位模 块、数据存储模块和与所述深松系统管理平台实现信息交互的通讯模块; 所述耕深测量模块包括分别与所述主控MCU模块相应输入端连接的农具标签模块、安 装在下拉杆上的第一倾角传感器和安装在準架上的第二倾角传感器。
[000引所述主控MCU模块接收第一倾角传感器和第二倾角传感器的测量值,并按照下述 (I) 公式实时计算耕深数据: 其中,Bt表示耕深深度,单位mm; 叫表示第一倾角传感器的倾角测量值,单位% 冉表示第二倾角传感器的倾角测量值,单位% Hn表示深松机平放时的高度,单位mm; Ly表示前、后两排深松齿之间的距离,单位mm; La表示下拉杆长度,单位mm; Lt表示準伊端部至準臂的垂直距离,单位mm; 每表示下拉杆与农机的较接端距离地面的高度,单位mm。
[0009] 上述技术方案中,深松系统管理平台与分布在各地的实时监测终端之间借助通讯 模块可W实现信息交互,实时监测终端将采集的作业信息、耕深数据、导航信息、车辆状况、 农具参数等信息实时传送给深松系统管理平台;深松系统管理平台能够统计和记录所有安 装有实时监测终端的农机具的作业数据,并根据作业信息和行驶轨迹计算深松面积。
[0010] 所述深松系统管理平台与各个实时监测终端相互交互,包括W下模块: 面积测算模块,利用实时监测终端上传的车辆位置坐标信息和作业信息,计算深松机 在选定时间内的深松面积; 车辆管理模块,用于提供车辆信息、位置定位、历史轨迹、车辆报警和地图显示; 农具管理模块,用于对农具类别、编码和参数进行信息管理。
[0011] 基于上述的农机具深松作业的远程实时监测系统的面积测算方法,包括W下步 骤:步骤一、根据达到深松要求的耕深数据,确定深松的轨迹队列,W耕幅为宽、沿所述深松 的轨迹进行扫描,每条连续轨迹生成一个多边形,按轨迹队列的顺序分别生成多边形1、多 边形2……多边形n,并计算生成的多边形面积,分别为Si、S2……Sn; 步骤二、根据多边形的顶点生成最小外包矩形,分别对应记为矩形1、矩形2……矩形n; 步骤=、按照顺序判断矩形j和矩形j+1是否相交,当相交时,执行步骤五,当不相交时, Sj, W=O,执行步骤四;其中,j取值巧Ijn-I; 步骤四、按照顺序提取下一组矩形,重复步骤=,当所有矩形判断完毕后,执行步骤六; 步骤五、判断矩形对应的多边形是否相交,当相交时,计算相邻多边形相交面积 当不相交,Sj,j+i=0;然后返回步骤四; 步骤六、按照下述公式计算深松面积:
(H) 其中,S表示深松面积,Si表示多边形的面积,W表示相邻多边形之间的相交面积。
[0012] 上述技术方案中面积测算模块借助导航定位模块获取车载实时监测终端的经缔 度坐标位置信息,并发送到深松系统管理平台,平台根据坐标点信息及耕深信息形成轨迹 队列,然后根据耕幅、每个轨迹队列生成一个多边形,判断并计算相邻多边形重叠面积,即 可得到地块深松总面积。为了便于判断相邻多边形的重叠,通过多边形最小外包矩形是否 相交进行判断,即先判断外包矩形是否相交,若外包矩形不相交则重新开始另一组外包矩 形的判断;若外包矩形相交再判断两个多边形是否相交,若两个多边形相交则求出相交面 积,若两个多边形不相交,则重新进行另一组外包矩形的判断。相对于落后的人工检测手 段,上述技术方案中的实时监测系统提高了深松作业面积的准确性,避免了虚报面积现象 的发生。
[0013] 采用上述技术方案产生的有益效果在于:(1)本发明采用倾角传感器测量耕深深 度,不仅解决了测距类传感器易受地面不平、賴杆肥料拥堵对测深结果的影响,而且通过在 準架上安装第二倾角传感器可监测深松準的水平变化状态,防止深松过程中提準浅耕或更 换小準头进行浅耕,从而提供准确的耕深测量,对深松作业质量进行实时监控,通过改善耕 整质量,促进农业增效、农民增收;(2)面积测算方法基于面积测算模块构建的面积测算模 型,不需要价格昂贵的高精度定位设备,从而降低了监测成本,而且构建的面积测算模型可 W对覆盖作业进行准确判断,防止计算面积偏大,能够有效防止虚报面积现象发生,从而为 深松补贴的合理发放提供依据;(3)在进一步改进的方案中,设置摄像头监控模块可W抓拍 深松作业现场画面,能够监测农机作业状态,有效防止深松过程中的準刀更换动作。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明耕深测量原理的示意图; 图2是本发明实时监测终端的硬件结构示意图; 图3是本发明面积测算的软件流程图; 图4是某地块形成深松的轨迹队列示意图; 图5是多边形面积计算的原理示意图,实线代表深松轨迹; 其中,1代表下拉杆,2代表第一倾角传感器,3代表第二倾角传感器,4代表前、后两排深 松準之间的连接杆,5代表準臂,6代表準伊,7代表多边形,8代表深松轨迹。
【具体实施方式】
[0015] 本实施例中农机具深松作业的监测系统包括实时监测终端和深松系统管理平台, 所述实时监测终端包括主控MCU模块W及分别与主控MCU模块连接的耕深测量模块、导航定 位模块、数据存储模块和与所述深松系统管理平台实现信息交互的通讯模块; 所述耕深测量模块包括分别与所述主控MCU模块相应输入端连接的农具标签模块、安 装在下拉杆1上的第一倾角传感器2和安装在準架上的第二倾角传感器3。
[0016] 在其它实施例中,所述耕深测量模块包括与主控MCU模块连接的数据处理器W及 分别与所述数据处理器相应输入端连接的农具标签模块、安装在下拉杆1上的第一倾角传 感器2和安装在準架上的第二倾角传感器3,具体参见图2。
[0017] 耕深测量模块依托安装在下拉杆及準架上的倾角传感器,通过对传感器数据进行 综合分析可实时解算深松準的耕深。具体的,所述主控MCU模块接收第一倾角传感器2和第 二倾角传感器3的测量值,并按照下述公式实时计算耕深数据: 其中,Dt表示耕深深度,单位mm; 明表示第一倾角传感器的倾角测量值,单位% ft表示第二倾角传感器的倾角测量值,单位% (I) 表示深松机平放时的高度,单位mm; Ly表示前、后两排深松齿之间的距离,单位mm; Lfl表示下拉杆长度,单位mm; 1£表示準伊6端部至準臂5的距离,单位mm; <^表示下拉杆与农机的较接端距离地面的高度,单仿mm。
[0018] 参见图1测定耕深的原理:深松深這
由于前、后两排深松齿之间的连 接杆4与準臂5垂直,準臂顶端至化底端的距离另
,综上,可W得出
[0019] 所述农具标签模块采用STC11F05单片机,对农具参数信息进行管理,所述农具参 数包括耕幅、深松机平放时的高度Hn、前后两排深松齿之间的距离L古郝準伊端部到準臂的 距离Le,上述参数为常数,下拉杆1的长度W及下拉杆1与农机的较接端距离地面的高度 屯也均为常数;所述主控MCU模块的型号为STM32。
[0020] 导航定位模块依托北斗或GI^卫星导航定位系统,实时采集车辆的位置坐标,并将 采集到的定位数据通过通讯模块发送到深松系统管理平台。
[0021] 所述实时监测终端还包括分别与所述主控MCU模块相应输入端连接的显示器模块 和摄像头监控模块。显示器模块将深松準的深松深度、作业面积、行驶轨迹、拖拉机实时状 态等信息显示到显示屏上,便于工作人员实时了解深松準和拖拉机的工作状态。摄像头监 控模块通过安装在拖拉机上的摄像头对深松作业过程定时拍照,由通讯模块上报至深松系 统管理平台。
[0022] 采用数据处理器的型号均为STM32,其将计算的结果输入至主控MCU模块,通讯模 块可W采用基于无线公网的通讯模块。
[0023] 所述深松系统管理平台与各个实时监测终端相互交互,包括W下模块: 面积测算模块,利用实时监测终端上传的车辆位置坐标信息和作业信息,计算深松机 在选定时间内的深松面积; 车辆管理模块,用于提供车辆信息、位置定位、历史轨迹、车辆报警和地图显示; 农具管理模块,用于对农具类别、编码和参数进行信息管理。
[0024] 深松系统管理平台是一个农机具作业统计管理系统,能够计算车辆在选定时间段 内的作业面积,统计和记录所有安装深松实时监测终端的农机具的作业数据,包括深松深 度、行驶轨迹、作业面积、作业时间等信息,从而为深松补贴的合理发放提供依据。平台功能 还包括:统计分析和任务管理等。统计分析模块针对每辆车、每个企业W及每个车主,统计 其在给定时间段内的作业任务情况。任务管理模块指企业针对每位农机车主的任务总量及 任务完成情况进行管理。
[0025] 利用所述面积测算模块计算深松面积的步骤包括: 步骤一、根据达到深松要求的耕深数据,确定深松的轨迹队列,W耕幅为宽、沿所述深 松的轨迹进行扫描,每条连续轨迹生成一个多边形7,按轨迹队列的顺序分别生成多边形1、 多边形2……多边形n,并计算生成的多边形面积,分别为Si、S2……Sn。参见图4,一个深松轨 迹8从深松準进入地块、放準深松开始,至深松準到另一个地头、深松準提起止,在该深松过 程中,实时监测终端每隔5~20s向深松系统管理平台发送一次耕深数据和导航定位系统传 送的位置坐标,将各位置坐标按照顺序连接形成的连续折线即为一个深松轨迹8,形成的多 边形7是W该深松轨迹8为中屯、,W耕幅为宽、沿该深松轨迹进行扫描得到的。在掉头处、深 松準提起不计为深松轨迹。
[0026] 步骤二、根据多边形的顶点生成最小外包矩形,分别对应记为矩形1、矩形2……矩 形n。
[0027] 步骤=、按照顺序判断矩形j和矩形j + 1是否相交,当相交时,执行步骤五,当不相 交时,Sj, W=O,执行步骤四;其中,j取值巧Ijn-I。
[00%]步骤四、按照顺序提取下一组矩形,重复步骤=,当所有矩形判断完毕后,执行步 骤六。
[0029] 步骤五、判断矩形对应的多边形是否相交,当相交时,计算相邻多边形相交面积 Sj, j+1,当不相交,Sj, j+i=0;然后返回步骤四。具体的流程可参见图3。
[0030] 该步骤中判断多边形相交的步骤包括: 判断多边形j的每个顶点坐标是否落在了多边形j+1内,若落入了多边形j+1内,将该顶 点坐标加入到交点集合Mj, j+i中; 5.2、 判断多边形j+1的每个顶点坐标是否落在了多边形j内,若落入了多边形j内,将该 顶点坐标加入到交点集合Mj, j+1中; 5.3、 对于多边形j和多边形j+1的每个边,计算是否有交点,并将交点坐标加入到交点 集合Mj, j+1中; 5.4、 对交点集合中Mj, j+1中的点坐标进行排序,按顺序连接生成相交多边形。
[0031] 其中,不规则深松轨迹形成的多边形W及相邻多边形相交形成的相交多边形的面 积计算方法为: 当所测算深松作业区域外包络线所围成图形不规则时,其面积求取可根据平面几何中 的切、割、补的方法求得。本实施例中给出一种通用方法,如图5所示时,在给出的示意图中, W任意一个顶点A所在坐标为基准,沿与所在平面坐标轴平行方向作直线AK,其余各定点均 向该直线做垂线8。、〔6、0山邸,则不规则耕地区域48〔06的面积测算公式为:
(虹) 其中,根据图形顶点坐标可W很容易求得直角S角形ABF、AEK和直角梯形BCGF、CDHG、 D邸H的面积。通过运种算法,可W求得耕地面积外包络线所围成几何图形为任意形状的图 形面积。具体运算时,可W将导航定位模块中所给定的点坐标转换成W地块的起点为原点 的坐标,从而减小运算量。
[0032] 步骤六、按照下述公式计算深松面积:
(H) 其中,S表示深松面积,Si表示多边形的面积,Sj, W表示相邻多边形之间的相交面积。
[0033] 面积测算模块不需要价格昂贵的高精度定位设备,从而降低了监测成本。此外,构 建的面积测算模型可W对覆盖作业进行准确判断,防止计算面积偏大。
[0034] 为了便于计算,本实施例中可W设定两个阔值,当相交多边形面积与两个多边形 中最小面积之比小于0.1则认为相交面积为0;当相交多边形面积与两个多边形中最小面积 之比大于0.9则认为相交面积为最小多边形面积,即当
时,贝化1 W=O;当
从而降低系统的计算量。
[0035] 在其它实施例中,还可W包括步骤屯:将轨迹队列同侧的端点按顺序连接并与第 一条和最后一条轨迹相连、生成与地块形状吻合的多边形,计算该多边形地块的面积So,并 与深松面积S进行比较。若是对某一地块的连续深松,通过比较地块面积So与深松面积S,可 W监控深松重复覆盖的面积W及深松中遗漏的地块面积,为有效控制深松质量提供依据。
[0036] 综上所述,本发明利用导航定位模块对深松作业进行面积测算,构建的面积测算 模型可W准确区分重复作业、重复计算亩数问题。通过在下拉杆及深松準的準架上各安装 一个倾角传感器可W实时监测深松準的运行状态,从而提供精确的深度测量。
【主权项】
1. 一种农机具深松作业的远程实时监测系统,包括实时监测终端和深松系统管理平 台,其特征在于: 所述实时监测终端包括主控MCU模块W及分别与所述主控MCU模块连接的耕深测量模 块、导航定位模块、数据存储模块和与所述深松系统管理平台实现信息交互的通讯模块;所 述耕深测量模块包括分别与所述主控MCU模块相应输入端连接的农具标签模块、安装在下 拉杆(1)上的第一倾角传感器(2)和安装在準架上的第二倾角传感器(3)。2. 根据权利要求1所述的农机具深松作业的远程实时监测系统,其特征在于所述主控 MCU模块接收第一倾角传感器(2)和第二倾角传感器(3)的测量值,并按照下述公式实时计 算耕深数据:(I) 其中,Dt表示耕深深度,单位mm; 馬表示第一倾角传感器的倾角测量值,单位% 战表示第二倾角传感器的倾角测量值,单位% Hn表示深松机平放时的高度,单位mm; Ly表示前、后两排深松齿之间的距离,单位mm; Lfi表示下拉杆长度,单位mm; Li康示準伊(6)端部至準臂巧)的距离,单位mm; dfl表示下拉杆(1)与农机的较接端距离地面的高度,单位mm。3. 根据权利要求1所述的农机具深松作业的远程实时监测系统,其特征在于所述实时 监测终端还包括分别与所述主控MCU模块相应输入端连接的显示器模块和摄像头监控模 块。4. 根据权利要求2所述的农机具深松作业的远程实时监测系统,其特征在于所述农具 标签模块采用STCl 1F05单片机,对农具参数信息进行管理,所述农具参数包括耕幅、深松机 平放时的高度Hb、前后两排深松齿之间的距离L*和準伊端部到準臂的距离Lr;所述主控 MCU模块的型号为STM32。5. 根据权利要求1所述的农机具深松作业的远程实时监测系统,其特征在于所述耕深 测量模块包括与主控MCU模块连接的数据处理器W及分别与所述数据处理器相应输入端连 接的农具标签模块、安装在下拉杆(1)上的第一倾角传感器(2)和安装在準架上的第二倾角 传感器(3)。6. 根据权利要求1所述的农机具深松作业的远程实时监测系统,其特征在于所述深松 系统管理平台与各个实时监测终端相互交互,包括W下模块: 面积测算模块,利用实时监测终端上传的车辆位置坐标信息和作业信息,计算深松机 在选定时间内的深松面积; 车辆管理模块,用于提供车辆信息、位置定位、历史轨迹、车辆报警和地图显示; 农具管理模块,用于对农具类别、编码和参数进行信息管理。7. -种基于权利要求6所述的农机具深松作业的远程实时监测系统的面积测算方法, 其特征在于包括W下步骤: 步骤一、根据达到深松要求的耕深数据,确定深松的轨迹队列,W耕幅为宽、沿所述深 松的轨迹进行扫描,每条连续轨迹生成一个多边形,按轨迹队列的顺序分别生成多边形1、 多边形2……多边形n,并计算生成的多边形面积,分别为Si、S2……Sn; 步骤二、根据多边形的顶点生成最小外包矩形,分别对应记为矩形1、矩形2……矩形n; 步骤=、按照顺序判断矩形j和矩形j+1是否相交,当相交时,执行步骤五,当不相交时, Sj, j+i=〇,执行步骤四;其中,j取值巧Ijn-I; 步骤四、按照顺序提取下一组矩形,重复步骤=,当所有矩形判断完毕后,执行步骤六; 步骤五、判断矩形对应的多边形是否相交,当相交时,计算相邻多边形相交面积 当不相交,Sj,j+i=0;然后返回步骤四; 步骤六、按照下述公式计算深松面积:(H) 其中,S表示深松面积,Si表示多边形的面积,Sj, W表示相邻多边形之间的相交面积。8. 根据权利要求7所述的面积测算方法,其特征在于步骤五中,相邻多边形相交时,当9. 根据权利要求7所述的面积测算方法,其特征在于步骤五中判断多边形相交的步骤 包括: 5.1、 判断多边形j的每个顶点坐标是否落在了多边形j+1内,若落入了多边形j+1内,将 该顶点坐标加入到交点集合Mj, j+i中; 5.2、 判断多边形j+1的每个顶点坐标是否落在了多边形j内,若落入了多边形j内,将该 顶点坐标加入到交点集合Mj, j+1中; 5.3、 对于多边形j和多边形j + 1的每个边,计算是否有交点,并将交点坐标加入到交点 集合Mj, j+1中; 5.4、 对交点集合中Mj, j+1中的点坐标进行排序,按顺序连接生成相交多边形。10. 根据权利要求7所述的面积测算方法,其特征在于还包括步骤屯:将轨迹队列同侧 的端点按顺序连接并与第一条和最后一条轨迹相连、生成与地块形状吻合的多边形,计算 该多边形地块的面积So,并与深松面积S进行比较。
【文档编号】G01B21/18GK105987679SQ201610267594
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】李星星, 董晓宁, 岳晓洲, 王书真, 韩冰, 郭昊, 李清华, 李镇廷, 曹国兴, 赵汝峰
【申请人】中电科卫星导航运营服务有限公司
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