一种牵引式耕整地机具耕深检测系统及方法与流程

本发明涉及耕整地机具耕深检测技术领域，尤其涉及一种牵引式耕整地机具耕深检测系统及方法。

背景技术：

耕整地中的深松作业是保护性耕作的重要技术，能够改善耕层结构，促进作物生长，提高农业经济效益。

牵引式深松机作业过程中，耕深一般是由驾驶员凭经验调节的，由于缺少智能化检测方法及检测工具，拖拉机驾驶员很难实时掌握耕作深度，并对耕深进行精确控制，耕深过浅或过度深松的情况时有发生。为提高深松作业质量和效率，降低拖拉机驾驶员劳动强度，有必要采用现代化技术手段对深松作业耕深进行实时监测。

目前，针对牵引式深松机耕深监测的相关技术产品比较少，虽然悬挂式深松监测相关技术已经产品化，但是由于牵引式深松机和悬挂式深松机结构的不同，使一些能够较好解决悬挂式深松机耕深监测的技术产品不能在牵引式深松机上得到应用。

例如，在某些文件中记载了，一种牵引式农具耕深在线检测方法及装置，其采用超声波传感器检测油缸伸缩量，再通过一定运算推算出耕深，此方法需要在油缸上同时安装超声波测距传感器的发射头和反射板，有一定的安装难度，在计算时耕深时需要同时知道油缸拉伸长度、完全收缩长度、油缸缸杆与固定旋转轴的连接杆长度等数据，由于不同型号深松机这些参数均不一致，在实施方面带来了一定的不便。还有文献中记载了，一种带u盘存储功能的深松整地联合做业机监控系统，其通过在仿形轮上安装角度传感器来进行耕深检测，此种检测方法遇到地面凸凹不平，或者地面上有农作物残茬时耕深检测精度不能保证。论文《基于倾角传感器的拖拉机悬挂机组耕深自动测量方法》(农业工程学报，2013,29(4))通过检测拖拉机后悬挂提升臂水平倾角的变化，结合悬挂机构的几何尺寸关系推算出更深，具有检测精度高、封装小、集成度高、安装维护方便、标定易操作等特点，然而从提升臂到悬挂机组之间有多个连接杆件，实际作业中，机手常常会调节提升杆和上拉杆长度，每调动一次，传感器参数都需要重新标定，在应用上较为复杂。论文《旋耕机松土深度检测系统设计》(农机化研究，2013,5)采用超声波测距方式检测旋耕机作业耕深，因超声波传感器在大田环境中受地面平整度、土块、农作物残茬和杂草影响较大，甚至机具本身都可能对超声波造成干扰，影响其检测精度，因此不适合在复杂农田环境下作为耕深检测工具。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种牵引式耕整地机具耕深检测系统及方法以解决现有检测方式容易受超声干扰或者地面平整度、土块、农作物残茬等影响而测量不准确问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种牵引式耕整地机具耕深检测系统，所述牵引式耕整地机具包括耕整地机具本体以及通过支撑轮臂连接在所述耕整地机具本体上的支撑轮，所述系统包括耕深测量组件、智能终端以及远程数据中心组件；

所述耕深测量组件包括设置在所述耕整地机具本体的水平面上的第一耕深传感器以及设置在所述支撑轮臂上的第二耕深传感器，所述第一耕深传感器或所述第二耕深传感器上设置有定位组件，所述第一耕深传感器能够检测耕整地机具本体相对于水平面的俯仰角度，所述第二耕深传感器能够检测所述支撑轮臂的俯仰角度，所述定位组件能够实时获取所述牵引式耕整地机具的位置信息和作业速度并传输给所述智能终端；

所述智能终端与耕深测量组件以及远程数据中心组件分别连接，所述智能终端能够向耕深测量组件发送标定数据，且能够接收所述定位组件采集的信息并发送给所述远程数据中心组件；

所述远程数据中心组件能够接收所述智能终端传输的数据并能够存储记录所述耕深测量组件的信息以及所述定位组件通过所述智能终端发送的采集信息。

进一步地，所述第二耕深传感器与所述第一耕深传感器通过数据线连接。

进一步地，所述第一耕深传感器包括第一姿态角度传感组件、第一数据采集模块、第一通讯模块、第一数据处理模块、数据存储模块以及无线传输模块，所述第二耕深传感器包括第二姿态角度传感组件、第二数据采集模块、第二数据处理模块以及第二通讯模块，

所述第二姿态角度传感组件检测所述支撑轮臂的俯仰角度，所述第二数据采集模块采集所述支撑轮臂的俯仰角度的数值，所述第二数据处理模块对所述第二数据采集模块采集的支撑轮臂的俯仰角度的数值进行融合和滤波并将处理后的数据通过所述第二通讯模块、所述第一通讯模块传输给所述第一数据处理模块；

所述第一姿态角度传感组件检测所述耕整地机具本体的俯仰角度，所述第一数据采集模块采集所述耕整地机具本体的俯仰角度的数值并传输给所述第一数据处理模块，所述第一数据处理模块对第一数据采集模块采集的所述耕整地机具本体的俯仰角度的数值进行融合和滤波并根据耕整地机具本体的俯仰角度以及所述支撑轮臂的俯仰角度计算耕深深度，所述无线传输模块用于与智能终端建立无线连接并将作业数据传输给所述智能终端。

进一步地，所述无线传输模块能够创建wi-fi访问热点，所述智能终端是含有wi-fi接入功能及2g/3g/4g网络传输功能的智能手机、平板电脑或便携式计算机。

进一步地，所述第一耕深传感器紧密贴合在所述耕整地机具机本体的水平面上，所述第二耕深传感器紧密贴合在所述支撑轮臂上。

为解决上述问题，本发明还提供了一种牵引式耕整地机具耕深检测方法，具体步骤如下：

s1将第一耕深传感器安装固定在耕整地机具本体的水平表面上，第二耕深传感器安装固定在支撑轮臂上，并将所述第一耕深传感器与所述第二耕深传感器通过数据线首尾连接；

s2标定计算耕深的计算公式：

s2-1将智能终端分别与第一耕深传感器、第二耕深传感器的通讯模块连接，

s2-2将牵引式耕整地机具设置在未作业的原始状态，记h0为0，利用智能终端向所述第一耕深传感器、第二耕深传感器发送第一次标定指令，且将h0发送给所述第一耕深传感器的数据存储模块，所述第二耕深传感器自动检测所述支撑轮臂俯仰角度β0并发送给所述第一耕深传感器的数据存储模块，所述第一耕深传感器自动检测耕整地机具本体的俯仰角度α0，所述第一耕深传感器将α0、β0、h0存储在第一耕深传感器的数据存储模块中，其中h0是参数表示，不具有实际意义，

s2-3将牵引式耕整地机具支撑轮轮胎抬起任一高度，用米尺测量轮胎底部距离地面高度h1，利用智能终端向所述第一耕深传感器、第二耕深传感器发送第二次标定指令，且将h1发送给所述第一耕深传感器的数据存储模块，所述第二耕深传感器自动检测所述支撑轮臂的俯仰角度β1并发送给所述第一耕深传感器的数据存储模块，所述第一耕深传感器自动检测检测耕整地机具本体的俯仰角度α1，所述第一耕深传感器将α1、β1、h1存储在第一耕深传感器的数据存储模块中，

s2-4重复步骤s2-3，并进行i次，其中，i不小于2，第i次标定的轮胎底部距离地面高度为hi、耕整地机具本体的俯仰角度为αi、支撑轮臂的俯仰角度为βi，

s2-5利用测量参数hi、αi、βi标定第一耕深传感器的数据处理模块的计算公式；

s3第一耕深传感器的数据处理模块根据步骤s2中获得的数据处理模块的计算公式及实际应用过程中耕整地机具本体的俯仰角度、支撑轮臂的俯仰角度计算实际耕深深度。

进一步地，所述利用测量参数hi、αi、βi标定第一耕深传感器的数据处理模块的计算公式的具体方法为，

记γi＝αi-βi，hi＝hi，则

γ＝[α0-β0,α1-β1,...,αi-βi]

h＝[h0,h1,...,hi]

i≥2

耕深深度计算公式为hi＝kγi+b

其中，αi为第i次标定时耕整地机具本体的俯仰角度，βi为第i次标定时支撑轮臂的俯仰角度，hi为第i次标定的耕深深度，γi为第i次标定的耕整地机具本体的俯仰角度αi与支撑轮臂的俯仰角度βi的角度差，k为斜率参数，b为截距参数；

利用各次测量的已知数据hi、αi、βi组成方程组求解斜率参数k和截距参数b。

进一步地，所述耕深深度计算公式中还包括修正系数c，具体修正耕深深度计算公式为hi＝kγi+b+c。

进一步地，所述修正系数c的确定方法是：耕整地机具本体恢复至初始状态，查看第一耕深传感器根据耕深深度计算公式hi＝kγi+b计算输出的耕深值hx，则c＝-hx。

进一步地，所述第一耕深传感器的数据处理模块完成对斜率参数k、截距参数b及修正系数c的计算，所述第一耕深传感器的数据存储模块将斜率参数k、截距参数b、修正系数c及修正耕深深度计算公式hi＝kγi+b+c保存。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明牵引式耕整地机具耕深检测系统及方法是基于牵引式耕整地机具运动姿态测量的耕深检测方法，该方法检测精度高，抗干扰能力强，安装标定方便，且不易受地面平整度、土块、农作物残茬等影响，比较适合大田作业环境下对牵引式整地作业耕深的实时监测。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例1牵引式耕整地机具耕深检测系统的示意图；

图2是本发明实施例1牵引式耕整地机具耕深检测系统的牵引式耕整地机具示意图；

图3是本发明实施例1牵引式耕整地机具耕深检测系统的牵引式耕整地机具的角度示意图；

图4本发明实施例2牵引式耕整地机具耕深检测方法的耕深深度计算公式的标定流程图。

图中：1：耕整地机具犁齿；2：耕整地机具机体本体；3：支撑轮臂；4：第二耕深传感器；5：第一耕深传感器；6：支撑轮；7：智能终端；8：远程数据中心组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

实施例1

如图2所示，牵引式耕整地机具包括耕整地机具本体2、设置耕整地机具本体下方的耕整地机具犁齿1以及通过支撑轮臂3连接在所述耕整地机具本体上的支撑轮6。

如图1所示，本实施例牵引式耕整地机具耕深检测系统，所述系统包括耕深测量组件、智能终端7以及远程数据中心组件8。

所述耕深测量组件包括设置在所述耕整地机具本体2的水平面上的第一耕深传感器5以及设置在所述支撑轮臂3上的第二耕深传感器4，其中，在所述第一耕深传感器5上设置有定位组件。所述第一耕深传感器5能够检测耕整地机具本体相对于水平面的俯仰角度α，所述第二耕深传感器4能够检测所述支撑轮臂的俯仰角度β，所述定位组件能够实时获取所述牵引式耕整地机具的位置信息和作业速度并传输给所述智能终端。

所述智能终端7与耕深测量组件以及远程数据中心组件8分别连接，所述智能终端7能够向耕深测量组件发送标定数据，且能够接收所述定位组件采集的信息并发送给所述远程数据中心组件8。

所述远程数据中心组件8能够接收所述智能终端传输的数据并能够存储记录所述耕深测量组件的信息以及所述定位组件通过所述智能终端发送的采集信息。

需要说明的是，所述耕整地机具本体2的水平面上设置有第一耕深传感器5，指的是耕整地机具本体2放置在水平位置时，其耕整地机具本体2的所处的平面；所述耕整地机具本体2相对于水平面的俯仰角度α，也即耕整地机具本体2在实际过程中相对于原始安装平面的仰俯角度β；支撑轮臂3相对水平面的俯仰角度也即支撑轮臂3在耕整地机具本体2提放过程中与原始安装平面所呈的角度。定位组件能够实时获取所述牵引式耕整地机具的位置信息和作业速度，兼容北斗卫星导航系统和gps。

具体而言，所述第一耕深传感器5包括第一姿态角度传感组件、第一数据采集模块、第一通讯模块、第一数据处理模块、数据存储模块以及无线传输模块；所述第二耕深传感器4包括第二姿态角度传感组件、第二数据采集模块、第二数据处理模块以及第二通讯模块。

所述第二姿态角度传感组件检测所述支撑轮臂的俯仰角度，第二数据采集模块采集所述支撑轮臂的俯仰角度的数值，所述第二数据处理模块对所述第二数据采集模块采集的支撑轮臂的俯仰角度的数值进行融合和滤波并将处理后的数据通过所述第二通讯模块、所述第一通讯模块传输给所述第一数据处理模块。

所述第一姿态角度传感组件检测所述耕整地机具本体的俯仰角度，第一数据采集模块采集所述耕整地机具本体的俯仰角度的数值并传输给所述第一数据处理模块，所述第一数据处理模块对第一数据采集模块采集的所述耕整地机具本体的俯仰角度的数值进行融合和滤波并根据耕整地机具本体的俯仰角度以及所述支撑轮臂的俯仰角度计算耕深深度，所述无线传输模块用于与智能终端建立无线连接并将作业数据传输给所述智能终端。

需要说明的是，本实施例牵引式耕整地机具耕深检测系统还包括第一电源组件和第二电源组件，所述第一电源组件与所述第一耕深传感器连接并为所述第一耕深传感器供电，所述第二电源组件与所述第二耕深传感器连接并为所述第二耕深传感器供电。根据第一耕深传感器和第二耕深传感器的供电需要，一般需要所述第一电源组件、所述第二电源组件能够稳定地输出5v的电压。

作为一种优选的实施方案，所述无线传输模块用于与所述智能终端建立无线连接并将作业数据传输给所述智能终端，其可以能够创建wi-fi访问热点。

相应的智能终端可以是含有wi-fi接入功能及2g/3g/4g网络传输功能的智能手机、平板电脑、便携式计算机中的一种或多种，其中，智能终端上具有客户端标定应用软件(标定应用软件是为了使智能终端与耕深测量组件连接而设计的一款特定软件)。智能终端开机后，先搜索附近耕深测量组件创建的无线网络，然后发出加入网络请求，输入正确无线密码即可加入该局域网路与耕深测量组件建立链接。智能终端通过无线与耕深测量组件进行数据交互。

智能终端上的客户端标定软件有注册账户、系统认证、耕深测量组件信息配置、作业参数显示、数据远程传输、数据查询等功能。用户首次使用需利用智能终端软件注册账户，并将账户与耕深测量组件唯一识别号进行绑定，绑定成功后，耕深测量组件仅允许登录该账户的智能终端与其进行数据交互，每个账户可绑定多个耕深测量组件。用户非首次使用时，打开智能终端软件进行登录，输入账户信息后与耕深测量组件进行系统认证，认证成功后，该智能终端软件即可与耕深测量组件进行数据交互。智能终端上的客户端标定软件可对耕深测量组件进行信息配置，包括牵引式耕整地机组信息、传感器配置信息、无线信息和用户信息。智能终端上的客户端标定软件接收到耕深测量组件作业数据后可实时显示牵引式耕整地机组作业信息，包括耕深、速度、作业里程、作业面积、累计作业时长等。智能终端软件可通过2g/3g/4g无线网络将牵引式耕整地机组作业数据传送到远程数据中心组件进行远程监控及数据备份。智能终端上的客户端标定软件支持从远程数据中心查询某账户的历史作业数据信息，也可以向耕深测量组件发出查询请求，获取该耕整地机组的作业数据。

需要说明的是，本实施例的定位组件也可以设置在第二耕深传感器上，其具体的设置以设备间不相互影响、紧凑即可，所述定位组件的数据传输可以通过与其连接的耕深传感器的数据传输模块向智能终端传输。智能终端上的客户端标定软件可以用于协助校准数据处理模块计算耕深深度的公式参数。

远程数据中心组件相应的包括用户账户管理模块、数据库、作业实时监控模块、远程数据交互模块。

用户账户管理模块用于管理用户的账户信息，支持按账户进行数据添加或存储，账户信息包含用户名、密码、耕深测量组件唯一识别号、拖拉机型号及车牌号、拖拉机机主信息、耕整地作业机具型号及参数等信息。

作业实时监控模块监控每一台在线智能终端，接收来自不同智能终端获得的耕整地机组作业信息，并在地图中进行实时显示。

数据库用于存储账户信息和牵引式耕整地机组作业数据。

远程数据交互模块用于远程数据中心与智能终端之间的数据交互。

作为一种优选实施方式，所述第一耕深传感器5紧密贴合在所述耕整地机具机本体2的水平面上，所述第二耕深传感器4紧密贴合安装在所述支撑轮臂3上。

具体的在本实施例中，所述第二耕深传感器4与所述第一耕深传感器5通过数据线连接。

本实施例牵引式耕整地机具耕深检测系统是基于牵引式耕整地机具运动姿态测量的耕深检测方法，该系统检测精度高，抗干扰能力强，安装标定方便，且不易受地面平整度、土块、农作物残茬等影响，比较适合大田作业环境下对牵引式整地作业耕深的实时监测。

实施例2

本实施例牵引式耕整地机具耕深检测方法是采用实施例1牵引式耕整地机具耕深检测系统进行的。

具体步骤如下：

s1将第一耕深传感器安装固定在所述耕整地机具本体的水平表面上，所述第二耕深传感器安装固定在所述支撑轮臂上，并将所述第一耕深传感器与所述第二耕深传感器通过数据线首尾连接。

s2标定计算耕深深度的计算公式。

s3第一耕深传感器的数据处理模块根据步骤s2中获得的数据处理模块的计算公式以及实际应用过程中耕整地机具本体的俯仰角度、支撑轮臂的俯仰角计算实际耕深深度。

其中，步骤s2的具体实现步骤如下：

s2-1将智能终端分别与第一耕深传感器、第二耕深传感器的通讯模块连接。

s2-2将牵引式耕整地机具设置在未作业的原始状态，记h0为0，利用智能终端向所述第一耕深传感器、第二耕深传感器发送第一次标定指令，且将h0发送给所述第一耕深传感器的数据存储模块，所述第二耕深传感器自动检测所述支撑轮臂俯仰角度β0并发送给所述第一耕深传感器的数据存储模块，所述第一耕深传感器自动检测耕整地机具本体的俯仰角度α0，所述第一耕深传感器将α0、β0、h0存储在第一耕深传感器的数据存储模块中。

需要说明的是，h0代表数值0不具备实际意义，其为了好描述以及为了智能终端上的客户端标定软件的输入而引进的输入参数；牵引式耕整地机具处于原始状态的操作具体为：可以选任一符合功率要求的拖拉机挂接上所述牵引式耕整地机具并开到任意平坦地面上，操纵拖拉机控制手柄，使耕整地机具组处于初始状态，即牵引式耕整地机具的支撑轮轮胎与耕整地部件的最低处均与地面接触；所述智能终端可以选任一安装有与第一深耕传感组件和第二深耕传感组件匹配的标定软件的便携式计算机，在耕整地作业机组处于初始状态时，打开所述便携式计算机中的标定软件与第一耕深传感器、第二耕深传感器的通讯模块连接。

s2-3牵引式耕整地机具支撑轮轮胎抬起任一高度，用米尺测量轮胎底部距离地面高度h1，利用智能终端向所述第一耕深传感器、第二耕深传感器发送第二次标定指令，且将h1发送给所述第一耕深传感器的数据存储模块，所述第二耕深传感器自动检测所述支撑轮臂的俯仰角度β1并发送给所述第一耕深传感器的数据存储模块，所述第一耕深传感器自动检测检测耕整地机具本体的俯仰角度α1，所述第一耕深传感器将α1、β1、h1存储在第一耕深传感器的数据存储模块中。

其中，所述牵引式耕整地机具支撑轮轮胎抬起任一高度的具体操作，可以是操纵拖拉机控制手柄，使所述耕整地机具支撑轮轮胎抬起任一高度后停止，再用米尺测量轮胎底部距离地面高度h1。

s2-4重复步骤s2-3，并进行i次，其中，i不小于2，其经验值为3；第i次标定的轮胎底部距离地面高度为hi、第i次标定的耕整地机具本体的俯仰角度αi、第i次标定的支撑轮臂的俯仰角度βi。

s2-5利用参数hi、αi、βi标定第一耕深传感器的数据处理模块的计算公式：

记h0的高度为初始值0，γi＝αi-βi，hi＝hi，则

γ＝[α0-β0,α1-β1,...,αi-βi]

h＝[h0,h1,...,hi]

i≥2

根据牵引式耕整地作业机组的结构特点及运动规律可知，γ与h具有近似线性关系，将上述标定数据按最小二乘法进行线性回归，可得耕深深度计算公式为hi＝kγi+b

其中，αi为第i次标定时耕整地机具本体的俯仰角度，βi为第i次标定时支撑轮臂的俯仰角度，hi为第i次标定的耕深深度，γi为第i次标定的耕整地机具本体的俯仰角度αi与支撑轮臂的俯仰角度βi的角度差，k为斜率参数，b为截距参数；

利用各次测量的已知数据hi、αi、βi组成方程组求解斜率参数k和截距参数b。

为了平衡误差增加耕深深度计算公式的准确率可以引入修正系数c，则有修正耕深深度计算公式：

hi＝kγi+b+c。

其中，修正系数c的确定方法是：操作拖拉机控制手柄将耕整地机组恢复至初始状态，查看第一耕深传感器根据耕深深度计算公式hi＝kγi+b计算输出的耕深值hx，则c＝-hx。

其中本实施例所述第一耕深传感器的数据处理模块完成对斜率参数k、截距参数b以及修正系数c的计算，所述第一耕深传感器的数据存储模块将斜率参数k、截距参数b、修正系数c以及修正耕深深度计算公式hi＝kγi+b+c保存。也即，上述标定过程中涉及的所有计算均为第一耕深传感器自动完成，最后得到系数k、b、c，并自动存储在传感器内部存储模块中，存储模块所存储数据断电不丢失。

经过上述步骤s2-1到s2-5后，上述牵引式耕整地机具耕深检测方法，其中修正耕深深度计算公式如下：

γ＝α-β

h＝kγ+b+c

其中，α为耕整地机具本体的俯仰角，β为支撑轮臂的俯仰角度，系数k、b、c在标定过程中自动计算得出。

这样所述第一耕深传感器的数据处理模块根据上述公式自动实时计算出牵引式耕整地机具耕深，并通过通讯模块输出。

本实施例牵引式耕整地机具耕深检测方法的优点在于：

1、克服了因地面不平整导致拖拉机机身、深松机体倾斜而产生的检测误差，可以实现坡地深松作业时耕深检测；

2、克服了因杂草、农作物残茬等对传感器干扰而导致的检测误差，提高了耕深检测精度和抗环境干扰能力。

3、极大简化了标定过程，不需要测量牵引式耕整地作业机具结构参数即可完成标定，计算过程也不需要上述参数，极大提高了检测精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。