耕作土壤地表三維形貌測量裝置設計與試驗研究

劉雪寧，李旭英，張永志，金 旭，張 恒

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

耕作土壤地表不平度對農(nóng)業(yè)灌溉及能否進行機械化耕作、發(fā)揮機械效率等方面有著至關重要的影響[1-3]。對于農(nóng)用機械而言：一方面，耕作土壤地表不平度導致農(nóng)用機械產(chǎn)生振動，直接影響農(nóng)用機械的平穩(wěn)性、乘坐舒適性，且振動產(chǎn)生的載荷會夯實土壤，影響農(nóng)作物生長[4-10]；另一方面，耕作土壤地表不平度直接影響播種、移栽等農(nóng)用機械的作業(yè)效率。因此，通過對耕作土壤地表三維形貌的測量，獲得區(qū)域內(nèi)耕作地表的三維圖像，全面反映耕作土壤地表的不平度，對土壤不平度的分析和評價整地的質量具有重大的意義。

耕作土壤地表不平度的測量方法根據(jù)是否與被測地面接觸分為接觸式與非接觸測量兩大類[12]：接觸式測量會對耕作土壤表面產(chǎn)生一定程度的破壞，導致不能精確地測量到地表不平度；非接觸測量方法測量精度、效率高，不會使土壤表面變形，便于重復測量，因此被廣泛應用。常用的非接觸測量方法有立體攝像法、超聲波測量法、圖像陰影法及激光掃描法等：立體攝像法在后期處理數(shù)據(jù)時所需時間較長；超聲波測量法測量原理是聲波發(fā)射，具有聲波的扇形發(fā)射特性，不適合精準的定點測量，且其測量精度只能精確到厘米級；圖像陰影法測量所得的地表不平度受測量時的光照強度影響較大，具有不確定性；激光掃描法測量是由一束極小的激光進行測量，適合精確測量，且其測量精度可以達到毫米級[11]。本研究根據(jù)采樣要求，設計一種測量范圍為1m×1m，三坐標組合式基于激光反射的耕作土壤地表三維形貌測量裝置，全面反映任意方向的耕作地表不平度，使測量更為精確、直觀、全面。

1 地表三維形貌測量裝置的設計

1.1 總體設計

三坐標組合式耕作土壤地表三維形貌測量裝置主要由運動測試臺、控制箱和上位機等組成，如圖1所示。其中，運動測試臺主要包括測試架、激光位移傳感器、光電接近開關、同步帶導軌、步進電機及水平尺等。為了方便攜帶，采用鋁合金材型材搭建可拆卸的測試架，將兩套帶有滑塊的同步帶導軌分別安裝在測試框架平行的兩側上構成Y軸，帶有滑塊的同步導軌安裝在Y軸兩個滑塊上構成X軸，激光位移傳感器固定在X軸滑塊上。通過控制箱驅動X軸電機，X軸滑塊帶著激光位移傳感器沿X軸方向移動；驅動Y軸電機，由Y軸滑塊帶動X軸同步導軌沿Y軸方向移動；間歇驅動兩軸電機即可完成激光位移傳感器對測試范圍內(nèi)耕作土壤地表三維形貌的測量。同時，利用采集模塊將激光位移傳感器采集的數(shù)據(jù)通過通信串口上傳到上位機LabVIEW軟件中，對數(shù)據(jù)進行處理，利用MatLab軟件繪制耕作土壤地表三維形貌圖。

1.控制箱 2.X軸電機 3.Y軸滑塊 4.Y軸導軌 5.X軸滑塊 6.水平儀 7.Y軸電機 8.光電接近開關 9.激光位移傳感器 10.X軸導軌 11.測試框架圖1 耕作土壤地表三維形貌測量裝置Fig.1 3D surface topography measuring device for tillage soils

1.2 硬件部分設計

測量裝置的硬件主要由運動測試臺和控制箱兩部分組成。運動測試臺的測試區(qū)域為1m×1m，測試架距地表距離為0.6m，由3套同步帶導軌構建X、Y坐標，配有57HBP76AL4-TF0型兩相步進電機，其步距角為1.8°。由TC-01激光位移傳感器對耕作土壤地表進行三維形貌的測量，其量程是1m，精度是1mm，波長620～650nm，輸出0～5V模擬電壓?？刂葡洳糠种饕砷_關電源、全數(shù)字高性能兩相步進驅動器ZD-2HD542、KBM-30D單通道數(shù)據(jù)采集模塊、串口轉換器、CM4OL智能多軸步進控制器，以及觸點式開關等組建而成。開關電源將220V的交流電換成24V的直流電，為兩相步進驅動器、多軸步進控制器、激光位移傳感器等供電，串口轉換器將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機軟件。

1.3 軟件部分設計

1.3.1 測量軌跡編程設計

測量軌跡如圖2所示。圖2中滑塊所在的位置為程序零點，將起始點的位置作為機械零點，由安裝在測試臺上光電接近開關的位置設置機械零點。測量時，要求運動測試臺的運動與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)精準的配合。首先，控制器驅動滑塊做回機械零運動到達A點；其次，控制器間接驅動X、Y軸電機帶動安裝在滑塊上的激光位移傳感器沿A→B→C→D→E做蛇型運動，當滑塊到達A點時，采集系統(tǒng)開始采集；隨后按實際測量范圍要求循環(huán)上一步操作，直至滑塊到達M點，再次驅動X軸電機使滑塊帶動傳感器完成M→N的掃描；當滑塊到達N點時采集系統(tǒng)停止采集，完成對整個測量區(qū)域的測量；最后，控制器驅動滑塊做回程序零運動，以待下次測量。

圖2 測量軌跡示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring path

在CM4OL智能多軸步進控制器中編寫運動軌跡程序，使得滑塊帶動激光位移傳感器完成對整個平面的測量，其編程界面如圖3所示。

圖3 雙軸控制器編程界面Fig.3 Programming interface of two-axis controller

1.3.2 數(shù)據(jù)采集編程設計

測量裝置的上位機數(shù)據(jù)部分由LabVIEW 2013軟件編寫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實時數(shù)據(jù)顯示、實時數(shù)據(jù)的曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲及參數(shù)設置等功能。上位機數(shù)據(jù)采集處理軟件前面板界面如圖4所示。

圖4 耕作土壤地表三維形貌數(shù)據(jù)采集界面Fig.4 Data acquisition interface of 3D topography surface of tillage soils

啟動上位機編寫好的數(shù)據(jù)處理軟件，選擇正確的I/O端口，根據(jù)實驗要求設置采樣間隔(1、2、5、10、100mm可選)，選擇數(shù)據(jù)文件存儲路徑并命名；在程序前面板點擊開始按鈕，使采集程序運行，隨后點擊智能多軸步進控制器啟動鍵，智能多軸步進控制器自動運行上一次讀取的程序，此時激光位移傳感器正常工作，采集模塊將采集數(shù)據(jù)上傳到上位機軟件。

采集到的數(shù)據(jù)被保存在設定的路徑文件中，將數(shù)據(jù)進行抽取、重組等方法可以計算任何方向的耕作土壤地表不平度；也可通過MatLab軟件中的xlsread函數(shù)讀取保存好的excel中的完整數(shù)據(jù)，將讀取到的數(shù)據(jù)在MatLab軟件中進行一系列處理，利用surf函數(shù)繪制耕作土壤地表三維形貌。

2 測量裝置的驗證

2.1 激光位移傳感器的標定

耕作土壤地表三維形貌測量裝置的測量原理是利用激光位移傳感器測量傳感器到地面的距離，因此對激光位移傳感器的標定對整個測量裝置的精確度而言是至關重要的。

TC-01激光位移傳感器的標定是通過改變傳感器到被測物的距離的同時測量此時輸出電壓值，得出測量距離與輸出電壓信號的對應關系。三維形貌測量裝置的測試臺距地面是573.5mm,因此在距激光位移傳感器底部150～750mm的范圍內(nèi)利用標準量塊(IT2)每隔50mm取點測量其輸出電壓值，每點重復測量10次，取均值作為該點的輸出電壓值。將此時的電壓值和對應的實際距離值進行標定，其標定曲線如圖5所示。

圖5 激光位移傳感器的標定曲線Fig. 5 The fitting curve of laser range sensor

2.2 測量裝置精度檢驗評價

此次測量試驗選擇IT2的標準量塊為檢測對象，1～3個厚度的量塊其誤差范圍為0～1.2×10-3mm,4～10個厚度的量塊其誤差范圍為0～1.5×10-3mm。首先，用水平儀找正平臺，將厚度為1～10mm的10塊量塊分別擺放在平臺上，調平測試臺。由激光位移傳感器測量相對平臺的距離，通過編輯控制系統(tǒng)驅動激光傳感器對平臺上的量塊進行測量，測量結果如表1所示。分析對比測量均值數(shù)據(jù)與量塊數(shù)據(jù)，利用兩者之間的理想狀態(tài)直線y=x進行擬合，得到擬合曲線為y=1.000 3x+0.020 5，計算兩者的相關系數(shù)R2=0.999 7，幾乎接近1，測量數(shù)據(jù)的均方根誤差為0.017mm，證明測量裝置的測量精度較高，可以較準確地測量出耕作土壤的地表不平度。

2.3 測量裝置的驗證實驗

測量裝置主要分為3大部分，即運動測試臺、控制箱和數(shù)據(jù)采集部分，實現(xiàn)測試裝置的高效精確測量，不僅要設計穩(wěn)定的運動測試臺、可靠運行的控制箱，更要設置合適的采集頻率、采樣間隔及同步帶速度等3個參數(shù)。通過多次采集實驗得出：在采樣頻率≤4Hz的情況下，采集數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)漏采、重采等問題。為了能夠高效完成對整個平面的測量，在此試驗中采集頻率均選擇4Hz。同步帶運動可以精確到0.001mm，采樣間隔可以根據(jù)不同的試驗要求設定，當設置采樣間隔為1、2、5、10mm等間隔時(X、Y軸選擇相同的采樣間隔)，在采樣頻率確定的情況下對應的同步帶速度分別為240、480、1 200、2 400mm/min，完成1m×1m的測量需要時間為69.444、17.361、2.778、0.694h。通過室內(nèi)小范圍實驗，發(fā)現(xiàn)采樣間隔為10mm時也能較好地測量出物體的表面輪廓，結合測量效率，因此本次試驗采樣間隔為10mm。

表1 測量裝置測量量塊數(shù)據(jù)Table 1 Measuring device measures the data of the block mm

室內(nèi)驗證試驗的測量對象為樓梯模型，圖6(a)所示為模型原圖，利用測量裝置對其進行測量得到如圖6(b)所示的三維圖。

對比兩幅圖可以得出：本研究所設計的耕作土壤地表三維形貌測量裝置能夠實現(xiàn)對耕作土壤地表三維形貌的測量。

(a) 模型實物圖

(b) 測量所得三維圖圖6 模型實物圖與測量三維圖的對比Fig.6 Comparison of model physical drawing and measuring 3D drawing

3 結論

1)設計了一套耕作土壤地表三維形貌測量裝置，室內(nèi)驗證實驗表明： 測量裝置能實現(xiàn)對耕作土壤的地表三維形貌的準確測量。

2)該測量裝置將地面測量從二維直線的測量發(fā)展到三維平面的測量，在測量范圍上有較大的突破。測量過程中測量數(shù)據(jù)采用點陣形式呈現(xiàn)，可以通過提取等方式實現(xiàn)任意方向的不平度計算并能顯示整個掃描范圍內(nèi)的耕作土壤地表三維形貌圖。