雙天線GNSS精準(zhǔn)平地控制系統(tǒng)試驗*

梁冉冉，莊衛(wèi)東

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

0 引言

農(nóng)作物生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行多次農(nóng)業(yè)機械作業(yè)和農(nóng)業(yè)技術(shù)管理，而土地平整是農(nóng)作物健康成長的保障，為農(nóng)機作業(yè)和農(nóng)藝管理提供基礎(chǔ)［1］。水資源和肥料是農(nóng)作物生長的保障，但是地面凹凸不平的農(nóng)田往往造成了水肥的巨大流失，研究表明，20%以上的灌溉用水因為農(nóng)田地面不平整被浪費，30%以上的肥料流失［2］。水肥流失嚴(yán)重使研究人員意識到土地平整的重要性，農(nóng)田的地表平整使地下水分布深度一致，肥料可以均勻地發(fā)揮效用，對改進(jìn)灌溉均勻性、減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境和提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益有顯著作用［3］。土地平整是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和土地開發(fā)管理中的一個重要環(huán)節(jié)，可以將凹凸不平的地面平整為水平或是帶有一定坡度的地面［4］。土地平整主要分為基本土地平整和精細(xì)土地平整，精細(xì)平整設(shè)備主要包括激光控制平地設(shè)備和GNSS控制平地設(shè)備［5］。

GNSS精準(zhǔn)平地設(shè)備作業(yè)不受地形影響，可以進(jìn)行地形測量和路徑規(guī)劃作業(yè)，還具備可視化和智能化水平高的優(yōu)點［6］。和傳統(tǒng)的GNSS單缸平地機相比，GNSS精準(zhǔn)平地系統(tǒng)有兩個液壓油缸控制平地鏟的升降，在坡度較大的農(nóng)田工作時，可以通過伸縮液壓油缸來調(diào)節(jié)平地鏟高度［7］。除此之外系統(tǒng)改善了平地機的調(diào)平機構(gòu)，通過控制平地鏟姿態(tài)角的大小來控制平地鏟的水平，使平地鏟始終保持水平，不受地形影響。系統(tǒng)操控方便，運用靈活，靈敏度的可視化程度高，極大地提高了土地平整精度［8］。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

雙天線GNSS的精準(zhǔn)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。精準(zhǔn)平地系統(tǒng)軟件可以完成地形測量、路線規(guī)劃、精準(zhǔn)平地、作業(yè)回放、作業(yè)評價等功能。當(dāng)進(jìn)行精準(zhǔn)平地試驗前，首先對試驗田進(jìn)行地勢測量，利用雙天線衛(wèi)星定位測量、記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到試驗田地形圖，為確定基準(zhǔn)高程和規(guī)劃路線提供參考［9］。當(dāng)軟件運行正常，接收數(shù)據(jù)良好后，設(shè)定平地鏟的基準(zhǔn)高程和姿態(tài)角。GNSS基準(zhǔn)站發(fā)送差分的衛(wèi)星信號精確地定位平地鏟的確切位置，系統(tǒng)通過判斷平地鏟高程和基準(zhǔn)高程之間的差距、姿態(tài)角和標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)角的差距自主調(diào)節(jié)平地機高程和姿態(tài)。如果平地鏟需要上升，電磁換向閥左側(cè)的電磁鐵通電，液壓油缸伸長；如果平地鏟需要下降，電磁換向閥右側(cè)的電磁鐵通電，液壓油缸縮短；如果平地鏟不需要調(diào)節(jié)高度和姿態(tài)，電磁換向閥處于中位狀態(tài)，液壓油缸保持不動。左右液壓油缸單獨具備上述3種運動狀態(tài)，經(jīng)過組合，共有9種不同的運動情況可實現(xiàn)單獨調(diào)節(jié)，滿足平地過程中不同的土地狀態(tài)。

圖1 雙天線GNSS的精準(zhǔn)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of GNSS precision control system for dual antennas

2 平地試驗

在試驗開始前，首先對試驗田進(jìn)行地形測量，為平地質(zhì)量的優(yōu)劣提供參考［10］。將GNSS基準(zhǔn)站安裝在試驗田地頭，GNSS移動站安裝在平地鏟兩側(cè)，精準(zhǔn)平地軟件安裝在拖拉機駕駛室內(nèi)的車載式觸控一體機，四路控制器連接液壓系統(tǒng)。在試驗開始前，首先打開精準(zhǔn)平地控制軟件調(diào)試串口號和波特率，點擊開始接收按鈕，系統(tǒng)接收平地鏟的經(jīng)度、緯度、高程、姿態(tài)角等信息。約60 s后，系統(tǒng)接收信號平穩(wěn)，設(shè)置平地鏟的工作高程和姿態(tài)角，點擊開始作業(yè)按鈕，平地機開始平地。試驗結(jié)束后，對作業(yè)路徑進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對試驗田作差值高程圖，分析實驗效果，軟件自動將平地過程中平地鏟的平土方量計算出，顯示出平地機工作路線圖。

3 精準(zhǔn)平地試驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 精準(zhǔn)平地實驗

2019年3月17日在八五三農(nóng)場進(jìn)行了精準(zhǔn)平地試驗，土地平整前地形圖如圖2所示。經(jīng)過雙天線GNSS精準(zhǔn)平地系統(tǒng)的作業(yè)后，系統(tǒng)記錄的拖拉機行駛路線如圖3所示。對試驗田再次進(jìn)行地形分析，得到地形圖如圖4所示。

圖2 試驗田平整前地勢圖Fig.2 Topography map of test field before levelling

圖3 拖拉機行駛路線Fig.3 Tractor route

圖4 試驗田平整后地形圖Fig.4 Topographic map of the experimental field after levelling

3.2 平地質(zhì)量評價方法

3.2.1 最大傾角

該試驗利用最大傾角指標(biāo)描述GNSS移動站在平地過程中系統(tǒng)記錄下的平地鏟姿態(tài)角的最大值，可用來對農(nóng)田局部平整情況進(jìn)行評價。該試驗采用車載式測量方法對試驗田進(jìn)行測量，在平地鏟兩端分別安裝GNSS移動站可測出平地鏟所處局部地形的傾角，aj（j=1，2，…，N）表示測得的局部地形傾角，αmax表示局部地形最大傾角值，公式為：

3.2.2 高差分布列

該實驗采取高差分布列（Elevation Difference）用于評價農(nóng)田地表地貌的差異及地形分布特征，評價農(nóng)田平整后地表高度和基準(zhǔn)平面差距的分布情況。計算方法為：計算記錄點高程與基準(zhǔn)平面的垂直距離小于某一數(shù)值的點占所有點數(shù)的百分比數(shù)。如果選取評價標(biāo)準(zhǔn)為土地高程與基準(zhǔn)高程的距離小于0.03 m，則小于0.03 m的高差分布列PED計算為：

式（2）中，N代表系統(tǒng)收集到的高程數(shù)據(jù)總個數(shù)，p｛dj≤0.03｝為所有測點到基準(zhǔn)平面垂直距離小于0.03 m的各點數(shù)和。

3.2.3 最大高差

該試驗利用最大高差指標(biāo)評價試驗田的整體高程變化情況和平整情況，Hmax代表實驗田的最大高程，Hmin代表試驗田的最小高程，主要功能為評價試驗田水平平整效果，用ΔHmax表示，計算公式為：

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

利用Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到高程和基準(zhǔn)高程折線圖如圖5所示，得到俯仰角和標(biāo)準(zhǔn)俯仰角折線圖如圖6所示。

圖5 高程和基準(zhǔn)高程折線圖Fig.5 Elevation and datum elevation line chart

圖6 俯仰角和標(biāo)準(zhǔn)俯仰角折線圖Fig.6 Elevation angle and standard pitch angle line chart

從高程和基準(zhǔn)高程折線圖中可以看到平地鏟的高程變化范圍在15 cm之間，調(diào)整快速準(zhǔn)確，響應(yīng)性好。從俯仰角和標(biāo)準(zhǔn)俯仰角折線圖中可以得出平地鏟的俯仰角的變化范圍為2°，可以實現(xiàn)根據(jù)地形變化實時調(diào)節(jié)平地鏟姿態(tài)的目的。對試驗數(shù)據(jù)做描述性統(tǒng)計分析如表1所示，N代表系統(tǒng)記錄的平地鏟的高程和俯仰角的個數(shù)，利用最大傾角、最大高差和高差分布列等指標(biāo)對平地效果進(jìn)行評價。

表1 高程和俯仰角描述性統(tǒng)計資料Table 1 Descriptive statistics on elevation and pitch angle

由描述性統(tǒng)計資料可以直觀得出該次試驗最大高差αmax=1°，即平地鏟變化范圍小，始終保持平穩(wěn)，達(dá)到平地鏟姿態(tài)調(diào)平的目標(biāo)。

該實驗的評價標(biāo)準(zhǔn)為0.025 m，則試驗田高差分布列為：

即試驗田平整后記錄點到基準(zhǔn)平面距離小于2.5 cm的點占總試驗田面積60%以上，平地效果良好。

由記錄數(shù)據(jù)得知該試驗田的最大高程Hmax=82.551 m，最小高程Hmin=82.412 m，既得ΔHmax=82.551-82.412=0.139 m。該次精準(zhǔn)平地試驗將試驗田從平整前的0.245 m高差縮減到0.139 m，大大提高了試驗田的平整度，達(dá)到試驗預(yù)想效果。

4 結(jié)論

該文設(shè)計的精準(zhǔn)平地系統(tǒng)經(jīng)過試驗田實驗，達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)?？梢詫崿F(xiàn)精確測量農(nóng)田地勢地形圖，根據(jù)衛(wèi)星信號的反饋精準(zhǔn)調(diào)控液壓系統(tǒng)的升降使平地鏟高度和姿態(tài)角始終保持設(shè)計基準(zhǔn)的要求。實驗結(jié)果顯示，雙天線GNSS精準(zhǔn)平地控制系統(tǒng)符合精準(zhǔn)平地要求，可實現(xiàn)地形測量、路徑規(guī)劃、平地作業(yè)和作業(yè)效果分析功能。

試驗結(jié)果表明，高度差小于0.025 m的高差分布列大于60%，俯仰角變化范圍小于2°，實現(xiàn)精準(zhǔn)平地作業(yè)。該系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、方便操作、滿足工作要求等優(yōu)良性能。但是標(biāo)準(zhǔn)的水稻試驗田高程差在5 cm以內(nèi)，系統(tǒng)的工作質(zhì)量還沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水稻試驗田平整度要求。在試驗過程中存在平地鏟振動超調(diào)的現(xiàn)象，精準(zhǔn)控制平地系統(tǒng)有待改善，定于2019年秋季水稻收獲后，再次做土地平整實驗，以檢驗系統(tǒng)的工作性能。