基于田間地面不平度測試裝置的激光傳感器標(biāo)定

王利娟，閆建國，張 永，崔紅梅，劉海洋

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

田間地面不平度是引起農(nóng)業(yè)機(jī)械振動(dòng)的主要激勵(lì)源，振動(dòng)不僅嚴(yán)重危害操作人員的身體健康[1]，且使農(nóng)業(yè)機(jī)械的機(jī)身、零部件長時(shí)間承受較大的動(dòng)載荷，加速了機(jī)械部件的疲勞損壞，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械維修次數(shù)的增加和使用壽命的縮短，從而影響和制約農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率[2-3]。在分析農(nóng)用車輛的振動(dòng)特性時(shí)，需獲得田間地面不平度信息和車輛的振動(dòng)傳遞特征，后者可通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)分析的方法獲得，但前者需通過實(shí)驗(yàn)測試后統(tǒng)計(jì)分析得到[4]。因此，測試和研究田間地面不平度可為研究農(nóng)業(yè)機(jī)械振動(dòng)特性、改善和提高其舒適性能提供重要依據(jù)。

目前，田間地面不平度的測取還沒有成熟的商業(yè)產(chǎn)品，已有的測試裝置大多是對田間地面不平度的靜態(tài)測試[5-6]。該方法測試效率較低，主要用于土壤風(fēng)蝕等研究。開發(fā)的田間地面不平度動(dòng)態(tài)測試裝置基本都附帶于農(nóng)業(yè)機(jī)械的后方[7-8]，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)田間地面不平度的動(dòng)態(tài)測試，但不能解決田間地面不平度數(shù)據(jù)與由該不平度引起的拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)適時(shí)對應(yīng)的問題，不利于準(zhǔn)確研究農(nóng)業(yè)機(jī)械與田間地面的耦合作用機(jī)理。

為解決上述問題，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了一種田間地面不平度測試裝置，能夠有效克服現(xiàn)有測試裝置存在的缺陷。該裝置通過激光傳感器來測取地面的不平度數(shù)據(jù)，因此激光傳感器的精確標(biāo)定是測試裝置不平度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的基礎(chǔ)和保障。根據(jù)田間地面不平度測試裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了該測試裝置中激光傳感器的標(biāo)定方法(即分段擬合標(biāo)定方法)，并通過在田間高粱茬地的不平度檢驗(yàn)，驗(yàn)證了此標(biāo)定方法的可行性和測試裝置的可靠性。

1 田間不平度測試裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 測試裝置的結(jié)構(gòu)

田間地面不平度測試裝置主要由測試機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。測試機(jī)構(gòu)主要由拖拉機(jī)連接座、牽引橫梁、傳感器橫梁、地輪、平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)和不平度感應(yīng)片等部分組成，如圖1所示。其中，拖拉機(jī)連接座由平臺(tái)、安裝座及連接桿等組成，平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)由上鉸接板、下鉸接板、地輪導(dǎo)桿和套筒導(dǎo)桿等組成。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由左右激光傳感器、1～4號(hào)加速度傳感器、GPS測速傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、模擬多路開關(guān)、硬件積分器、高速數(shù)據(jù)采集處理器、RS232通信接口Ⅰ、RS232通信接口Ⅱ、PC機(jī)和電源管理模塊組成，如圖2所示。

1.2 測試裝置的工作原理

圖1中，不平度測試機(jī)構(gòu)通過拖拉機(jī)連接座上的連接桿安裝于拖拉機(jī)前方的配重塊中，兩根平行設(shè)置的牽引橫梁通過銷子連接在拖拉機(jī)連接座上，在牽引橫梁的兩端通過地輪導(dǎo)桿各安裝1個(gè)平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，每個(gè)平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的底部安裝1個(gè)地輪座，地輪則安裝在地輪座上。整個(gè)測試機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)直徑為30cm的地輪所支撐，不平度感應(yīng)片安裝在地輪座的上部。在測試過程中，地輪可跟隨地面高程變化而相對于測試機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)，由平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)確保地輪座上部的不平度感應(yīng)片在地輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)始終保持平行于地平面。地輪彈簧可確保地輪和測試地面時(shí)刻保持接觸，整個(gè)測試架由鋁合金材料制成，質(zhì)量較小，可近似認(rèn)為地輪不改變地表形狀，測量的結(jié)果可有效反應(yīng)田間地面的不平度。兩個(gè)激光傳感器安裝在傳感器橫梁上，并分別與兩側(cè)的不平度感應(yīng)片相對應(yīng)，即布置在不平度感應(yīng)片的正上方，用來測試傳感器橫梁和不平度感應(yīng)片之間的距離。通過激光傳感器測試不平度感應(yīng)片的垂直位移來測得田間地面的原始不平度，避免了田間雜草或作物根茬對地面不平度測試的影響，特別適合對草地、免耕留茬地等田間地面不平度的測試。地輪間距及平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)與牽引橫梁的相對高度均可通過中部調(diào)節(jié)套筒和端部調(diào)節(jié)套筒來調(diào)節(jié)，以測試不同寬度的平行軌跡的地面不平度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測試和采集田間地面不平度數(shù)據(jù)。其中，激光傳感器通過信號(hào)調(diào)理單元連接到高速數(shù)據(jù)采集處理器；1～4號(hào)加速度傳感器安裝在拖拉機(jī)車輪中心部位的車橋上，通過模擬多路開關(guān)、硬件積分器連接到高速數(shù)據(jù)采集處理器上，用于測試拖拉機(jī)車輪振動(dòng)而間接獲取測試地面的有效不平度；GPS速度傳感器安裝于拖拉機(jī)駕駛室頂部，用于測試拖拉機(jī)的行駛速度，通過RS232通信接口Ⅰ與高速數(shù)據(jù)采集處理器連接。數(shù)據(jù)采集處理器通過RS232通信接口Ⅱ與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，利用LabVIEW軟件編程，將根據(jù)從PC機(jī)接收到的采集控制命令對模擬多路開關(guān)、硬件積分器和所有傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)采集和記錄；同時(shí)將所采集的各傳感器的測量數(shù)據(jù)返回到PC機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行初步分析處理，并實(shí)時(shí)顯示。電源管理模塊對供電電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和濾波，以滿足所有傳感器、PC機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集處理器的工作電壓?；谠摬黄蕉葴y試裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可擴(kuò)展和開發(fā)車輛振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的同步數(shù)據(jù)采集，為進(jìn)一步研究地面不平度與車輛耦合振動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

2 激光傳感器的標(biāo)定

激光位移傳感器具有測試精度高和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在地面不平度測試中也有廣泛應(yīng)用[6]，而傳感器的精確標(biāo)定是后續(xù)數(shù)據(jù)測試的基礎(chǔ)和保障，因此在使用傳感器前必須對其性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，以提高不平度測試的準(zhǔn)確性。

1.傳感器橫梁 2.拖拉機(jī)連接座 3.牽引橫梁 4.激光傳感器 5.端部調(diào)節(jié)套筒 6.上鉸接板 7.中部調(diào)節(jié)套筒 8.地輪導(dǎo)桿 9.套筒導(dǎo)桿 10.下鉸接板 11.端板 12.地輪 13.地輪座 14.側(cè)耳 15.螺紋桿 16.螺母 17.地輪彈簧 18.不平度感應(yīng)片

圖2 數(shù)據(jù)采集終端的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of data acquisition system

2.1 傳感器的標(biāo)定原理

傳感器的標(biāo)定就是通過試驗(yàn)建立傳感器輸出與輸入之間的對應(yīng)關(guān)系，并確定在不同使用條件下的誤差關(guān)系。其標(biāo)定方法是利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知非電量(即標(biāo)準(zhǔn)輸入量)，對被標(biāo)定傳感器的相應(yīng)輸出量進(jìn)行測試，并與標(biāo)準(zhǔn)輸入量進(jìn)行比較，作出標(biāo)定曲線，從而得到傳感器的實(shí)際測量結(jié)果，最后推斷出所標(biāo)定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)[9]。

2.2 傳感器的型號(hào)與接線

文中設(shè)計(jì)的不平度測試裝置所用的測距儀器是美國邦納LT3NU W/30型激光位移傳感器，測試精度1mm，最大采樣頻率450Hz，測試距離范圍是0.3～5m，對應(yīng)的模擬量輸出電壓范圍是0～10VDC信號(hào)。LT3NU激光測距儀接線圖如圖3所示。選用0～10V模擬量輸出進(jìn)行標(biāo)定，棕色端接24V DC正極端，藍(lán)色端接24V DC 負(fù)極端，白色端和綠色端分別接DCS500模擬量輸入通道的正極端和負(fù)極端，屏蔽線接GND。

圖3 LT3NU激光測距儀接線圖Fig.3 Wiring diagram of LT3NU laser sensor

2.3 激光傳感器的標(biāo)定設(shè)計(jì)

工程測試中，傳感器的標(biāo)定應(yīng)結(jié)合其使用特點(diǎn)和條件，根據(jù)測試目標(biāo)距離范圍確定傳感器的標(biāo)定位移范圍，使0～10V的傳感器輸出電壓分布在測試所需的目標(biāo)距離范圍，實(shí)現(xiàn)小的距離范圍對應(yīng)有大的傳感器信號(hào)電壓輸出特征，達(dá)到提高位移測試精度的目標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)測試農(nóng)田地面的不同特征，不平度測試分別采用直接測試法和間接測試法，兩種測試方法的測試距離范圍也有所差別，因此采用分段擬合標(biāo)定法來進(jìn)一步提高田間地面的不平度測試精度。

本文所用激光位移傳感器安裝于農(nóng)田地面不平度測試裝置的傳感器橫梁上(見圖1)，距離地面的高度是1.15m，與地輪上方的不平度感應(yīng)片之間距離是0.75m。根據(jù)測試農(nóng)田地面特征的不同，不平度測試分別采用直接測試法和間接測試法。直接測試法是傳感器直接測試地面的高程變化來測得地面不平度，適用于測試田間路面或沒有植物的地面不平度；間接測試是通過測試不平度感應(yīng)片的高度變化來測得地面不平度，適用于測試田間有雜草或作物根茬的地面不平度。

根據(jù)ISO8608對路面不平度的分級(jí)[10]，8級(jí)路面(即不平度最大的H級(jí)路面)的位移高程均方根值為487.22×10-3m。已有研究表明，農(nóng)田地面不平度多數(shù)介于C級(jí)、D級(jí)和E級(jí)之間[7]，因此農(nóng)田地面不平度高程變化范圍不超過0.1m，由此確定在直接測試中傳感器的位移范圍是1.1～1.2m；為留有測試余量，標(biāo)定范圍確定為1.05～1.3m，在間接測試中傳感器的位移范圍是0.7～0.8m，為留有測試余量，標(biāo)定范圍確定為0.6～0.85m。因此，確保傳感器在0.6～1.3m范圍內(nèi)的測試精度對該不平度測試裝置的測試準(zhǔn)確性是非常關(guān)鍵的。

激光位移傳感器的測試距離范圍是0.3～5m，對應(yīng)的模擬量輸出電壓范圍是0～10VDC信號(hào)，而在該不平度測試系統(tǒng)中所需的測試距離范圍是0.6～1.3m。為了既能完成實(shí)測任務(wù)，留有一定的測試余量，又能保證傳感器的測試精度，選擇其最小的標(biāo)定位移值為0.3m，最大的標(biāo)定位移值為2.2m。在該位移范圍先整體標(biāo)定，然后再采用分段擬合標(biāo)定法，比較兩種標(biāo)定法的測試效果。

2.4 激光傳感器的標(biāo)定步驟

激光傳感器由激光傳感器、萬用表、1號(hào)標(biāo)定桿、2號(hào)標(biāo)定桿、激光傳感器固定座及激光感應(yīng)板(粘貼有白色相紙)組成，如圖4所示。

1.萬用表 2.激光感應(yīng)板 3.1號(hào)標(biāo)定桿 4.激光傳感器 5.激光傳感器固定座 6.2號(hào)標(biāo)定桿

圖4中，1號(hào)標(biāo)定桿與2號(hào)標(biāo)定桿保持垂直放置，傳感器固定在傳感器固定座上、萬用表的正負(fù)極分別與傳感器白色端和地端連接。根據(jù)LT3NU激光位移傳感器的標(biāo)定說明，標(biāo)定操作步驟如下：

1)在LT3NU激光位移傳感器的顯示面板上，按TEACH示教鍵，進(jìn)入示教模式，此時(shí)TEACH綠色指示燈點(diǎn)亮；

2)將激光感應(yīng)板放置在最小位移值0.3m位置處，定穩(wěn)后再按TEACH示教鍵，標(biāo)定最小值，此時(shí)TEACH綠色指示燈閃爍；

3)再將激光感應(yīng)板放置在最大位移值2.2m位置處，定穩(wěn)后再按TEACH示教鍵，標(biāo)定最大值，此時(shí)TEACH綠色燈熄滅，標(biāo)定完成；

4)將激光感應(yīng)板放置在所設(shè)計(jì)的測量點(diǎn)位置處，利用激光傳感器進(jìn)行測量，讀出萬用表讀數(shù)，驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果是否正確。

以1號(hào)激光位移傳感器的標(biāo)定為例，按照上述步驟，0.3～2.2 m范圍傳感器標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 激光傳感器在0.3-2.2 m范圍的標(biāo)定參數(shù)Table 1 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 0.3-2.2 m

選取表1中所列出的標(biāo)準(zhǔn)距離，采用萬用表測量出激光傳感器對應(yīng)的輸出電壓值。利用最小二乘法將標(biāo)準(zhǔn)距離和傳感器輸出電壓擬合得到傳感器的特性方程為y=0.190x+0.286，x是傳感器電壓(V)，y是測試距離(m)，如圖5所示。根據(jù)擬合方程可以得到對應(yīng)傳感器輸出電壓的計(jì)算距離，便可求得0.3～2.2m的傳感器測試范圍內(nèi)絕對誤差為2.8～21.9mm。

圖5 激光傳感器在0.3～2.2m范圍的擬合圖Fig.5 Fitting diagram of laser sensor in 0.3-2.2 m range

提高傳感器測試的精確性是傳感器標(biāo)定的目標(biāo)，為了減少測量誤差，使得傳感器的測試結(jié)果更準(zhǔn)確，根據(jù)不平度測試裝置的實(shí)際需要，直接測試中傳感器的標(biāo)定范圍為1.05～1.3m，間接測試中傳感器的標(biāo)定范圍為0.6～0.85m。因此，采用分段擬合標(biāo)定方法，即選取0.6～0.85m范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)距離值與傳感器輸出電壓值進(jìn)行擬合，得到的傳感器特性方程為y=0.222x+0.222，如圖6所示。根據(jù)擬合方程可得到計(jì)算距離和誤差值，如表2所示。選取1.05～2.2m范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)距離值與傳感器輸出電壓值進(jìn)行擬合，得到的傳感器特性曲線為y=0.1971x+0.2396，如圖7所示。根據(jù)擬合方程可以得到計(jì)算距離與誤差值，如表3所示。

圖6 激光傳感器在0.6～0.85m范圍的擬合圖Fig.6 Fitting diagram of laser sensor in 0.6～0.85 mrange

表2 激光傳感器在0.6～0.85m范圍的標(biāo)定參數(shù)Table 2 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 0.6～0.85m

圖7 激光傳感器在1.05～1.3m范圍的擬合圖Fig.7 Fitting diagram of laser sensor in 1.05～1.3mrange

由圖6可以看出：其擬合方程在0.6～0.85m范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的線性特征，各測量點(diǎn)較理想的落在擬合線上。由表2可以看出：該擬合方程使傳感器在0.6～0.85m范圍測試時(shí)的絕對誤差為0.5～5mm，而采用整段標(biāo)定法時(shí)傳感器在0.6～0.85m范圍的誤差為5.2～21.9mm(見表1)。因此，分段擬合標(biāo)定法明顯減小了測試誤差，保障了不平度測試裝置在間接測試地面不平度時(shí)的準(zhǔn)確性。

由圖7可以看出：其擬合方程在1.05～1.3m范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的線性特征，各測量點(diǎn)均較理想的落在擬合線上。由表3可以看出：該擬合方程使傳感器在1.05～1.3m范圍測試時(shí)的絕對誤差是0～0.9mm，而采用整段標(biāo)定法時(shí)傳感器在1.05～1.3m范圍的誤差是8.2～11.3mm(見表1)?？梢姡侄螖M合標(biāo)定法明顯減小了測試誤差，保障了不平度測試裝置在直接測試地面不平度時(shí)的準(zhǔn)確性。

表3 激光傳感器在1.05～1.3m范圍的標(biāo)定參數(shù)Table 3 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 1.05～1.3m

采用分段擬合標(biāo)定方法，提高了激光傳感器的測試精度，保證了測試裝置測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。2號(hào)激光位移傳感器的標(biāo)定方法也采用類似于1號(hào)傳感器的標(biāo)定方法。

3 傳感器動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)田間試驗(yàn)

3.1 動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證傳感器標(biāo)定的準(zhǔn)確性及不平度測試裝置的測試效果，在高粱茬田地上對檢驗(yàn)裝置的輪廓進(jìn)行測試。檢驗(yàn)裝置是兩個(gè)木制的梯形凸臺(tái)，尺寸如圖8所示。

圖8 梯形凸臺(tái)尺寸Fig.8 Trapezoidal bump dimensions

其中，0.7m和0.9m的凸臺(tái)分別放置于左右兩側(cè)，不平度測試裝置的左右地輪分別經(jīng)過左右凸臺(tái)，通過比較凸臺(tái)的測量輪廓與實(shí)際輪廓之間的差異來驗(yàn)證，該方法通常可用于不平度測試裝置測試效果的檢驗(yàn)[11]。拖拉機(jī)附帶不平度測試裝置的測試速度保持在1km/h。測量輪廓與實(shí)際輪廓之間的差異可以用均方根誤差(RMSE)來表示。

其中，ymi是與i時(shí)刻對應(yīng)的凸臺(tái)輪廓的測量值；yai是與i時(shí)刻對應(yīng)的凸臺(tái)輪廓的實(shí)際值；n是凸臺(tái)點(diǎn)的測量點(diǎn)數(shù)。

3.2 檢驗(yàn)結(jié)果

不平度測試裝置在高粱茬地中的檢驗(yàn)如圖9所示，測得的凸臺(tái)輪廓較好地貼合檢驗(yàn)凸臺(tái)的實(shí)際輪廓。其中，0.7m凸臺(tái)和0.9m凸臺(tái)的實(shí)際輪廓的均方根值RMS分別為78.6mm和74.5mm，測試裝置在高粱茬田間的測量輪廓均方根值RMS分別為 79.8mm和76.2mm，左右兩凸的均方根誤差RMSE分別為3.4mm和4.5mm。測試裝置在高粱茬田間的不平度測試有效性檢驗(yàn)中的均方根誤差RMSE均不超過6mm，所以凸臺(tái)測試的均方根誤差RMSE相對于其均方根值RMS很小。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的不平度測試裝置及其激光位移傳感器的標(biāo)定方法能夠滿足田間地面不平度測試的要求。

圖9 測試裝置在高粱茬田間不平度的有效性檢驗(yàn)Fig.9 Validity check of profling test in sorghum stubble field

4 結(jié)論

1)開發(fā)了一種田間地面不平度測試裝置，利用激光傳感器測量不平度感應(yīng)片的垂直位移來獲取田間地面的原始不平度，避免了田間雜草或作物根茬對測試結(jié)果的影響，提高了田間地面不平度的測試效率。其安裝于拖拉機(jī)前方的測試機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，保證了田間地面不平度數(shù)據(jù)與由其引起的拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對應(yīng)，使田間地面不平度的測試更具現(xiàn)實(shí)意義。

2)根據(jù)不平度測試裝置的測試位移范圍，提出了分段擬合標(biāo)定方法。在0.6～0.85 m范圍內(nèi)，傳感器的測試誤差范圍由5.2～29.1mm減小為0.5～5mm；在1.05～1.3m范圍內(nèi)，傳感器的測試誤差范圍由8.2～11.3 mm減小為0～0.9mm。由此保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)通過兩個(gè)尺寸已知的木制梯形凸臺(tái)對測試裝置的測試效果進(jìn)行檢驗(yàn)，在高粱茬田地中，左右兩凸臺(tái)的RMSE值分別為3.4mm和4.5mm，滿足田間地面不平度測試的要求。