王少農(nóng)，莊衛(wèi)東，王　熙

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

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基于GNSS的農(nóng)田平地系統(tǒng)試驗(yàn)研究

王少農(nóng)，莊衛(wèi)東，王熙

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

摘要：土地平整對(duì)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有非常重要的意義。進(jìn)行農(nóng)田土地平整，可以有效改善農(nóng)田表面狀況，提高農(nóng)田灌溉水的利用率，有利于控制雜草和蟲(chóng)害，提高化肥使用效率，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)精細(xì)地面灌溉。為了解決使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行土地平整地費(fèi)工費(fèi)時(shí)及作業(yè)質(zhì)量差的問(wèn)題，研發(fā)了新型GNSS平地系統(tǒng)，進(jìn)行了平地作業(yè)試驗(yàn)研究，為基于GNSS的農(nóng)田平地系統(tǒng)的研發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：GNSS；平地系統(tǒng)；自動(dòng)控制系統(tǒng)

0引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó), 發(fā)展農(nóng)業(yè)規(guī)?；途?xì)化生產(chǎn)離不開(kāi)土地平整技術(shù)。這種技術(shù)可以提高地面灌溉質(zhì)量，改善作物的種床條件，是實(shí)施“精細(xì)農(nóng)業(yè)”和建立現(xiàn)代地面節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)的重要工具[l]。

基于RTK-GNSS 控制的平地技術(shù)具有不受外界環(huán)境影響，能夠適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。作為新興的土地平整技術(shù)，其在發(fā)達(dá)國(guó)家已得到一定的應(yīng)用，包括日本的拓普康A(chǔ)GS土地平整系統(tǒng)和美國(guó)天寶公司FieldLevelⅡ系統(tǒng)、GCS900系統(tǒng)等。基于GNSS 的土地平整技術(shù)作為新興科技，在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已得到較好地應(yīng)用；而中國(guó)由于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)起步較晚，GNSS 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家有一定差距。然而，從國(guó)外引進(jìn)GNSS平地設(shè)備的價(jià)格比較高，平地成本較高，如美國(guó)天寶GNSS自動(dòng)平地控制系統(tǒng)低檔次的GNSS控制設(shè)備需要近4 000美元，約合3萬(wàn)多人民幣。一般的普通農(nóng)戶(hù)和一些小型的農(nóng)場(chǎng)根本無(wú)法承受。

在國(guó)內(nèi)，該技術(shù)尚處于初步的研發(fā)階段，目前只初步實(shí)現(xiàn)了作業(yè)前農(nóng)田地形測(cè)量及土地平整功能，而且測(cè)量精度相對(duì)較低。但是，隨著中國(guó)北斗系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展和完善，以及GNSS 定位精度的提高，適用于中國(guó)的GNSS 精細(xì)平整勢(shì)必會(huì)得到廣泛推廣應(yīng)用[2]。本文將GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))平地控制技術(shù)與中等馬力的拖拉機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了與中等馬力的拖拉機(jī)相配套的牽引式GNSS平地機(jī)，測(cè)試了平地鏟和液壓系統(tǒng)，并對(duì)平地機(jī)的高程運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，且在農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)的田間作業(yè)試驗(yàn)[2]。

GNSS平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)可使平地機(jī)按照駕駛員預(yù)先設(shè)定的高程進(jìn)行自動(dòng)平地控制，從而實(shí)現(xiàn)平地機(jī)自動(dòng)操作，保證平地機(jī)按照預(yù)先設(shè)定高程進(jìn)行精確平地。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、效率高、工作不受天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，高程控制精度可達(dá)到10cm(±5cm)；可對(duì)農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)有的拖拉機(jī)導(dǎo)航高精度GPS接收機(jī)及RTK差分站進(jìn)行充分利用，節(jié)省設(shè)備投資。創(chuàng)新研究通過(guò)軟件參數(shù)的設(shè)置來(lái)調(diào)控平地鏟油缸伸縮速度，通過(guò)控制液壓電磁閥占空比來(lái)控制液壓油流量，調(diào)控平地鏟升降速度，避免平地鏟超調(diào)震蕩，影響平地精度。

1系統(tǒng)的組成

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)田平地機(jī)的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)極為成熟，改進(jìn)的余地很小。其主要由平地鏟、液壓控制系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)3部分組成。其中，平地鏟部分和液壓系統(tǒng)部分的原理和功能也大致相同，很難通過(guò)其進(jìn)行改進(jìn)提高平地機(jī)的作業(yè)精度，而對(duì)平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究以提高平地機(jī)的作業(yè)精度和自動(dòng)化程度是近年來(lái)發(fā)展的主流。

對(duì)國(guó)內(nèi)外GNSS平地機(jī)控制系統(tǒng)情況進(jìn)行分析，總結(jié)出各種GNSS平地機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行GNSS農(nóng)田平地機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并提出新的適合黑龍江墾區(qū)的GNSS農(nóng)田平地機(jī)控制系統(tǒng)方案。利用MatLab中的仿真系統(tǒng)，建立了GNSS平地機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，得到了GNSS平地機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并仿真分析了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)出合理的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)組成: 以RTK-GNSS 接收設(shè)備為定位裝置，以車(chē)載式觸控一體機(jī)及控制器為控制中樞，以液壓系統(tǒng)平地鏟為機(jī)械動(dòng)力設(shè)備，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.拖拉機(jī)　2.車(chē)載觸控一體機(jī)　3.控制器　4.GNSS 移動(dòng)站

RTK(Real Time Kinematic)是 GNSS 實(shí)時(shí)處理定位的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種將 RTK 與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的實(shí)時(shí)載波相位測(cè)量的差分 GNSS定位，同時(shí)實(shí)時(shí)解算并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在1～2s時(shí)間內(nèi)得到高精度位置信息的技術(shù)[3]。

本文設(shè)計(jì)的GNSS定位系統(tǒng)主要包括以下兩個(gè)部分：

1) GNSS差分站?；鶞?zhǔn)站GNSS接收機(jī)及數(shù)傳發(fā)射器固定在三角架上。流動(dòng)站GNSS接收器置于平地機(jī)上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GNSS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀(guān)測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GNSS差分改正值。

2) GNSS接收器。流動(dòng)站的GNSS接收機(jī)固定安裝在平地機(jī)的平地鏟立桿上，通過(guò)電纜與平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備相連接；將接收到的差分信號(hào)通過(guò)RS-232串口發(fā)送到放置在控制箱中的嵌入式一體機(jī)中。

2土地平整方法對(duì)比

我國(guó)主要使用激光平地機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的土地精細(xì)平整作業(yè)，相比傳統(tǒng)的、通過(guò)肉眼校正平地機(jī)進(jìn)行平整地作業(yè)只能夠進(jìn)行粗平，使用激光平地機(jī)進(jìn)行作業(yè)能夠大幅度地提農(nóng)田的平整精度從而實(shí)現(xiàn)精平作業(yè)，自動(dòng)化程度較高。但是，激光平地機(jī)的作業(yè)精度易受地形和天氣等因素影響，如在強(qiáng)光、大風(fēng)或有霧環(huán)境下工作，會(huì)使平地機(jī)的平地精度受影響，產(chǎn)生較大誤差，影響平地作業(yè)精度。同時(shí)，由于激光平地機(jī)的接收器的垂直接收范圍有限，所以該技術(shù)難以對(duì)水田或高低起伏較高的土地進(jìn)行平地作業(yè)。在進(jìn)行大面積的農(nóng)田平整作業(yè)時(shí)，由于激光平地機(jī)的輻射半徑較小，有時(shí)在進(jìn)行平地作業(yè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)激光信號(hào)丟失現(xiàn)象，導(dǎo)致激光平地機(jī)無(wú)法正常工作，影響平地作業(yè)精度，且難以滿(mǎn)足農(nóng)田坡面平整要求[4]。

GNSS(Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))技術(shù)能夠獲取地表任何點(diǎn)的定位信息，具有測(cè)量速度快、工作效率高等突出特點(diǎn)，如圖2所示。隨著GNSS 定位精度的提高和設(shè)備成本的降低，其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

GNSS控制平地系統(tǒng)可提高農(nóng)田區(qū)域的土地平整作業(yè)精度，且可以全天候作業(yè)，受到天氣等外界因素影響小，自動(dòng)化控制程度較高。GNSS自動(dòng)控制在平地機(jī)上的應(yīng)用能大幅度地提高土地平整精度1～3 倍,其感應(yīng)系統(tǒng)的靈敏性至少比人工視覺(jué)判斷和平機(jī)具上操作人員的手動(dòng)液壓系統(tǒng)準(zhǔn)確10～50倍。其自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、作業(yè)效率高，適宜在常規(guī)粗平基上完成田面精平。

本文研究的GNSS平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)接收高精度的GPS高程信息，進(jìn)行高程定位，解決了平地機(jī)平地效果差的問(wèn)題。隨著墾區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，墾區(qū)大部分的大中型拖拉機(jī)配有GNSS接收器，且墾區(qū)大部分農(nóng)場(chǎng)建有GNSS固定差分站。安裝GNSS平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)可充分利用農(nóng)場(chǎng)的現(xiàn)有資源，節(jié)約了成本，有利其進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。

1.工作臺(tái)　2.GNSS移動(dòng)站　3.數(shù)傳接收電臺(tái)天線(xiàn)　4.GNSS衛(wèi)星

3GNSS在農(nóng)田平地作業(yè)中的應(yīng)用及試驗(yàn)

3.1田間試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省八五三農(nóng)場(chǎng)二分場(chǎng)第五作業(yè)站，試驗(yàn)田塊前茬為南瓜田，地塊長(zhǎng)約259m，寬約57m，地塊面積約1.46hm2。試驗(yàn)地塊相關(guān)情況如表1及圖3所示。

表1試驗(yàn)地塊邊界點(diǎn)數(shù)據(jù)表

Table 1The data sheet of the test block boundary

方位經(jīng)度緯度高程/m東南角132.92569446.42014386.569東北角132.92585146.41964286.597西南角132.92863146.42095687.277西北角132.92842046.42121787.268

圖3　試驗(yàn)地塊地形圖

3.2架設(shè)GNSS差分基準(zhǔn)站與移動(dòng)站

在進(jìn)行試驗(yàn)前，先把GNSS差分基站架設(shè)好，將GNSS差分基準(zhǔn)站架設(shè)在農(nóng)田附近，如圖4所示。

圖4　架設(shè)GNSS差分基準(zhǔn)站

開(kāi)始連接設(shè)置在平地機(jī)上的GNSS流動(dòng)站。農(nóng)用平地機(jī)的常用作業(yè)速度為粗平作業(yè)5～6km/h,細(xì)平作業(yè)6～8 km/h;用此速度即可開(kāi)始采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的坐標(biāo)點(diǎn)[6]。

3.3平地前農(nóng)田地形GNSS測(cè)量試驗(yàn)

在進(jìn)行平地作業(yè)前用車(chē)載GNSS在田間測(cè)量作業(yè)地號(hào)地表的起伏偏差，然后用MatLab軟件繪制出田地長(zhǎng)度方向的平均偏差三維立體圖。首先，打開(kāi)平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收GNSS 數(shù)據(jù)，然后通過(guò)農(nóng)用車(chē)輛牽引GNSS平地機(jī)在農(nóng)田中進(jìn)行大S形彎行走，進(jìn)行農(nóng)田動(dòng)態(tài)地形測(cè)量; 然后，從GNSS自動(dòng)控制系統(tǒng)中導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)MataLab成圖軟件，生成平地前后三維效果圖，并記錄數(shù)據(jù);最后，進(jìn)行比較分析土方量的多或少, 為駕駛員進(jìn)行粗平作業(yè)確定了重點(diǎn)刮土和填土部位。

采集得到的GNSS定位數(shù)據(jù)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)在程序中使用UTM投影，變換到了平面直角坐標(biāo)，如圖5所示。

圖5　作業(yè)前車(chē)載GNSS農(nóng)田地形測(cè)量軌跡圖

本文使用MatLab軟件作為GNSS數(shù)據(jù)處理和田地地形圖繪圖的工具。首先把通過(guò)記錄儀采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)和高程分別賦值給x、y、z3個(gè)變量。作業(yè)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)可先把記錄在.txt文件中的記錄導(dǎo)出到Excel表格中，再把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MatLab軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)MatLab軟件可以實(shí)現(xiàn)三維曲面圖形的快速繪制，插值數(shù)據(jù)生成的三維曲面圖，如圖6所示。

圖6　作業(yè)前車(chē)載GNSS農(nóng)田地形測(cè)量三維曲面圖

3.4田間土地平整作業(yè)試驗(yàn)

平地前田塊已經(jīng)耙好，把地塊平均分為3等份，分別進(jìn)行作業(yè)。在田邊選取合適的地點(diǎn)架設(shè)GNSS差分站天線(xiàn)，GNSS高程控制系統(tǒng)和水平控制系統(tǒng)的平地機(jī)田間作業(yè)情況如圖7所示。GNSS平地機(jī)作業(yè)應(yīng)分粗平和精平兩步進(jìn)行。粗平之前，地塊內(nèi)高低起伏偏差在80cm以?xún)?nèi),比較平緩的地塊, 粗平3～4遍便可完成[7]。

圖7　平地機(jī)正在進(jìn)行田間平地作業(yè)

經(jīng)過(guò)3～4遍粗平作業(yè)后, 觀(guān)察到農(nóng)田地塊地表基本平整時(shí), 調(diào)整GNSS平地控制系統(tǒng)的高程參數(shù)，進(jìn)行精細(xì)平整作業(yè)[8]。GNSS移動(dòng)站設(shè)置, 開(kāi)始連接設(shè)置在平地機(jī)上的GNSS流動(dòng)站。農(nóng)用平地機(jī)的常用作業(yè)速度為粗平作業(yè)5～6km/h，細(xì)平作業(yè)6～8 km/h；用此速度即可開(kāi)始采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的坐標(biāo)點(diǎn)，并使用自動(dòng)控制系統(tǒng)中記錄功能進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。

4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在GNSS平地?cái)?shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理時(shí)，除了將數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入文檔中進(jìn)行保存留檔之外，還要畫(huà)出坐標(biāo)點(diǎn)圖，選擇用MatLab軟件處理數(shù)據(jù)并繪制地形圖[9]。為了準(zhǔn)確地測(cè)量農(nóng)田作業(yè)區(qū)三維地形數(shù)據(jù)。使用MatLab軟件對(duì)農(nóng)田地形圖進(jìn)行繪制。

在GNSS平地控制試驗(yàn)中，通過(guò)MatLab軟件分析和數(shù)學(xué)推算，以MatLab實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的后處理，建立了平地作業(yè)GNSS軌跡圖，如圖8所示。

利用MatLab分析軟件極其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，制作出平地機(jī)作業(yè)地塊3D地形圖[10]，如圖9所示。

使用EXCEL軟件對(duì)平地試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到GNSS平地機(jī)作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，如表2所示。

經(jīng)過(guò)EXCEL軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖，如圖10所示。

圖8　平地機(jī)作業(yè)GNSS數(shù)據(jù)記錄軌跡圖

圖9　作業(yè)后車(chē)載GNSS農(nóng)田地形測(cè)量三維曲面圖

序號(hào)經(jīng)度緯度高程/m146.421087132.92807386.554246.421086132.92806886.554346.421088132.92807386.553446.421086132.92807186.553546.421088132.92806386.555????1096246.421084132.92807186.5521096346.421085132.92807286.552

圖10　試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖

5結(jié)論

1)通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，得出了GNSS平地機(jī)的高程響應(yīng)特性。高程液壓油缸和平地鏟的上升響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于下降響應(yīng)時(shí)間，約為下降響應(yīng)時(shí)間的1.98倍，平地鏟全程384mm，上升的時(shí)間為3.23～4.16s，下降所需時(shí)間為1.8s左右。

2)平地機(jī)GNSS高度控制器設(shè)置高程為86.548m，總記錄數(shù)據(jù)為10 963組，經(jīng)過(guò)EXCEL進(jìn)行分析可得到中位數(shù)86.577m，與設(shè)置高程為86.548m相差2cm，兩者非常接近。86.54～86.64cm出現(xiàn)次數(shù)為8 439次，占總數(shù)的77.81%，表明平地作業(yè)高程偏差10±5cm。

3)平地機(jī)田間試驗(yàn)表明：平地作業(yè)后土地的平整情況得到顯著改善，粗平作業(yè)后田面最大高程差由80cm降低到20cm，而精平作業(yè)后高程差變?yōu)?0±5cm，基本可應(yīng)用于土地平整作業(yè)。

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The Experimental Study of Farmland Leveling Operation Based on GNSS

Wang Shaonong, Zhuang Weidong, Wang Xi

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319,China)

Abstract：Land leveling is playing an more and more important role in the development of modern agriculture. If we do the farmland leveling on our land, it can effectively improve the farmland surface’s condition,it can also improve the utilization rate of irrigation water and conducive to control weeds and pests in the land,improve efficiency of using fertilizer, reducing environmental pollution, achieve precision ground irrigation.In order to solve the use of the traditional method to flat land which to the time-consuming work the problem of poor quality.The research and development of new GNSS flat system, experiments were carried out for the development of land leveling and provide the experience data.for leveling system which based on GNSS.

Key words：GNSS； land leveling machine； automatic control system experiment

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0199-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S281;S222.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王少農(nóng)(1989-)，男，黑龍江大慶人，碩士研究生，(E-mail) wangshaonong@163.com。通訊作者：莊衛(wèi)東(1970-)，男，江蘇邳縣人，教授，博士， (E-mail)81nd@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD04B01-06)；“十二五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2013AA040401)

收稿日期：2014-04-28