王利娟，閆建國，張 永，崔紅梅，劉海洋

(內蒙古農業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

田間地面不平度是引起農業(yè)機械振動的主要激勵源，振動不僅嚴重危害操作人員的身體健康[1]，且使農業(yè)機械的機身、零部件長時間承受較大的動載荷，加速了機械部件的疲勞損壞，導致農業(yè)機械維修次數的增加和使用壽命的縮短，從而影響和制約農業(yè)機械的作業(yè)效率[2-3]。在分析農用車輛的振動特性時，需獲得田間地面不平度信息和車輛的振動傳遞特征，后者可通過理論計算或實驗分析的方法獲得，但前者需通過實驗測試后統(tǒng)計分析得到[4]。因此，測試和研究田間地面不平度可為研究農業(yè)機械振動特性、改善和提高其舒適性能提供重要依據。

目前，田間地面不平度的測取還沒有成熟的商業(yè)產品，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，主要用于土壤風蝕等研究。開發(fā)的田間地面不平度動態(tài)測試裝置基本都附帶于農業(yè)機械的后方[7-8]，盡管能夠實現田間地面不平度的動態(tài)測試，但不能解決田間地面不平度數據與由該不平度引起的拖拉機動態(tài)響應數據適時對應的問題，不利于準確研究農業(yè)機械與田間地面的耦合作用機理。

為解決上述問題，筆者設計開發(fā)了一種田間地面不平度測試裝置，能夠有效克服現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據，因此激光傳感器的精確標定是測試裝置不平度數據準確采集的基礎和保障。根據田間地面不平度測試裝置的結構特點，提出了該測試裝置中激光傳感器的標定方法(即分段擬合標定方法)，并通過在田間高粱茬地的不平度檢驗，驗證了此標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構與工作原理

1.1 測試裝置的結構

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

數據采集系統(tǒng)主要由左右激光傳感器、1～4號加速度傳感器、GPS測速傳感器、信號調理單元、模擬多路開關、硬件積分器、高速數據采集處理器、RS232通信接口Ⅰ、RS232通信接口Ⅱ、PC機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，不平度測試機構通過拖拉機連接座上的連接桿安裝于拖拉機前方的配重塊中，兩根平行設置的牽引橫梁通過銷子連接在拖拉機連接座上，在牽引橫梁的兩端通過地輪導桿各安裝1個平行四邊形導引機構，每個平行四邊形導引機構的底部安裝1個地輪座，地輪則安裝在地輪座上。整個測試機構是由兩個直徑為30cm的地輪所支撐，不平度感應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構上下運動，由平行四邊形導引機構確保地輪座上部的不平度感應片在地輪上下運動時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刻保持接觸，整個測試架由鋁合金材料制成，質量較小，可近似認為地輪不改變地表形狀，測量的結果可有效反應田間地面的不平度。兩個激光傳感器安裝在傳感器橫梁上，并分別與兩側的不平度感應片相對應，即布置在不平度感應片的正上方，用來測試傳感器橫梁和不平度感應片之間的距離。通過激光傳感器測試不平度感應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引機構與牽引橫梁的相對高度均可通過中部調節(jié)套筒和端部調節(jié)套筒來調節(jié)，以測試不同寬度的平行軌跡的地面不平度。

數據采集系統(tǒng)用于測試和采集田間地面不平度數據。其中，激光傳感器通過信號調理單元連接到高速數據采集處理器；1～4號加速度傳感器安裝在拖拉機車輪中心部位的車橋上，通過模擬多路開關、硬件積分器連接到高速數據采集處理器上，用于測試拖拉機車輪振動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駕駛室頂部，用于測試拖拉機的行駛速度，通過RS232通信接口Ⅰ與高速數據采集處理器連接。數據采集處理器通過RS232通信接口Ⅱ與PC機實現通信，利用LabVIEW軟件編程，將根據從PC機接收到的采集控制命令對模擬多路開關、硬件積分器和所有傳感器數據實現動態(tài)采集和記錄；同時將所采集的各傳感器的測量數據返回到PC機，由PC機進行初步分析處理，并實時顯示。電源管理模塊對供電電源進行電壓轉換和濾波，以滿足所有傳感器、PC機和高速數據采集處理器的工作電壓?；谠摬黄蕉葴y試裝置的結構特點，可擴展和開發(fā)車輛振動響應信號的同步數據采集，為進一步研究地面不平度與車輛耦合振動奠定基礎。

2 激光傳感器的標定

激光位移傳感器具有測試精度高和性能穩(wěn)定等特點，在地面不平度測試中也有廣泛應用[6]，而傳感器的精確標定是后續(xù)數據測試的基礎和保障，因此在使用傳感器前必須對其性能指標進行試驗標定，以提高不平度測試的準確性。

1.傳感器橫梁 2.拖拉機連接座 3.牽引橫梁 4.激光傳感器 5.端部調節(jié)套筒 6.上鉸接板 7.中部調節(jié)套筒 8.地輪導桿 9.套筒導桿 10.下鉸接板 11.端板 12.地輪 13.地輪座 14.側耳 15.螺紋桿 16.螺母 17.地輪彈簧 18.不平度感應片

圖2 數據采集終端的結構框圖Fig.2 Block diagram of data acquisition system

2.1 傳感器的標定原理

傳感器的標定就是通過試驗建立傳感器輸出與輸入之間的對應關系，并確定在不同使用條件下的誤差關系。其標定方法是利用標準設備產生已知非電量(即標準輸入量)，對被標定傳感器的相應輸出量進行測試，并與標準輸入量進行比較，作出標定曲線，從而得到傳感器的實際測量結果，最后推斷出所標定傳感器的各項性能指標[9]。

2.2 傳感器的型號與接線

文中設計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，對應的模擬量輸出電壓范圍是0～10VDC信號。LT3NU激光測距儀接線圖如圖3所示。選用0～10V模擬量輸出進行標定，棕色端接24V DC正極端，藍色端接24V DC 負極端，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 激光傳感器的標定設計

工程測試中，傳感器的標定應結合其使用特點和條件，根據測試目標距離范圍確定傳感器的標定位移范圍，使0～10V的傳感器輸出電壓分布在測試所需的目標距離范圍，實現小的距離范圍對應有大的傳感器信號電壓輸出特征，達到提高位移測試精度的目標。同時，根據測試農田地面的不同特征，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定法來進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片之間距離是0.75m。根據測試農田地面特征的不同，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ISO8608對路面不平度的分級[10]，8級路面(即不平度最大的H級路面)的位移高程均方根值為487.22×10-3m。已有研究表明，農田地面不平度多數介于C級、D級和E級之間[7]，因此農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范圍內的測試精度對該不平度測試裝置的測試準確性是非常關鍵的。

激光位移傳感器的測試距離范圍是0.3～5m，對應的模擬量輸出電壓范圍是0～10VDC信號，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。為了既能完成實測任務，留有一定的測試余量，又能保證傳感器的測試精度，選擇其最小的標定位移值為0.3m，最大的標定位移值為2.2m。在該位移范圍先整體標定，然后再采用分段擬合標定法，比較兩種標定法的測試效果。

2.4 激光傳感器的標定步驟

激光傳感器由激光傳感器、萬用表、1號標定桿、2號標定桿、激光傳感器固定座及激光感應板(粘貼有白色相紙)組成，如圖4所示。

1.萬用表 2.激光感應板 3.1號標定桿 4.激光傳感器 5.激光傳感器固定座 6.2號標定桿

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

1)在LT3NU激光位移傳感器的顯示面板上，按TEACH示教鍵，進入示教模式，此時TEACH綠色指示燈點亮；

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

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

4)將激光感應板放置在所設計的測量點位置處，利用激光傳感器進行測量，讀出萬用表讀數，驗證標定結果是否正確。

以1號激光位移傳感器的標定為例，按照上述步驟，0.3～2.2 m范圍傳感器標定結果如表1所示。

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

選取表1中所列出的標準距離，采用萬用表測量出激光傳感器對應的輸出電壓值。利用最小二乘法將標準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。根據擬合方程可以得到對應傳感器輸出電壓的計算距離，便可求得0.3～2.2m的傳感器測試范圍內絕對誤差為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定的目標，為了減少測量誤差，使得傳感器的測試結果更準確，根據不平度測試裝置的實際需要，直接測試中傳感器的標定范圍為1.05～1.3m，間接測試中傳感器的標定范圍為0.6～0.85m。因此，采用分段擬合標定方法，即選取0.6～0.85m范圍內的標準距離值與傳感器輸出電壓值進行擬合，得到的傳感器特性方程為y=0.222x+0.222，如圖6所示。根據擬合方程可得到計算距離和誤差值，如表2所示。選取1.05～2.2m范圍內的標準距離值與傳感器輸出電壓值進行擬合，得到的傳感器特性曲線為y=0.1971x+0.2396，如圖7所示。根據擬合方程可以得到計算距離與誤差值，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范圍的標定參數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范圍內呈現較好的線性特征，各測量點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范圍測試時的絕對誤差為0.5～5mm，而采用整段標定法時傳感器在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的準確性。

由圖7可以看出：其擬合方程在1.05～1.3m范圍內呈現較好的線性特征，各測量點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范圍測試時的絕對誤差是0～0.9mm，而采用整段標定法時傳感器在1.05～1.3m范圍的誤差是8.2～11.3mm(見表1)。可見，分段擬合標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的準確性。

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

采用分段擬合標定方法，提高了激光傳感器的測試精度，保證了測試裝置測量結果的準確性。2號激光位移傳感器的標定方法也采用類似于1號傳感器的標定方法。

3 傳感器動態(tài)檢驗田間試驗

3.1 動態(tài)檢驗方法

為了驗證傳感器標定的準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裝置的輪廓進行測試。檢驗裝置是兩個木制的梯形凸臺，尺寸如圖8所示。

圖8 梯形凸臺尺寸Fig.8 Trapezoidal bump dimensions

其中，0.7m和0.9m的凸臺分別放置于左右兩側，不平度測試裝置的左右地輪分別經過左右凸臺，通過比較凸臺的測量輪廓與實際輪廓之間的差異來驗證，該方法通?？捎糜诓黄蕉葴y試裝置測試效果的檢驗[11]。拖拉機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時刻對應的凸臺輪廓的測量值；yai是與i時刻對應的凸臺輪廓的實際值；n是凸臺點的測量點數。

3.2 檢驗結果

不平度測試裝置在高粱茬地中的檢驗如圖9所示，測得的凸臺輪廓較好地貼合檢驗凸臺的實際輪廓。其中，0.7m凸臺和0.9m凸臺的實際輪廓的均方根值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中的均方根誤差RMSE均不超過6mm，所以凸臺測試的均方根誤差RMSE相對于其均方根值RMS很小。田間試驗結果表明：所設計的不平度測試裝置及其激光位移傳感器的標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Fig.9 Validity check of profling test in sorghum stubble field

4 結論

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。其安裝于拖拉機前方的測試機構與拖拉機實現同步運行，保證了田間地面不平度數據與由其引起的拖拉機動態(tài)響應數據的實時對應，使田間地面不平度的測試更具現實意義。

2)根據不平度測試裝置的測試位移范圍，提出了分段擬合標定方法。在0.6～0.85 m范圍內，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，傳感器的測試誤差范圍由8.2～11.3 mm減小為0～0.9mm。由此保證了測量結果的準確性。

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