蔣嘯虎 佟 金 馬云海 李金光 吳寶廣 孫霽宇

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長春 130022； 2.賓夕法尼亞州立大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 斯泰特克里奇 PA 16802； 3.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130022)

0 引言

耕深是翻耕土壤時的一項重要技術(shù)指標(biāo)，不同耕作方式、不同土壤類型、不同作物對耕深的要求均不相同[1-6]，耕深對作物根系生長、機具作業(yè)能耗和作業(yè)質(zhì)量有重要影響[7-10]。因此，準(zhǔn)確檢測耕深對評估作物長勢、實時調(diào)節(jié)耕深具有重要意義，可為建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田提供數(shù)據(jù)支撐。

耕深檢測最初采用手工測量，但手工測量效率低，不能進行連續(xù)檢測[11]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器被用于耕深檢測，如超聲波傳感器、紅外傳感器等通過測量機架與地面之間的距離檢測耕深[12-14]，傾角傳感器、編碼器等通過機架角度的變化及幾何關(guān)系間接測量耕深[15-17]。土壤耕作時環(huán)境復(fù)雜，地表秸稈覆蓋、地表的起伏以及土塊等均會使超聲波傳感器接收回波存在誤差，導(dǎo)致耕深檢測不準(zhǔn)確[18]；傾角傳感器檢測耕深需利用仿形輪連桿角度變化或機架角度變化測量耕深，前者易受地形影響，后者在拖拉機改變懸掛方式時，由于幾何關(guān)系產(chǎn)生變化需要重新標(biāo)定傳感器，且不便于在其他型號機具上使用，通用性差[19]。

目前，耕深檢測裝置大多采用單一傳感器，易受環(huán)境影響，且檢測精度較低。為提高耕深檢測精度、減小環(huán)境對耕深檢測的影響，本文采用兩傳感器聯(lián)合檢測耕深，即基于超聲波傳感器、紅外傳感器設(shè)計一種耕深檢測裝置，并利用卡爾曼濾波方法將兩種傳感器的檢測數(shù)據(jù)進行濾波融合。

1 耕深檢測裝置設(shè)計

1.1 傳感器選取

傳感器是檢測裝置的關(guān)鍵部件，本耕深檢測裝置選取AJ-SR04M型超聲波傳感器和GP2Y0A21YK0F型紅外傳感器，兩傳感器的指標(biāo)參數(shù)如表1所示。工作時兩傳感器固定于機架下方，通過測量機架至地面的距離獲取耕深數(shù)據(jù)。

表1 傳感器指標(biāo)參數(shù)Tab.1 Parameters of sensors

1.2 耕深檢測原理

超聲波傳感器采用渡越時間法測量耕深，圖1為超聲波傳感器測量耕深的原理圖。在深松作業(yè)前可通過標(biāo)定提前測量超聲波傳感器發(fā)射端面至鏟尖的距離h1，深松作業(yè)時超聲波傳感器向地面發(fā)射超聲波并接收由地面反射的回波，通過記錄每次發(fā)射超聲波到接收回波的時間間隔Δt，便可計算出超聲波傳感器發(fā)射端面至地面的距離h2，即

(1)

式中vu——超聲波在空氣中傳播的速度

由此可知耕深h0為

(2)

圖1 超聲波傳感器耕深測量原理圖Fig.1 Principle diagram of ultrasonic sensor detecting tillage depth

紅外傳感器通過直射式三角測距法測量耕深，其測量原理圖如圖2所示。

圖2 紅外傳感器耕深測量原理圖Fig.2 Principle diagram of infrared sensor detecting tillage depth

根據(jù)Scheimpflug定律可知[20-21]，當(dāng)PQ為紅外傳感器的參考平面，此時紅外發(fā)射器至參考平面的距離l0、像距l(xiāng)1、物距l(xiāng)2、反射光線與入射光線的夾角α以及反射光線與紅外接收器的夾角β均為已知。在利用紅外傳感器測量耕深時，當(dāng)測量到被測平面P′Q′與參考平面PQ的距離y時，可知紅外傳感器與被測平面的距離為y+l0，當(dāng)被測平面與參考平面不重合時，反射光線在紅外接收器所呈的像會產(chǎn)生位移x，該位移x可由紅外傳感器直接測量得到，根據(jù)幾何關(guān)系可知

(3)

因此紅外傳感器測量耕深h0為

(4)

1.3 裝置樣機

通過3D打印技術(shù)制作耕深檢測裝置的殼體，其整體尺寸(長×寬×高)為12 cm5 cm4 cm。選取STM32F103C8T6單片機作為該耕深檢測裝置的處理器，STM32F103C8T6單片機具有40個引腳，除能滿足傳感器的控制連接外，多余引腳能用于后續(xù)功能擴展。為方便耕深檢測裝置的操作和數(shù)據(jù)顯示，選用5英寸電容觸摸屏(TJ8048T050_011R型)作為該裝置的顯示屏，該顯示屏通過串口與處理器連接，通過該觸摸屏可直接向處理器發(fā)送相關(guān)指令。同時該檢測裝置安裝有存儲芯片(AT24C02型)，可存儲耕深檢測數(shù)據(jù)以便進一步研究。耕深檢測裝置樣機如圖3所示。

圖3 耕深檢測裝置樣機Fig.3 Prototype of tillage detecting device

2 基于卡爾曼濾波的傳感器數(shù)據(jù)濾波融合

卡爾曼濾波以及數(shù)據(jù)融合能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測量數(shù)據(jù)中綜合估計系統(tǒng)的狀態(tài)，并且由于每次迭代只計算最新的測量數(shù)據(jù)，因此處理效率極高，被廣泛運用于工程、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[12, 22-24]。圖4是該耕深檢測裝置的工作流程圖，本文采用卡爾曼分布式融合測量[22,25-26]，由前文的分析可知，測量傳感器至地面的距離是準(zhǔn)確測量耕深的關(guān)鍵，因此設(shè)傳感器至地面的距離為該耕深檢測裝置的狀態(tài)量x，則系統(tǒng)預(yù)測方程為

(5)

Ai——狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，本文Ai=[1]

i=1時表示超聲波傳感器，i=2時表示紅外傳感器。

預(yù)測協(xié)方差為

(6)

圖4 耕深檢測裝置工作流程圖Fig.4 Flow chart of tillage depth detecting device

Pt-1,i——t-1時刻系統(tǒng)狀態(tài)協(xié)方差

Qi——系統(tǒng)過程噪聲，Q1=0.5，Q2=0.2

完成系統(tǒng)的預(yù)測后，可計算卡爾曼增益

(7)

式中Kt,i——卡爾曼增益值

Hi——系統(tǒng)觀測矩陣，Hi=[1]

Ri——觀測噪聲方差，R1=15，R2=10

因此，系統(tǒng)最優(yōu)估計值為

(8)

zt,i——傳感器在時刻t的測量值

在完成系統(tǒng)估計值后，對系統(tǒng)協(xié)方差進行更新

(9)

式中Ii——單位矩陣

在同一地塊進行深松作業(yè)時一般要求耕深保持不變，即在作業(yè)前需提前設(shè)置預(yù)定耕深h′，該耕深檢測裝置可計算超聲波傳感器和紅外傳感器檢測數(shù)據(jù)與預(yù)定耕深h′的偏差δt,i，即

δt,i=t,i-h′

(10)

通過計算偏差平方和來確定兩傳感器的加權(quán)因子ωt,i，即

(11)

(12)

由此可得在t時刻的耕深融合值

xt=t,1ωt,1+t,2ωt,2

(13)

通過循環(huán)執(zhí)行計算式(5)～(13)，即可得到超聲波傳感器和紅外傳感器在各時刻的濾波數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)。

3 室內(nèi)試驗

3.1 耕深檢測裝置靜態(tài)標(biāo)定試驗

為檢驗該耕深檢測裝置超聲波傳感器、紅外傳感器及其濾波融合后測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對耕深檢測裝置進行靜態(tài)標(biāo)定。利用鎮(zhèn)壓輥將土壤壓實平整后，分別將傳感器與地表距離設(shè)置為25、30、35、40、45、50 cm進行檢測。完成平整地的靜態(tài)標(biāo)定后，在地表均勻覆蓋秸稈然后在上述不同高度分別進行測量。

靜態(tài)標(biāo)定測量數(shù)據(jù)如表2所示，在無秸稈覆蓋的平整地面，超聲波傳感器最大測量誤差1.16 cm，平均誤差為0.83 cm，均方根誤差為0.86 cm。由表2可知，在平整地面超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)整體略大于實際測量距離，這是由于超聲波傳感器采用渡越時間法測距，而單片機在處理指令時需要額外的時間，造成時間間隔Δt大于超聲波實際傳播時間，由式(1)可知，此時超聲波測量距離大于實際距離。紅外傳感器最大測量誤差為0.60 cm，平均誤差為0.09 cm，均方根誤差為0.41 cm。由表2可知，紅外傳感器測量數(shù)據(jù)在實際距離附近略有波動，這是由于紅外傳感器采用的三角測量法不受測量時間的影響，但是紅外傳感器本身的零點漂移等造成了數(shù)據(jù)的波動。平整地面濾波融合數(shù)據(jù)的最大測量誤差為0.66 cm，平均誤差為0.20 cm，均方根誤差為0.40 cm。濾波融合數(shù)據(jù)的檢測精度優(yōu)于超聲波傳感器的檢測精度，與紅外傳感器測量數(shù)據(jù)較為接近。

表2 耕深檢測裝置靜態(tài)標(biāo)定試驗結(jié)果Tab.2 Experiment results of static calibration of tillage depth detecting device cm

在秸稈覆蓋地面，超聲波傳感器最大測量誤差為0.62 cm，平均誤差為0.16 cm，均方根誤差為0.41 cm。紅外傳感器最大測量誤差為-1.36 cm，平均誤差為-1.21 cm，均方根誤差為1.23 cm。由于覆蓋在地面的秸稈具有一定厚度，導(dǎo)致兩傳感器所測量的距離小于實際設(shè)定的距離，因此紅外傳感器測量數(shù)據(jù)均小于實際設(shè)定距離，而超聲波傳感器在測距時有額外的時延，彌補了秸稈覆蓋所帶來的測量偏差。此時兩傳感器濾波融合數(shù)據(jù)的最大測量誤差為-0.41 cm，平均誤差為0.01 cm，均方根誤差為0.27 cm，融合數(shù)據(jù)的精度優(yōu)于紅外傳感器的測量精度，其測量值與超聲波傳感器測量值接近。

由于耕深檢測裝置各元件數(shù)據(jù)傳輸和環(huán)境影響，超聲波傳感器和紅外傳感器并不能在平整地面和秸稈覆蓋地面均保證良好的測量精度，而經(jīng)卡爾曼濾波融合算法處理后的數(shù)據(jù)在兩種測量環(huán)境下均有較好的測量精度。

3.2 耕深檢測裝置動態(tài)工作性能試驗

為檢驗該耕深檢測裝置的動態(tài)工作性能，在吉林大學(xué)農(nóng)機實驗室進行了動態(tài)測量試驗。超聲波傳感器和紅外傳感器安裝于深松機架下部(圖5)，深松機具由土槽臺車牽引前進。試驗時機具前進速度為3.6 km/h，耕深分別設(shè)置為30、35、40、45 cm。在試驗研究耕深檢測裝置在平整地面的性能后，將地面均勻鋪上秸稈，在上述相同條件下進行耕深檢測裝置在秸稈覆蓋地面的性能試驗(圖6)。土槽臺車工作時在軌道上行駛，且采用電力驅(qū)動，因此行駛穩(wěn)定、振動小，其牽引的深松鏟耕深十分穩(wěn)定，試驗測量表明其實際耕深與設(shè)定耕深保持一致，因此用設(shè)定耕深作為實際耕深進行分析。

圖5 耕深檢測裝置平整地面性能試驗Fig.5 Performance experiment of tillage depth detecting device in leveling ground1.土槽臺車 2.深松機架 3.紅外傳感器 4.超聲波傳感器 5.深松鏟

圖6 耕深檢測裝置秸稈地面性能試驗Fig.6 Performance experiment of tillage depth detecting device in straw mulching ground1.深松機架 2.紅外傳感器 3.超聲波傳感器 4.深松鏟

圖7 平整地面耕深變化曲線Fig.7 Tillage depth variation curves in leveling ground

圖7為耕深檢測裝置在平整地面耕深變化曲線，由圖可知，超聲波傳感器和紅外傳感器的原始數(shù)據(jù)波動較大，經(jīng)過濾波后的檢測數(shù)據(jù)較原始數(shù)據(jù)平滑，濾除了無用的雜波。在平整地檢測時，超聲波所檢測的傳感器至地面的距離h2大于實際距離，根據(jù)式(2)可知，濾波后超聲波檢測數(shù)據(jù)均小于實際耕深， 其在30、35、40、45 cm耕深處與實際耕深的最大偏差分別為-1.33、-1.37、-1.32、-1.34 cm；而濾波后的紅外傳感器測量數(shù)據(jù)在設(shè)定耕深附近波動，濾波后紅外傳感器檢測數(shù)據(jù)在30、35、40、45 cm耕深處與實際耕深的最大偏差分別為-0.33、0.27、-0.17、0.18 cm。融合后的檢測數(shù)據(jù)與濾波后紅外傳感器數(shù)據(jù)接近，在30、35、40、45 cm耕深處與實際耕深的最大偏差分別為-0.40、-0.24、-0.19、-0.20 cm；可知在平整地面檢測耕深時，超聲波檢測數(shù)據(jù)與實際耕深偏差較大，紅外傳感器檢測數(shù)據(jù)與實際耕深偏差較小，融合后的數(shù)據(jù)接近紅外數(shù)據(jù)，與設(shè)定耕深相差較小。

圖8是耕深檢測裝置在秸稈覆蓋地面的耕深變化曲線，在秸稈覆蓋地面超聲波濾波數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)較為接近，其在30、35、40、45 cm耕深處與實際耕深的最大偏差分別為0.28、-0.18、-0.20、0.24 cm；而紅外傳感器濾波數(shù)據(jù)均大于設(shè)定耕深，其在30、35、40、45 cm耕深處與實際耕深的最大偏差分別為1.66、1.62、1.59、1.63 cm。融合后的檢測數(shù)據(jù)與濾波后超聲波傳感器數(shù)據(jù)接近，其在30、35、40、45 cm耕深處與實際耕深的最大偏差分別為0.32、0.40、0.33、0.28 cm。

在秸稈覆蓋地面，超聲波檢測數(shù)據(jù)與實際耕深相差不大，紅外檢測數(shù)據(jù)大于設(shè)定耕深且偏差較大，融合后數(shù)據(jù)接近超聲波傳感器數(shù)據(jù)，與預(yù)定耕深相差不大。

耕深檢測裝置動態(tài)試驗表明，超聲波傳感器和紅外傳感器分別在秸稈覆蓋地面和平整地面有較好的性能，而數(shù)據(jù)融合算法能夠根據(jù)傳感器測量數(shù)據(jù)與設(shè)定耕深間的偏差進行數(shù)據(jù)融合，使融合后數(shù)據(jù)接近實際耕深。

圖8 秸稈覆蓋地面耕深變化曲線Fig.8 Tillage depth variation curves in straw mulching ground

4 田間試驗

在進行實際深松作業(yè)時，田間工作環(huán)境比實驗室土槽環(huán)境更為復(fù)雜多變。為了研究該耕深檢測裝置在田間的實際工作性能，在石家莊市藁城區(qū)進行了耕深檢測裝置的田間測試試驗(圖9)。

在田間作業(yè)時拖拉機行駛(圖9)穩(wěn)定性不如土槽臺車，深松鏟實際耕深與設(shè)定耕深有一定偏差，因此試驗時采用人工每隔1 m測量實際耕深(圖10)。并計算深松深度變異系數(shù)V來判斷深松深度的穩(wěn)定性，深松深度變異系數(shù)V計算式為[27]

(14)

Xi——第i個測量點的深松深度，cm

n——深松深度測量點數(shù)

圖9 耕深檢測裝置田間試驗Fig.9 Experiment of tillage depth detecting device in field1.耕深檢測裝置 2.拖拉機 3.紅外傳感器 4.超聲波傳感器 5.機架 6.深松鏟

圖10 人工測量耕深Fig.10 Detecting tillage depth manually

在設(shè)定耕深為30 cm和40 cm時，實際平均耕深為30.16 cm和40.28 cm，深松深度變異系數(shù)為1.79%和1.88%，可知實際深松深度有一定波動。由圖11可知，在田間工作過程中超聲波傳感器和紅外傳感器的檢測數(shù)據(jù)均有較大的波動和起伏，在設(shè)定耕深為30 cm和40 cm時，超聲波傳感器濾波數(shù)據(jù)的平均值為29.51 cm和38.79 cm，深松深度變異系數(shù)為2.51%和3.10%。

圖11 田間試驗耕深變化曲線Fig.11 Tillage depth-time curves in field

紅外傳感器測量數(shù)據(jù)的平均耕深為32.06 cm和41.52 cm，深松深度變異系數(shù)為2.41%和2.76%。因此，在實際作業(yè)情況下，超聲波傳感器和紅外傳感器測量只有部分?jǐn)?shù)據(jù)與實際耕深接近，而整體波形變化與實際耕深有較大偏差，無法正確測量耕深和反映耕深變化趨勢。在設(shè)定耕深為30 cm和40 cm時，融合后平均測量耕深為30.06 cm和39.95 cm，深松深度變異系數(shù)為1.07%和1.00%，接近實際耕深，且融合后的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映實際耕深變化趨勢。

5 結(jié)論

(1)采用超聲波傳感器和紅外傳感器綜合檢測耕深，并采用卡爾曼濾波融合算法將兩傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，能夠充分利用兩傳感器在不同環(huán)境下的有效檢測數(shù)據(jù)，為實時、準(zhǔn)確檢測耕深提供了一種新方法和新思路。

(2)在平整地面檢測耕深時，超聲波傳感器檢測值與實際耕深最大偏差為-1.37 cm，紅外傳感器檢測值與實際耕深最大偏差為-0.33 cm。在秸稈覆蓋地面檢測耕深時，超聲波傳感器檢測值與實際耕深最大偏差為0.28 cm，紅外傳感器檢測值與實際耕深最大偏差為1.66 cm。

(3)采用卡爾曼濾波融合的數(shù)據(jù)在平整地和秸稈覆蓋地面均有較高的檢測精度。當(dāng)設(shè)定耕深為30 cm和40 cm時，融合后數(shù)據(jù)的平均測量耕深分別為30.06 cm和39.95 cm，深松深度變異系數(shù)分別為1.07%和1.00%，濾波融合數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確檢測耕深，并準(zhǔn)確反映耕深的變化趨勢。