耕作土壤地表三維形貌測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉雪寧，李旭英，張永志，金 旭，張 恒

(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

耕作土壤地表不平度對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉及能否進(jìn)行機(jī)械化耕作、發(fā)揮機(jī)械效率等方面有著至關(guān)重要的影響[1-3]。對(duì)于農(nóng)用機(jī)械而言：一方面，耕作土壤地表不平度導(dǎo)致農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)，直接影響農(nóng)用機(jī)械的平穩(wěn)性、乘坐舒適性，且振動(dòng)產(chǎn)生的載荷會(huì)夯實(shí)土壤，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)[4-10]；另一方面，耕作土壤地表不平度直接影響播種、移栽等農(nóng)用機(jī)械的作業(yè)效率。因此，通過對(duì)耕作土壤地表三維形貌的測(cè)量，獲得區(qū)域內(nèi)耕作地表的三維圖像，全面反映耕作土壤地表的不平度，對(duì)土壤不平度的分析和評(píng)價(jià)整地的質(zhì)量具有重大的意義。

耕作土壤地表不平度的測(cè)量方法根據(jù)是否與被測(cè)地面接觸分為接觸式與非接觸測(cè)量?jī)纱箢怺12]：接觸式測(cè)量會(huì)對(duì)耕作土壤表面產(chǎn)生一定程度的破壞，導(dǎo)致不能精確地測(cè)量到地表不平度；非接觸測(cè)量方法測(cè)量精度、效率高，不會(huì)使土壤表面變形，便于重復(fù)測(cè)量，因此被廣泛應(yīng)用。常用的非接觸測(cè)量方法有立體攝像法、超聲波測(cè)量法、圖像陰影法及激光掃描法等：立體攝像法在后期處理數(shù)據(jù)時(shí)所需時(shí)間較長(zhǎng)；超聲波測(cè)量法測(cè)量原理是聲波發(fā)射，具有聲波的扇形發(fā)射特性，不適合精準(zhǔn)的定點(diǎn)測(cè)量，且其測(cè)量精度只能精確到厘米級(jí)；圖像陰影法測(cè)量所得的地表不平度受測(cè)量時(shí)的光照強(qiáng)度影響較大，具有不確定性；激光掃描法測(cè)量是由一束極小的激光進(jìn)行測(cè)量，適合精確測(cè)量，且其測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)[11]。本研究根據(jù)采樣要求，設(shè)計(jì)一種測(cè)量范圍為1m×1m，三坐標(biāo)組合式基于激光反射的耕作土壤地表三維形貌測(cè)量裝置，全面反映任意方向的耕作地表不平度，使測(cè)量更為精確、直觀、全面。

1 地表三維形貌測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

三坐標(biāo)組合式耕作土壤地表三維形貌測(cè)量裝置主要由運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)、控制箱和上位機(jī)等組成，如圖1所示。其中，運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)主要包括測(cè)試架、激光位移傳感器、光電接近開關(guān)、同步帶導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)及水平尺等。為了方便攜帶，采用鋁合金材型材搭建可拆卸的測(cè)試架，將兩套帶有滑塊的同步帶導(dǎo)軌分別安裝在測(cè)試框架平行的兩側(cè)上構(gòu)成Y軸，帶有滑塊的同步導(dǎo)軌安裝在Y軸兩個(gè)滑塊上構(gòu)成X軸，激光位移傳感器固定在X軸滑塊上。通過控制箱驅(qū)動(dòng)X軸電機(jī)，X軸滑塊帶著激光位移傳感器沿X軸方向移動(dòng)；驅(qū)動(dòng)Y軸電機(jī)，由Y軸滑塊帶動(dòng)X軸同步導(dǎo)軌沿Y軸方向移動(dòng)；間歇驅(qū)動(dòng)兩軸電機(jī)即可完成激光位移傳感器對(duì)測(cè)試范圍內(nèi)耕作土壤地表三維形貌的測(cè)量。同時(shí)，利用采集模塊將激光位移傳感器采集的數(shù)據(jù)通過通信串口上傳到上位機(jī)LabVIEW軟件中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用MatLab軟件繪制耕作土壤地表三維形貌圖。

1.控制箱 2.X軸電機(jī) 3.Y軸滑塊 4.Y軸導(dǎo)軌 5.X軸滑塊 6.水平儀 7.Y軸電機(jī) 8.光電接近開關(guān) 9.激光位移傳感器 10.X軸導(dǎo)軌 11.測(cè)試框架圖1 耕作土壤地表三維形貌測(cè)量裝置Fig.1 3D surface topography measuring device for tillage soils

1.2 硬件部分設(shè)計(jì)

測(cè)量裝置的硬件主要由運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)和控制箱兩部分組成。運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)的測(cè)試區(qū)域?yàn)?m×1m，測(cè)試架距地表距離為0.6m，由3套同步帶導(dǎo)軌構(gòu)建X、Y坐標(biāo)，配有57HBP76AL4-TF0型兩相步進(jìn)電機(jī)，其步距角為1.8°。由TC-01激光位移傳感器對(duì)耕作土壤地表進(jìn)行三維形貌的測(cè)量，其量程是1m，精度是1mm，波長(zhǎng)620～650nm，輸出0～5V模擬電壓。控制箱部分主要由開關(guān)電源、全數(shù)字高性能兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器ZD-2HD542、KBM-30D單通道數(shù)據(jù)采集模塊、串口轉(zhuǎn)換器、CM4OL智能多軸步進(jìn)控制器，以及觸點(diǎn)式開關(guān)等組建而成。開關(guān)電源將220V的交流電換成24V的直流電，為兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、多軸步進(jìn)控制器、激光位移傳感器等供電，串口轉(zhuǎn)換器將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)軟件。

1.3 軟件部分設(shè)計(jì)

1.3.1 測(cè)量軌跡編程設(shè)計(jì)

測(cè)量軌跡如圖2所示。圖2中滑塊所在的位置為程序零點(diǎn)，將起始點(diǎn)的位置作為機(jī)械零點(diǎn)，由安裝在測(cè)試臺(tái)上光電接近開關(guān)的位置設(shè)置機(jī)械零點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，要求運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的配合。首先，控制器驅(qū)動(dòng)滑塊做回機(jī)械零運(yùn)動(dòng)到達(dá)A點(diǎn)；其次，控制器間接驅(qū)動(dòng)X、Y軸電機(jī)帶動(dòng)安裝在滑塊上的激光位移傳感器沿A→B→C→D→E做蛇型運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑塊到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，采集系統(tǒng)開始采集；隨后按實(shí)際測(cè)量范圍要求循環(huán)上一步操作，直至滑塊到達(dá)M點(diǎn)，再次驅(qū)動(dòng)X軸電機(jī)使滑塊帶動(dòng)傳感器完成M→N的掃描；當(dāng)滑塊到達(dá)N點(diǎn)時(shí)采集系統(tǒng)停止采集，完成對(duì)整個(gè)測(cè)量區(qū)域的測(cè)量；最后，控制器驅(qū)動(dòng)滑塊做回程序零運(yùn)動(dòng)，以待下次測(cè)量。

圖2 測(cè)量軌跡示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring path

在CM4OL智能多軸步進(jìn)控制器中編寫運(yùn)動(dòng)軌跡程序，使得滑塊帶動(dòng)激光位移傳感器完成對(duì)整個(gè)平面的測(cè)量，其編程界面如圖3所示。

圖3 雙軸控制器編程界面Fig.3 Programming interface of two-axis controller

1.3.2 數(shù)據(jù)采集編程設(shè)計(jì)

測(cè)量裝置的上位機(jī)數(shù)據(jù)部分由LabVIEW 2013軟件編寫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及參數(shù)設(shè)置等功能。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集處理軟件前面板界面如圖4所示。

圖4 耕作土壤地表三維形貌數(shù)據(jù)采集界面Fig.4 Data acquisition interface of 3D topography surface of tillage soils

啟動(dòng)上位機(jī)編寫好的數(shù)據(jù)處理軟件，選擇正確的I/O端口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置采樣間隔(1、2、5、10、100mm可選)，選擇數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)路徑并命名；在程序前面板點(diǎn)擊開始按鈕，使采集程序運(yùn)行，隨后點(diǎn)擊智能多軸步進(jìn)控制器啟動(dòng)鍵，智能多軸步進(jìn)控制器自動(dòng)運(yùn)行上一次讀取的程序，此時(shí)激光位移傳感器正常工作，采集模塊將采集數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)軟件。

采集到的數(shù)據(jù)被保存在設(shè)定的路徑文件中，將數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、重組等方法可以計(jì)算任何方向的耕作土壤地表不平度；也可通過MatLab軟件中的xlsread函數(shù)讀取保存好的excel中的完整數(shù)據(jù)，將讀取到的數(shù)據(jù)在MatLab軟件中進(jìn)行一系列處理，利用surf函數(shù)繪制耕作土壤地表三維形貌。

2 測(cè)量裝置的驗(yàn)證

2.1 激光位移傳感器的標(biāo)定

耕作土壤地表三維形貌測(cè)量裝置的測(cè)量原理是利用激光位移傳感器測(cè)量傳感器到地面的距離，因此對(duì)激光位移傳感器的標(biāo)定對(duì)整個(gè)測(cè)量裝置的精確度而言是至關(guān)重要的。

TC-01激光位移傳感器的標(biāo)定是通過改變傳感器到被測(cè)物的距離的同時(shí)測(cè)量此時(shí)輸出電壓值，得出測(cè)量距離與輸出電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。三維形貌測(cè)量裝置的測(cè)試臺(tái)距地面是573.5mm,因此在距激光位移傳感器底部150～750mm的范圍內(nèi)利用標(biāo)準(zhǔn)量塊(IT2)每隔50mm取點(diǎn)測(cè)量其輸出電壓值，每點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10次，取均值作為該點(diǎn)的輸出電壓值。將此時(shí)的電壓值和對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離值進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定曲線如圖5所示。

圖5 激光位移傳感器的標(biāo)定曲線Fig. 5 The fitting curve of laser range sensor

2.2 測(cè)量裝置精度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)

此次測(cè)量試驗(yàn)選擇IT2的標(biāo)準(zhǔn)量塊為檢測(cè)對(duì)象，1～3個(gè)厚度的量塊其誤差范圍為0～1.2×10-3mm,4～10個(gè)厚度的量塊其誤差范圍為0～1.5×10-3mm。首先，用水平儀找正平臺(tái)，將厚度為1～10mm的10塊量塊分別擺放在平臺(tái)上，調(diào)平測(cè)試臺(tái)。由激光位移傳感器測(cè)量相對(duì)平臺(tái)的距離，通過編輯控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)激光傳感器對(duì)平臺(tái)上的量塊進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。分析對(duì)比測(cè)量均值數(shù)據(jù)與量塊數(shù)據(jù)，利用兩者之間的理想狀態(tài)直線y=x進(jìn)行擬合，得到擬合曲線為y=1.000 3x+0.020 5，計(jì)算兩者的相關(guān)系數(shù)R2=0.999 7，幾乎接近1，測(cè)量數(shù)據(jù)的均方根誤差為0.017mm，證明測(cè)量裝置的測(cè)量精度較高，可以較準(zhǔn)確地測(cè)量出耕作土壤的地表不平度。

2.3 測(cè)量裝置的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

測(cè)量裝置主要分為3大部分，即運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)、控制箱和數(shù)據(jù)采集部分，實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置的高效精確測(cè)量，不僅要設(shè)計(jì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)、可靠運(yùn)行的控制箱，更要設(shè)置合適的采集頻率、采樣間隔及同步帶速度等3個(gè)參數(shù)。通過多次采集實(shí)驗(yàn)得出：在采樣頻率≤4Hz的情況下，采集數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)漏采、重采等問題。為了能夠高效完成對(duì)整個(gè)平面的測(cè)量，在此試驗(yàn)中采集頻率均選擇4Hz。同步帶運(yùn)動(dòng)可以精確到0.001mm，采樣間隔可以根據(jù)不同的試驗(yàn)要求設(shè)定，當(dāng)設(shè)置采樣間隔為1、2、5、10mm等間隔時(shí)(X、Y軸選擇相同的采樣間隔)，在采樣頻率確定的情況下對(duì)應(yīng)的同步帶速度分別為240、480、1 200、2 400mm/min，完成1m×1m的測(cè)量需要時(shí)間為69.444、17.361、2.778、0.694h。通過室內(nèi)小范圍實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采樣間隔為10mm時(shí)也能較好地測(cè)量出物體的表面輪廓，結(jié)合測(cè)量效率，因此本次試驗(yàn)采樣間隔為10mm。

表1 測(cè)量裝置測(cè)量量塊數(shù)據(jù)Table 1 Measuring device measures the data of the block mm

室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)的測(cè)量對(duì)象為樓梯模型，圖6(a)所示為模型原圖，利用測(cè)量裝置對(duì)其進(jìn)行測(cè)量得到如圖6(b)所示的三維圖。

對(duì)比兩幅圖可以得出：本研究所設(shè)計(jì)的耕作土壤地表三維形貌測(cè)量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)耕作土壤地表三維形貌的測(cè)量。

(a) 模型實(shí)物圖

(b) 測(cè)量所得三維圖圖6 模型實(shí)物圖與測(cè)量三維圖的對(duì)比Fig.6 Comparison of model physical drawing and measuring 3D drawing

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一套耕作土壤地表三維形貌測(cè)量裝置，室內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明： 測(cè)量裝置能實(shí)現(xiàn)對(duì)耕作土壤的地表三維形貌的準(zhǔn)確測(cè)量。

2)該測(cè)量裝置將地面測(cè)量從二維直線的測(cè)量發(fā)展到三維平面的測(cè)量，在測(cè)量范圍上有較大的突破。測(cè)量過程中測(cè)量數(shù)據(jù)采用點(diǎn)陣形式呈現(xiàn)，可以通過提取等方式實(shí)現(xiàn)任意方向的不平度計(jì)算并能顯示整個(gè)掃描范圍內(nèi)的耕作土壤地表三維形貌圖。