雙天線GNSS精準平地控制系統試驗*

梁冉冉，莊衛東

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶163319）

0 引言

農作物生產過程中需要進行多次農業機械作業和農業技術管理，而土地平整是農作物健康成長的保障，為農機作業和農藝管理提供基礎［1］。水資源和肥料是農作物生長的保障，但是地面凹凸不平的農田往往造成了水肥的巨大流失，研究表明，20%以上的灌溉用水因為農田地面不平整被浪費，30%以上的肥料流失［2］。水肥流失嚴重使研究人員意識到土地平整的重要性，農田的地表平整使地下水分布深度一致，肥料可以均勻地發揮效用，對改進灌溉均勻性、減少水土流失、改善生態環境和提高農民經濟效益有顯著作用［3］。土地平整是農業節水灌溉和土地開發管理中的一個重要環節，可以將凹凸不平的地面平整為水平或是帶有一定坡度的地面［4］。土地平整主要分為基本土地平整和精細土地平整，精細平整設備主要包括激光控制平地設備和GNSS控制平地設備［5］。

GNSS精準平地設備作業不受地形影響，可以進行地形測量和路徑規劃作業，還具備可視化和智能化水平高的優點［6］。和傳統的GNSS單缸平地機相比，GNSS精準平地系統有兩個液壓油缸控制平地鏟的升降，在坡度較大的農田工作時，可以通過伸縮液壓油缸來調節平地鏟高度［7］。除此之外系統改善了平地機的調平機構，通過控制平地鏟姿態角的大小來控制平地鏟的水平，使平地鏟始終保持水平，不受地形影響。系統操控方便，運用靈活，靈敏度的可視化程度高，極大地提高了土地平整精度［8］。

1 整體結構和工作原理

雙天線GNSS的精準控制系統整體結構如圖1所示。精準平地系統軟件可以完成地形測量、路線規劃、精準平地、作業回放、作業評價等功能。當進行精準平地試驗前，首先對試驗田進行地勢測量，利用雙天線衛星定位測量、記錄并進行數據處理得到試驗田地形圖，為確定基準高程和規劃路線提供參考［9］。當軟件運行正常，接收數據良好后，設定平地鏟的基準高程和姿態角。GNSS基準站發送差分的衛星信號精確地定位平地鏟的確切位置，系統通過判斷平地鏟高程和基準高程之間的差距、姿態角和標準姿態角的差距自主調節平地機高程和姿態。如果平地鏟需要上升，電磁換向閥左側的電磁鐵通電，液壓油缸伸長；如果平地鏟需要下降，電磁換向閥右側的電磁鐵通電，液壓油缸縮短；如果平地鏟不需要調節高度和姿態，電磁換向閥處于中位狀態，液壓油缸保持不動。左右液壓油缸單獨具備上述3種運動狀態，經過組合，共有9種不同的運動情況可實現單獨調節，滿足平地過程中不同的土地狀態。

圖1 雙天線GNSS的精準控制系統整體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of GNSS precision control system for dual antennas

2 平地試驗

在試驗開始前，首先對試驗田進行地形測量，為平地質量的優劣提供參考［10］。將GNSS基準站安裝在試驗田地頭，GNSS移動站安裝在平地鏟兩側，精準平地軟件安裝在拖拉機駕駛室內的車載式觸控一體機，四路控制器連接液壓系統。在試驗開始前，首先打開精準平地控制軟件調試串口號和波特率，點擊開始接收按鈕，系統接收平地鏟的經度、緯度、高程、姿態角等信息。約60 s后，系統接收信號平穩，設置平地鏟的工作高程和姿態角，點擊開始作業按鈕，平地機開始平地。試驗結束后，對作業路徑進行網格劃分，然后對試驗田作差值高程圖，分析實驗效果，軟件自動將平地過程中平地鏟的平土方量計算出，顯示出平地機工作路線圖。

3 精準平地試驗與數據分析

3.1 精準平地實驗

2019年3月17日在八五三農場進行了精準平地試驗，土地平整前地形圖如圖2所示。經過雙天線GNSS精準平地系統的作業后，系統記錄的拖拉機行駛路線如圖3所示。對試驗田再次進行地形分析，得到地形圖如圖4所示。

圖2 試驗田平整前地勢圖Fig.2 Topography map of test field before levelling

圖3 拖拉機行駛路線Fig.3 Tractor route

圖4 試驗田平整后地形圖Fig.4 Topographic map of the experimental field after levelling

3.2 平地質量評價方法

3.2.1 最大傾角

該試驗利用最大傾角指標描述GNSS移動站在平地過程中系統記錄下的平地鏟姿態角的最大值，可用來對農田局部平整情況進行評價。該試驗采用車載式測量方法對試驗田進行測量，在平地鏟兩端分別安裝GNSS移動站可測出平地鏟所處局部地形的傾角，aj（j=1，2，…，N）表示測得的局部地形傾角，αmax表示局部地形最大傾角值，公式為：

3.2.2 高差分布列

該實驗采取高差分布列（Elevation Difference）用于評價農田地表地貌的差異及地形分布特征，評價農田平整后地表高度和基準平面差距的分布情況。計算方法為：計算記錄點高程與基準平面的垂直距離小于某一數值的點占所有點數的百分比數。如果選取評價標準為土地高程與基準高程的距離小于0.03 m，則小于0.03 m的高差分布列PED計算為：

式（2）中，N代表系統收集到的高程數據總個數，p｛dj≤0.03｝為所有測點到基準平面垂直距離小于0.03 m的各點數和。

3.2.3 最大高差

該試驗利用最大高差指標評價試驗田的整體高程變化情況和平整情況，Hmax代表實驗田的最大高程，Hmin代表試驗田的最小高程，主要功能為評價試驗田水平平整效果，用ΔHmax表示，計算公式為：

3.3 試驗數據分析結果

利用Excel軟件對試驗數據進行處理，得到高程和基準高程折線圖如圖5所示，得到俯仰角和標準俯仰角折線圖如圖6所示。

圖5 高程和基準高程折線圖Fig.5 Elevation and datum elevation line chart

圖6 俯仰角和標準俯仰角折線圖Fig.6 Elevation angle and standard pitch angle line chart

從高程和基準高程折線圖中可以看到平地鏟的高程變化范圍在15 cm之間，調整快速準確，響應性好。從俯仰角和標準俯仰角折線圖中可以得出平地鏟的俯仰角的變化范圍為2°，可以實現根據地形變化實時調節平地鏟姿態的目的。對試驗數據做描述性統計分析如表1所示，N代表系統記錄的平地鏟的高程和俯仰角的個數，利用最大傾角、最大高差和高差分布列等指標對平地效果進行評價。

表1 高程和俯仰角描述性統計資料Table 1 Descriptive statistics on elevation and pitch angle

由描述性統計資料可以直觀得出該次試驗最大高差αmax=1°，即平地鏟變化范圍小，始終保持平穩，達到平地鏟姿態調平的目標。

該實驗的評價標準為0.025 m，則試驗田高差分布列為：

即試驗田平整后記錄點到基準平面距離小于2.5 cm的點占總試驗田面積60%以上，平地效果良好。

由記錄數據得知該試驗田的最大高程Hmax=82.551 m，最小高程Hmin=82.412 m，既得ΔHmax=82.551-82.412=0.139 m。該次精準平地試驗將試驗田從平整前的0.245 m高差縮減到0.139 m，大大提高了試驗田的平整度，達到試驗預想效果。

4 結論

該文設計的精準平地系統經過試驗田實驗，達到預期標準。可以實現精確測量農田地勢地形圖，根據衛星信號的反饋精準調控液壓系統的升降使平地鏟高度和姿態角始終保持設計基準的要求。實驗結果顯示，雙天線GNSS精準平地控制系統符合精準平地要求，可實現地形測量、路徑規劃、平地作業和作業效果分析功能。

試驗結果表明，高度差小于0.025 m的高差分布列大于60%，俯仰角變化范圍小于2°，實現精準平地作業。該系統具有技術先進、可靠性高、方便操作、滿足工作要求等優良性能。但是標準的水稻試驗田高程差在5 cm以內，系統的工作質量還沒有達到標準水稻試驗田平整度要求。在試驗過程中存在平地鏟振動超調的現象，精準控制平地系統有待改善，定于2019年秋季水稻收獲后，再次做土地平整實驗，以檢驗系統的工作性能。