基于GNSS的旱地精准平地系统设计与试验研究

来源 :华南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoshen1984
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精准平地技术能够有效提高农田灌溉效率,节约农业用水,降低农药和化肥的使用,提高我国农业总体生产能力,实现农业的可持续发展。传统农田平地方式存在平整精度低、耗时耗力等,难以满足高标准农田建设要求。激光控制平地技术具有较高精度,但作业半径小、智能化程度低。因此,本文研究设计了基于GNSS的旱地精准平地系统。研究的主要内容和结论如下:(1)基于GNSS的旱地精准平地系统设计。系统由GNSS定位系统、GNSS数据处理模块、智能平地信息处理模块、平地控制器和平地铲组成。GNSS定位系统测量平地铲实时三维数据;GNSS数据处理模块对实时GNSS三维数据进行坐标转换与提取;智能平地信息处理模块依据平地作业三维数据进行平地深度、土方分布和平地作业路径设计与分析;平地控制器通过液压系统实现平地铲自动控制。(2)GNSS系统高程定位精度试验研究。进行GNSS系统高程精度测量试验,试验结果表明,平台在轨道上运动测量的高程值与参考高程值的偏差平均值和标准差分别为1.29cm和0.92cm,小于等于3cm的数据占98.7%。RTK-GNSS定位系统精度能够满足农田精准平整要求。(3)平地三维地形实时测量系统设计。采用位移传感器测量液压油缸伸长量,建立伸长量为变量的GNSS天线与平地铲位置关系的数学模型,实现了在平地作业过程中实时采集平后区域的三维地形。以悬挂式多轮支撑旱地平地机平台,在旱地进行了4种不同车速的系统采集测量精度试验。试验结果表明:三维地形实时测量系统在动态条件(平地机作业过程中且液压油缸实时调节)下,实采集的三维地形与构建的真实地形之间的标准差最大为1.527cm。农田三维地形测量系统在田间的采集精度能够达到精准平地要求。(4)平地深度与土方计算方法研究。采用高程加权平均法设计平地深度和DTM三角网进行土方计算。从农田三维地形数据中选取6×6的栅格数据进行平地深度和土方计算,并与Surfer14软件的结果对比表明,加权高程平均平地深度计算方法和Surfer14软件计算结果一致,均为13.96m;DTM三角网土方计算方法和Surfer14软件得到的填方量和挖方量差异小,且能够较好达到土方填挖平衡,误差小于0.13m3。(5)平地作业路径智能规划研究。结合农田平后三维地形实时测量设计了平地作业动态实时平地路径规划算法,提出了农田土方分布趋势评价计算方法,依据平地土方分布和平地铲拉土量的关系设计了平地深度更新方法,实现了智能实时更新路径算法。(6)田间试验研究。以悬挂式多轮支撑旱地平地机为平台,开展了农田三维地形实时采集系统的测量精度试验。以Z+F三维激光扫描仪采集的三维地形为参考,对比分析结果表明,农田三维实时测量系统和Z+F三维激光扫描仪获得的田块三维地形分布相似。设置约束(平地铲实际运土量和拖拉机额定功率)和无约束两种平地作业条件试验结果表明,平地作业动态路径规划算法平地后田块的土方挖填方量为最小,平地后田块的平地精度最高;约束限制条件下平地作业动态路径规划进行平地后土方填挖方量相对无约束限制条件下的路径算法多1.1m3,表明在实际平地作业时以规划路径进行单次遍历平地难以达到预期的平地作业要求,因此,实时测量平后区域三维地形并计算更新平地路径信息,及时对平后田块进行一次或多次往复平整,有利于提高平地精度和效率。
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