梁冉冉，莊衛(wèi)東

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

0 引言

農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行多次農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)和農(nóng)業(yè)技術(shù)管理，而土地平整是農(nóng)作物健康成長(zhǎng)的保障，為農(nóng)機(jī)作業(yè)和農(nóng)藝管理提供基礎(chǔ)［1］。水資源和肥料是農(nóng)作物生長(zhǎng)的保障，但是地面凹凸不平的農(nóng)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?yàn)檗r(nóng)田地面不平整被浪費(fèi)，30%以上的肥料流失［2］。水肥流失嚴(yán)重使研究人員意識(shí)到土地平整的重要性，農(nóng)田的地表平整使地下水分布深度一致，肥料可以均勻地發(fā)揮效用，對(duì)改進(jìn)灌溉均勻性、減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境和提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益有顯著作用［3］。土地平整是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和土地開(kāi)發(fā)管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，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(xì)土地平整，精細(xì)平整設(shè)備主要包括激光控制平地設(shè)備和GNSS控制平地設(shè)備［5］。

GNSS精準(zhǔn)平地設(shè)備作業(yè)不受地形影響，可以進(jìn)行地形測(cè)量和路徑規(guī)劃作業(yè)，還具備可視化和智能化水平高的優(yōu)點(diǎn)［6］。和傳統(tǒng)的GNSS單缸平地機(jī)相比，GNSS精準(zhǔn)平地系統(tǒng)有兩個(gè)液壓油缸控制平地鏟的升降，在坡度較大的農(nóng)田工作時(shí)，可以通過(guò)伸縮液壓油缸來(lái)調(diào)節(jié)平地鏟高度［7］。除此之外系統(tǒng)改善了平地機(jī)的調(diào)平機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制平地鏟姿態(tài)角的大小來(lái)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(tǒng)操控方便，運(yùn)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(jié)構(gòu)和工作原理

雙天線GNSS的精準(zhǔn)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。精準(zhǔn)平地系統(tǒng)軟件可以完成地形測(cè)量、路線規(guī)劃、精準(zhǔn)平地、作業(yè)回放、作業(yè)評(píng)價(jià)等功能。當(dāng)進(jìn)行精準(zhǔn)平地試驗(yàn)前，首先對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行地勢(shì)測(cè)量，利用雙天線衛(wèi)星定位測(cè)量、記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到試驗(yàn)田地形圖，為確定基準(zhǔn)高程和規(guī)劃路線提供參考［9］。當(dāng)軟件運(yùn)行正常，接收數(shù)據(jù)良好后，設(shè)定平地鏟的基準(zhǔn)高程和姿態(tài)角。GNSS基準(zhǔn)站發(fā)送差分的衛(wèi)星信號(hào)精確地定位平地鏟的確切位置，系統(tǒng)通過(guò)判斷平地鏟高程和基準(zhǔn)高程之間的差距、姿態(tài)角和標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)角的差距自主調(diào)節(jié)平地機(jī)高程和姿態(tài)。如果平地鏟需要上升，電磁換向閥左側(cè)的電磁鐵通電，液壓油缸伸長(zhǎng)；如果平地鏟需要下降，電磁換向閥右側(cè)的電磁鐵通電，液壓油缸縮短；如果平地鏟不需要調(diào)節(jié)高度和姿態(tài)，電磁換向閥處于中位狀態(tài)，液壓油缸保持不動(dòng)。左右液壓油缸單獨(dú)具備上述3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)組合，共有9種不同的運(yùn)動(dòng)情況可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足平地過(guò)程中不同的土地狀態(tài)。

圖1 雙天線GNSS的精準(zhǔn)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of GNSS precision control system for dual antennas

2 平地試驗(yàn)

在試驗(yàn)開(kāi)始前，首先對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行地形測(cè)量，為平地質(zhì)量的優(yōu)劣提供參考［10］。將GNSS基準(zhǔn)站安裝在試驗(yàn)田地頭，GNSS移動(dòng)站安裝在平地鏟兩側(cè)，精準(zhǔn)平地軟件安裝在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)的車(chē)載式觸控一體機(jī)，四路控制器連接液壓系統(tǒng)。在試驗(yàn)開(kāi)始前，首先打開(kāi)精準(zhǔn)平地控制軟件調(diào)試串口號(hào)和波特率，點(diǎn)擊開(kāi)始接收按鈕，系統(tǒng)接收平地鏟的經(jīng)度、緯度、高程、姿態(tài)角等信息。約60 s后，系統(tǒng)接收信號(hào)平穩(wěn)，設(shè)置平地鏟的工作高程和姿態(tài)角，點(diǎn)擊開(kāi)始作業(yè)按鈕，平地機(jī)開(kāi)始平地。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)作業(yè)路徑進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)試驗(yàn)田作差值高程圖，分析實(shí)驗(yàn)效果，軟件自動(dòng)將平地過(guò)程中平地鏟的平土方量計(jì)算出，顯示出平地機(jī)工作路線圖。

3 精準(zhǔn)平地試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 精準(zhǔn)平地實(shí)驗(yàn)

2019年3月17日在八五三農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了精準(zhǔn)平地試驗(yàn)，土地平整前地形圖如圖2所示。經(jīng)過(guò)雙天線GNSS精準(zhǔn)平地系統(tǒng)的作業(yè)后，系統(tǒng)記錄的拖拉機(jī)行駛路線如圖3所示。對(duì)試驗(yàn)田再次進(jìn)行地形分析，得到地形圖如圖4所示。

圖2 試驗(yàn)田平整前地勢(shì)圖Fig.2 Topography map of test field before levelling

圖3 拖拉機(jī)行駛路線Fig.3 Tractor route

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

3.2 平地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

3.2.1 最大傾角

該試驗(yàn)利用最大傾角指標(biāo)描述GNSS移動(dòng)站在平地過(guò)程中系統(tǒng)記錄下的平地鏟姿態(tài)角的最大值，可用來(lái)對(duì)農(nóng)田局部平整情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。該試驗(yàn)采用車(chē)載式測(cè)量方法對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行測(cè)量，在平地鏟兩端分別安裝GNSS移動(dòng)站可測(cè)出平地鏟所處局部地形的傾角，aj（j=1，2，…，N）表示測(cè)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(shí)驗(yàn)采取高差分布列（Elevation Difference）用于評(píng)價(jià)農(nóng)田地表地貌的差異及地形分布特征，評(píng)價(jià)農(nóng)田平整后地表高度和基準(zhǔn)平面差距的分布情況。計(jì)算方法為：計(jì)算記錄點(diǎn)高程與基準(zhǔn)平面的垂直距離小于某一數(shù)值的點(diǎn)占所有點(diǎn)數(shù)的百分比數(shù)。如果選取評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為土地高程與基準(zhǔn)高程的距離小于0.03 m，則小于0.03 m的高差分布列PED計(jì)算為：

式（2）中，N代表系統(tǒng)收集到的高程數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)，p｛dj≤0.03｝為所有測(cè)點(diǎn)到基準(zhǔn)平面垂直距離小于0.03 m的各點(diǎn)數(shù)和。

3.2.3 最大高差

該試驗(yàn)利用最大高差指標(biāo)評(píng)價(jià)試驗(yàn)田的整體高程變化情況和平整情況，Hmax代表實(shí)驗(yàn)田的最大高程，Hmin代表試驗(yàn)田的最小高程，主要功能為評(píng)價(jià)試驗(yàn)田水平平整效果，用ΔHmax表示，計(jì)算公式為：

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

利用Excel軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到高程和基準(zhǔn)高程折線圖如圖5所示，得到俯仰角和標(biāo)準(zhǔn)俯仰角折線圖如圖6所示。

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

圖6 俯仰角和標(biāo)準(zhǔn)俯仰角折線圖Fig.6 Elevation angle and standard pitch angle line chart

從高程和基準(zhǔn)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(diào)整快速準(zhǔn)確，響應(yīng)性好。從俯仰角和標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)根據(jù)地形變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)平地鏟姿態(tài)的目的。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做描述性統(tǒng)計(jì)分析如表1所示，N代表系統(tǒng)記錄的平地鏟的高程和俯仰角的個(gè)數(shù)，利用最大傾角、最大高差和高差分布列等指標(biāo)對(duì)平地效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 高程和俯仰角描述性統(tǒng)計(jì)資料Table 1 Descriptive statistics on elevation and pitch angle

由描述性統(tǒng)計(jì)資料可以直觀得出該次試驗(yàn)最大高差αmax=1°，即平地鏟變化范圍小，始終保持平穩(wěn)，達(dá)到平地鏟姿態(tài)調(diào)平的目標(biāo)。

該實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為0.025 m，則試驗(yàn)田高差分布列為：

即試驗(yàn)田平整后記錄點(diǎn)到基準(zhǔn)平面距離小于2.5 cm的點(diǎn)占總試驗(yàn)田面積60%以上，平地效果良好。

由記錄數(shù)據(jù)得知該試驗(yàn)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(zhǔn)平地試驗(yàn)將試驗(yàn)田從平整前的0.245 m高差縮減到0.139 m，大大提高了試驗(yàn)田的平整度，達(dá)到試驗(yàn)預(yù)想效果。

4 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)平地系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)田實(shí)驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量農(nóng)田地勢(shì)地形圖，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的反饋精準(zhǔn)調(diào)控液壓系統(tǒng)的升降使平地鏟高度和姿態(tài)角始終保持設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雙天線GNSS精準(zhǔn)平地控制系統(tǒng)符合精準(zhǔn)平地要求，可實(shí)現(xiàn)地形測(cè)量、路徑規(guī)劃、平地作業(yè)和作業(yè)效果分析功能。

試驗(yàn)結(jié)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)平地作業(yè)。該系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、方便操作、滿(mǎn)足工作要求等優(yōu)良性能。但是標(biāo)準(zhǔn)的水稻試驗(yàn)田高程差在5 cm以?xún)?nèi)，系統(tǒng)的工作質(zhì)量還沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水稻試驗(yàn)田平整度要求。在試驗(yàn)過(guò)程中存在平地鏟振動(dòng)超調(diào)的現(xiàn)象，精準(zhǔn)控制平地系統(tǒng)有待改善，定于2019年秋季水稻收獲后，再次做土地平整實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作性能。