一种绝对位置式作物播深稳定性控制设备及其调控方法

技术领域

本发明属于智能农业装备领域，具体涉及一种绝对位置式作物播深稳定性控制设备及调控方法。

背景技术

玉米是重要的主粮作物，近年来我国玉米的种植量不断增长，为了增加玉米产量，除了增长种植面积外，还应当通过正确恰当的播种方式让每株玉米苗获得良好的生长条件。由于不同播种深度下土壤含水率和营养物质都有所不同，为了让玉米能够在生长的过程中最大化的获取土壤中的水分和营养物质，有必要将其控制在适当的播深。

在进行播种时，控制播深的工作通常由开沟器和限深轮联合工作完成，传统播种机上的限深轮位置在播种工作前会进行一定程度上的调整，但是由于调节控制范围大精度差，基于此问题，大量的研究者给出了不同的解决方案。专利“基于限深臂压力和角度调节的播深控制装置及方法(202110897343.2)”使用了限深臂上的压力传感器搭配倾角传感器来实现了土壤对于限深轮的作用力和角度变化，从而实现了对于限深轮的闭环控制。专利“一种用于播种机的压力控制系统及其控制方法(201810273775.4)”使用土壤坚实度监测机构和下压力监测机构实现工作过程中对土壤作用力的判断，并使用PLC控制器搭配液压系统实现了播深的稳定性控制。上述的两种控制方式均为根据播种机上安装的压力传感器与坚实度传感器数据作为反馈信号，从而间接调整限深轮的位置，进而调节播种深度。这种工作方式虽然有着较强的实践操作性，但是却无法规避同一个问题，即传感器在不同工作环境下需要重新进行大量数据的标定，以保证所采集的数据和实际播深具有较强的线性关系，从而保证播深反馈与控制的稳定性。

发明目的

本发明的目的即在于解决现有技术中所面临的难题，提供了一种绝对位置式作物播深稳定性控制设备及其调控方法，通过安装于限深轮上端的气压传感器、激光测距传感器和六轴姿态传感器的数据融合，可以直接获取播种机在物理环境下的真实高度起伏情况，搭配播前播深处方图或者实时变量传感器所提供的适合播种深度，能够实现较为准确的闭环反馈。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种绝对位置式作物播深稳定性控制设备，包括电控单元(1)、液压控制单元(2)、机械结构调控单元(3)；其中，所述电控单元包括单片机控制器(101)、激光测距传感器(102)、姿态测量传感器(103)与高精度气压传感器(104)；所述液压控制单元包括液压控制油路(201)、电控信号线路(202)、电控液压比例阀(203)、电控液压A/D转换模块(204)、液压油箱(205)；所述机械结构调控单元包括四连杆单体仿形结构(301)和播种单体(302)。

所述单片机控制器(101)的控制电路包括时钟电路、复位电路、调试下载电路、总线信号通信电路；所述时钟电路用于控制单片机的运行频率，保证系统能稳定工作在最大主频下；所述复位电路和调试下载电路用于调试和测试；所述总线信号通信电路用于赋能所需要使用到的总线信息，这些总线信息通过传感器被传递至单片机控制器并进行显示。

优选地，所述总线信息包括SPI总线信息和IIC总线信息。

优选地，所述激光测距传感器(102)和姿态测量传感器(103)的信息通过SPI总线进行数据的传输；所述高精度气压传感器(104)通过IIC总线进行数据的传输。

优选地，所述姿态测量传感器(103)为六轴姿态测量传感器。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述绝对位置式作物播深稳定性控制设备控制作物播深的方法，通过处理传感器信号进行控制，具体包括以下步骤：

步骤1、单片机通过IIC总线片选气压传感器芯片；

步骤2、通过IIC总线读取所述气压传感器芯片内的压力数据、位置校正数据、温度校正数据以及校正因子所在的寄存器数据，所述位置校正数据和校正因子用于补偿温度漂移；

步骤3、单片机计算完压力数据后，取消对气压传感器的片选，同时开始SPI总线，读取六轴姿态测量传感器的角速度数据和加速度数据；

步骤4、单片机读取SPI信息完成后，通过数据融合滤波的方式将步骤3中所计算的压力数据和所读取的六轴姿态测量传感器的角速度数据和加速度数据进行数据融合，得到更为精确的距离变化数据；

步骤5、单片机继续开启IIC总线片选，选中激光传感器芯片，并读取激光传感器芯片内部的距离数据；

步骤6：将步骤4所得到的更为精确的距离变化数据和步骤5中所读取的激光传感器芯片内部的距离数据进行二次融合，得到绝对位置信息；

单片机控制器将该绝对位置信息和实际所需要的播深信息液压控制油路进行对比，当二者出现偏差时，单片机控制器将发送电压信号至电控液压A/D转换与信号放大模块，继而带动电控液压比例阀向着某个计算好的位置进行运行，最终移动液压缸内的液压油，带动四连杆单体仿形机构进行移动，达到设定的播深。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述绝对位置式作物播深稳定性控制设备进行作物播深稳定性调控的方法，根据六轴姿态传感器数据、气压传感器数据、精确经纬度、播种处方和激光传感器数据计算播种的绝对位置，具体包括以下步骤：

步骤1、单片机获取六轴姿态传感器数据和气压传感器数据，所述六轴姿态传感器数据中的角速度数据和加速度数据分为两组寄存器分别读取，假设六轴姿态传感器数据的8位寄存器起始地址为OX02，XYZ三轴的角速度数据依次排列，每个数据占用两个8位寄存器，则读取三个轴角速度的方式表示为如下所示：

GYRO.16_x＝buf[0]|buf[1]＜＜8，

GYRO.16_y＝buf[2]|buf[3]＜＜8，

GYRO.16_z＝buf[4]|buf[5]＜＜8，

将上述16位寄存器的数据进行数据类型进行转换；

XYZ三轴的角速度数值的计算方法如下所示：

GYRO.math_X＝(float)GYRO.16_x*COEF，

GYRO.math_Y＝(float)GYRO.16_y*COEF，

GYRO.math_Z＝(float)GYRO.16_z*COEF，

式中，COEF是传感器读取时，根据所设定数据读取频率和读取精度而实时改变的数据；

在读取低压传感器之前，首先读取温度校正数据和校正因子，读取校正因子的流程包括以下步骤：

步骤A1、连续读取校正单元参数，共16个，分别标注为coef[0]-coef[15]；

步骤A2、计算校正因子数据，计算方法如下所示：

PRESS.c0＝(coef[0]＜＜12)|(coef[1]＜＜4)|((coef[2]＞＞4)&OxOF)，

PRESS.c1＝(coef[2]&OxOF)＜＜16|coef[3]＜＜8|coef[4]，

PRESS.c2＝coef[5]＜＜8|coef[6]，

PRESS.c3＝coef[7]＜＜8|coef[8]，

PRESS.c4＝coef[9]＜＜8|coef[10]，

PRESS.c5＝coef[11]＜＜8|coef[12]，

PRESS.c6＝coef[13]＜＜8|coef[14]，

步骤A3：对准校正数据的位数，并标准化计算参数值，所示标准化计算参数值的方法是，若32位无整形数据1左移所需要对齐的位数L-1后，和原数据进行相与位运算后不为零，则数据被校准为32位无整形数据1左移所需要对其的位数L个单位，并在其前方加符号；若32位无整形数据1左移所需要对齐的位数L-1后，和原数据进行相与位运算后为零，则数据不进行变动；

读取温度校正数据后所得到的参数为TEMP.c0与TEMP.c1；

步骤2、读取温度传感器的温度数据，并进行数据对齐和标准化；温度传感器的数据计算方法如下所示：

TEMP.tem_num＝buf[0]＜＜16|buf[1]＜＜8|buf[2]，

TMP.scaled_num＝(float)TEMP.tem_num/SCALE_N，

TMP.tem＝TMP.c0*0.5+TMP.c1*TMP.scaled_num，

式中，SCALE_N在不同IIC读取参数设置时的具体数据不同；

步骤3、读取气压传感器寄存器的气压数据，并进行数据对齐和标准化，气压传感器的数据计算方法如下所示：

PRESS.prsnum＝(uint32_t)buf[0]＜＜16|(uint32_t)buf[1]＜＜8|(uint32_t)buf[2]；

气压传感器数据的标准化方法计算方法如下所示：

PRESS.scaled_prs＝PRESS.prsnum/SCALE_N，

式中，SCALE_N在不同IIC读取参数设置时的具体数据不同；

步骤4、根据标准化后的校正因子和气压传感器数据计算可用于数学运算的气压数据，计算方法如下所示：

PRESS.raw_prs＝PRESS.cO+PRESS.scaled_prs*(PRESS.c10+PRESS.scaled_pre*(PRESS.c20+PRESS.scaled_pre*PRESS.c30))+PRESS.scaled_rem*PRESS.c01+PRESS.scaled_rem*PRESS.scaled_pre*(PRESS.c11+PRESS.scaled_pre*PRESS.c21)；

步骤5、使用数据融合的方式将六轴传感器的数据和气压传感器数据进行融合，得到计算高度；

步骤6、读取激光传感器数据，并将步骤5中所得到的计算高度数据和该激光传感器数据进行加权滤波，得到绝对位置D。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述绝对位置式作物播深稳定性控制设备进行播深稳定性调控的方法，包括以下步骤：

步骤1：分别读取气压传感器和六轴姿态传感器数据；

步骤2：通过卡尔曼滤波的方式将所读取的气压传感器数据和六轴姿态传感器数据二者融合，得到初步计算的深度数据d_c；

步骤3：单片机获取激光测距传感器数据d_s；

步骤4：将所述深度数据d_c和激光测距传感器数据d_s进行加权滤波得到最终的绝对位置D，并将该数据作为调控单元的精确反馈数据；

步骤5：根据总控传来的精确定位数据，包括经度和纬度数据，判断当前的指导播深D_T；

步骤6：将指导播深D_T和绝对位置D进行比较，并将反馈数据传送给液压比例阀调控单元，将信号放大以后调控机具移动至目标播深。

附图说明

图1为本发明实施例的绝对位置式播深稳定性控制设备示意图。

图2为传感器和单片机数据交换示意图。

图3为本发明实施例所使用的传感器电路原理图。

图4为本发明一个实施例中播深稳定性控制系统控制与反馈结构流程图。

图5为本发明一个实施例中控制系统调控工作流程图。

图6为播深稳定性控制系统监测部分工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施例1

图1是本发明所述绝对位置式播深稳定性控制设备示意图。如图所示，本实施例提供了一种绝对位置式播深稳定性控制设备，包括电控单元(1)、液压控制单元(2)、机械结构调控单元(3)。其中，电控单元包括单片机控制器(101)、激光测距传感器(102)、姿态测量传感器(103)与高精度气压传感器(104)。液压控制单元包括液压控制油路(201)、电控信号线路(202)、电控液压比例阀(203)、电控液压A/D转换模块(204)、液压油箱(205)。机械结构调控单元包括四连杆单体仿形结构(301)和播种单体(302)。

单片机控制器是电控单元的核心组成部件，所使用的单片机控制器控制电路主要包括了时钟电路、复位电路、调试下载电路、总线信号通信电路。时钟电路用于控制单片机的运行频率，保证系统能稳定工作在最大主频下；复位电路和调试下载电路用于调试和测试；总线信号通信电路用于使能所需要使用到的总线信息，例如SPI总线信息和IIC总线信息，这些信息通过传感器传递给单片机控制器并最终进行显示。传感器是实现所需要功能的必要硬件设备，在本发明中使用到的传感器包括激光测距传感器、姿态测测量传感器和气压传感器，其中，激光传感器和姿态测量传感器的信息通过SPI总线进行数据的传输，气压传感器通过IIC总线进行数据的传输。图2是传感器和单片机数据交换示意图，图3是所使用的传感器的电路图。处理传感器信号并计算绝对位置的方案与流程将在下文提及。

实施例2

本实施例提供了应用实施例1所述的绝对位置式作物播深稳定性控制设备控制作物播深的方法，包括以下步骤：

步骤1：单片机通过IIC总线片选气压传感器芯片；

步骤2：通过IIC总线读取该芯片内的压力数据和温度校正数据以及校正因子所在的寄存器数据，所述位置校正数据和校正因子用于补偿温度漂移；

步骤3：单片机计算好压力数据后，取消对气压传感器的片选，同时开始SPI总线，读取六轴姿态传感器的角速度数据和加速度数据；

步骤4：单片机读取SPI信息完成后，使用数据融合滤波的方式将上述的气压数据和姿态数据进行数据融合，得到更为精确的距离变化数据。

步骤5：单片机继续开启IIC总线片选，本次选中激光传感器芯片，并读取内部距离数据；

步骤6：将上述计算而得的精确距离变化数据和激光传感器的数据进行二次融合，得到所述绝对位置。

当计算好当前的绝对位置后，单片机控制器将该反馈绝对位置信息和实际所需要的播深信息液压控制油路进行对比，当二者出现偏差时，单片机控制器将发送电压信号至电控液压A/D转换与信号放大模块，继而带动电控液压比例阀向着某个计算好的位置进行运行，最终移动液压缸内的液压油，带动四连杆单体仿形机构进行移动，达到设定的播深。

实施例3

本实施例提供了一种绝对位置式播深稳定性调控方法，硬件使用实施例所述的绝对位置式播深稳定性控制设备完成，为了完成调控，所需要的数据主要包括：六轴姿态传感器数据、气压传感器数据、精确经纬度、播种处方、激光传感器数据。

本实施例中，绝对位置式播深稳定性调控方法包括以下步骤：

步骤1、单片机获取六轴姿态传感器数据和气压传感器数据，六轴姿态传感器数据中的角速度数据和加速度数据分为两组寄存器分别读取，假设六轴姿态传感器数据的8位寄存器起始地址为OX02，XYZ三轴的角速度数据依次排列，每个数据占用两个8位寄存器，则读取三个轴角速度的方式为：

GYR0.16_x＝bur[0]|bur[1]＜＜8；

GYRO.16_y＝bur[2]|buf[3]＜＜8；

GYRO.16_z＝buf[4]|buf[5]＜＜8；

由于此时数据是16位寄存器的数据，在实际参与数学计算时，需要将数据类型进行转换，三轴角速度的数值计算方法为：

GYRO.math_X＝(float)GYRO.16_x*COEF；

GYRO.math_Y＝(float)GYRO.16_y*COEF；

GYRO.math_Z＝(float)GYRO.16_z*COEF；

在上述公式中，COEF是传感器读取时根据所设定数据读取频率和读取精度而实时改变的数据。

加速度的计算方式和上述公式类似，不再赘述。

在读取低压传感器之前，需要首先读取温度校正数据和校正因子，读取校正因子的流程如下：

步骤A1：连续读取校正单元参数，共16个，标注为coef[0]～coef[15]；

步骤A2：计算校正因子数据，计算方法为：

PRESS.c0＝(coef[0]＜＜12)|(coef[1]＜＜4)|((coef[2]＞＞4)&OxOF)；

PRESS.c1＝(coef[2]&OxOF)＜＜16|coef[3]＜＜8|coef[4]；

PRESS.c2＝coef[5]＜＜8|coef[6]；

PRESS.c3＝coef[7]＜＜8|coef[8]；

PRESS.c4＝coef[9]＜＜8|coef[10]；

PRESS.c5＝coef[11]＜＜8|coef[12]；

PRESS.c6＝coef[13]＜＜8|coef[14]；

步骤A3：对准校正数据的位数，并标准化计算参数值，标准化参数的计算方法为：若32位无整形数据1左移所需要对齐的位数L-1后，和原数据进行相与位运算后不为零，则数据被校准为32位无整形数据1左移所需要对其的位数L个单位，并在其前方加符号；若32位无整形数据1左移所需要对齐的位数L-1后，和原数据进行相与位运算后为零，则数据不进行变动。

读取温度校正数据的步骤和上述步骤类似，不再赘述，所得到的参数为TEMP.c0与TEMP.c1。

步骤2、读取温度传感器的温度数据，并进行数据对齐和标准化，温度传感器的数据计算方法为：

TEMP.rem_num＝buf[0]＜＜16|buf[1]＜＜8|buf[2]；

TMP.scaled_num＝(float)TEMP.tem_num/SCALE_N；

TMP.tem＝TMP.c0*0.5+TMP.c1*TMP.scaled_num；

上式中，SCALE_N在不同IIC读取参数设置时的具体数据不同；

步骤3、读取气压传感器寄存器的气压数据，并进行数据对齐和标准化，气压传感器的数据计算方法为：

PRESS.prsnum＝(uint32_t)buf[0]＜＜16|(uint32_t)buf[1]＜＜8|(uint32_t)buf[2]；

气压传感器数据的标准化方法计算方法为：

PRESS.scaled_prs＝PRESS.prsnum/SCALE_N；

上式中，SCALE_N在不同IIC读取参数设置时的具体数据不同；

步骤4、根据标准化后的校正因子和气压传感器数据计算可用于数学运算的气压数据，计算方法为：

PRESS.raw_prs＝PRESS.cO+PRESS.scaled_prs*(PRESS.c10+PRESS.scaled_pre*(PRESS.c20+PRES S.scaled_pre*PRESS.c30))+PRESS.scaled_tem*PRESS.c01+PRESS.scaled_tem*PRESS.scaled_pre*(PRESS.c11+PRESS.scaled_pre*PRESS.c21)：

步骤5、使用数据融合的方式将六轴传感器的数据和气压传感器数据进行融合，得到计算高度。

步骤6、读取激光传感器数据，并将计算高度和激光传感器数据二者进行加权滤波，从而得到绝对位置D。

实施例4

本实施例提供了实施例1所述的绝对位置式作物播深稳定性控制设备的播深稳定性调控方法。图4为本发明一个实施例中播深稳定性控制系统控制与反馈结构流程图。本实施例所述方法中，调控通过如下步骤完成：

步骤1、分别读取气压传感器和六轴姿态传感器数据；

步骤2、通过卡尔曼滤波的方式将二者融合得到初步计算的深度数据d_c；

步骤3、单片机获取激光测距传感器数据d_s；

步骤4、将d_c数据和d_s数据进行加权滤波得到最终的绝对位置D，并将该数据作为调控单元的精确反馈数据；

步骤5、根据总控传来的精确定位数据，即包括经度和纬度数据的精确经纬度，判断当前建议播深D_T；

步骤6、将建议播深D_T和绝对位置D进行比较，并将反馈数据传送给液压比例阀调控单元，将信号放大以后调控机具移动至目标播深。

图5为本发明一个实施例中控制系统调控工作流程图，图6为播深稳定性控制系统监测部分工作流程图。

本发明的有益之处在于：传统手动式播深调节设备的调节范围较大、精度较低，且无法做到连续调节，市面上现有的一些播深智能调控设备虽然可以一定程度上的实现对播深的控制，但是却大多是间接播深反馈的方案，本发明提出的绝对位置式反馈方案能够直接测量实际的播深变动情况，能够保证播深控制系统中播深反馈与控制的稳定性；使用了三种传感器联合测量播深的方案，减少了独立传感器使用时所导致的测量精度较差等问题；使用同一片单片机控制器将气压传感器、激光测距传感器和六轴姿态传感器的数据进行了读取和计算以及校正，减少了多个单片机模块通信时所导致的时间延后问题；本方案的实现成本较低，且实现起来相对简易。