技术领域
[0001] 本
发明涉及
土壤信息感知技术领域，具体涉及一种水田犁底层信息连续感知装置和方法。
背景技术
[0002] 开展水田土壤信息感知与检测对水田作物耕种、
农业机械装备设计都具有指导意义。传统方法主要采用土壤硬度计测量不同深度土层硬度或通过遥测设备对田面地表进行三维重构，另有轻量便携式设备，可以现场
采样分析土壤含水含养等信息。随着农机装备向自动化、智能化方向发展，
拖拉机的自动导航作业对农田环境信息感知提出更高要求。
[0003] 目前，有关农田土壤信息获取的研究成果已有数例，如：CN102788566B公开了一种土壤表面粗糙度测量板及测量方法，利用
机器视觉与
图像处理技术，通过求取排列在土壤表面的探针长度得到土壤表面粗糙度；CN102607499A公开的一种车载农田三维地形测量装置，可用于旱地和水田地表地形的测量；CN203100958U公开了一种圆盘型土壤阻
力连续快速测量装置，可以连续测定确定深度的土壤阻力；CN103918365B公开了一种可连续测量土壤机械阻力的深松铲，可在线监测深松铲耕地阻力，若铲刀碰到异物阻力超过设定
阈值时，
液压缸收缩使铲刀避让。
[0004] 但现有的土壤测试设备与方法还存在以下技术问题：
[0005] (1)水田结构境况复杂，硬底层上
覆盖有
耕作层与水层，水面具有反射、透明、吸光性，导致传统的地面或空间遥测设备无法直接应用于水田土壤分析；
[0006] (2)传统的
接触式地形测量装置以离散点式测量为主，无法满足大田土壤数据快速连续测量的需要；
[0007] (3)传统的农田地形测绘设备仅关注土壤地表信息，无法获知水田拖拉机行走驾驶层或犁底层状况；
[0008] (4)传统土壤信息测定装置或测量土壤阻力或测绘地表地形，测量对象信息获取单一。
发明内容
[0009] 针对
现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种水田犁底层信息连续感知装置和方法，可随拖拉机行进对犁底层信息进行连续感知。
[0010] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0011] 一种水田犁底层信息连续感知装置，包括一个
姿态传感器、两套触杆传感装置、
数据采集装置，姿态传感器安装于拖拉
机车身，两套触杆传感装置分别安装在拖拉机左右前轮主销；触杆传感装置包括
支撑架、平行四边形机构、力传感器、
角位移传感器、触杆、恒压机构，支撑架与主销相对固定，触杆、给触杆提供恒定入泥压力的恒压机构、通过触杆测量前进阻力的力传感器均通过平行四边形机构相对于支撑架升降，通过平行四边形机构的转角得出触杆升降高度的角位移传感器安装在平行四边形机构上；姿态传感器、力传感器、角位移传感器均与数据采集装置相接。水田犁底层信息包括犁底层深度及犁底深度土壤阻力。
[0012] 作为一种优选，平行四边形机构包括前
耳板、后耳板、两根
连杆、四根
转轴；两根相互平行的连杆一高一低设置，每根连杆的每端均与一根转轴固定连接，位于前方的两根转轴与前耳板转动式连接，且前方两根转轴位于同一竖直平面内，位于后方的两根转轴与后耳板转动式连接，且后方两根转轴位于同一竖直平面内；前耳板搭载触杆、恒压机构、力传感器；后耳板与支撑架相接。采用该结构后，保证支撑架与拖拉机前轮同步转向，触杆测量路径与拖拉机轮行走轨迹始终一致。
[0013] 作为一种优选，连杆的端部设有方孔，转轴为方轴，方轴插入方孔中。
[0014] 作为一种优选，触杆传感装置还包括触杆连接件；触杆连接件设有竖向的通孔，与触杆以圆柱副的方式配合；触杆连接件安装在力传感器的测力面，测力面朝向前方。优选的，触杆连接件为带座圆锥滚子
轴承，
轴承内圈与触杆配合安装于力传感器测力面。触杆的轴向
定位一端加工限位轴肩，另一端加工凹槽使用弹性挡圈。
[0015] 作为一种优选，角位移传感器与任一转轴相接。
[0016] 作为一种优选，恒压机构包括多
块配重块；配重块左右对称、可装拆式安装在前耳板上。为精简机构设计，恒压机构为一组
质量、数目可选的配重块，为触杆入土提供恒定压力，成对安装于支撑架前耳板力传感器两侧。
[0017] 作为一种优选，触杆为L形刚性杆件，包括水平段和竖直段，水平段和竖直段之间倒圆角，水平段与犁底层接触，竖直段伸入水田泥面。优选采用不锈
钢材质；优选水平段与竖直段间
焊接有加强杆。采用圆角过渡，便于其通过碎石和杂物。
[0018] 作为一种优选，力传感器为高
精度压力传感器，角位移传感器为高精度单圈电位器，姿态传感器为九轴姿态航向参考系统；数据采集装置为多串口采集卡，同步采集多路信息。高精度压力传感器，可测量触杆对传感器的压力，安装于支撑架前耳板前方正中且使传感器X轴与拖拉机前进方向平行。角位移传感器通过
联轴器与转轴相连，实时连续测量连杆的摆动角度。联轴器为“8字形”联轴器。多串口采集卡，通过RS-232串口线分别与力传感器、角位移传感器相接。
[0019] 一种水田犁底层信息连续感知方法，采用一种水田犁底层信息连续感知装置，其特征在于：角位移传感器测量触杆随水田地形的起伏变化，通过姿态传感器校正该起伏变化得到犁底层的深度信息；水田土壤阻力随犁底层深度增加而递增，是一组分布力系，通过力传感器测量触杆上端等效力对水田犁底深度阻力进行表征。
[0020] 作为一种优选，水田犁底层深度信息H依据H＝[L·sin(α1-α0)]·cosγ计算，其中，γ为拖拉机
车身横滚角，由姿态传感器测量；α0为连杆的初始角度，由角位移传感器测量；α1为连杆的实时角度，由角位移传感器测量；L为连杆的长度；水田犁底层深度信息H和力传感器测量触杆上端等效力F被储存并由
笔记本电脑动态显示。
[0021] 本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
[0022] 1)本发明的水田犁底层信息连续感知装置包括支撑架、力传感器、角位移传感器、触杆连接件、触杆、一组质量可选配重块、多串口卡，所有传感设备集成安装在支撑架上，多串口采集卡放置于拖拉机
驾驶舱内，传感器与多串口卡相连，具有结构简单、操作简便、普适性强、可测参数种类多等特点。
[0023] 2)本发明的水田犁底层信息连续感知装置设计有触杆传感装置，可实现对水田犁底层深度信息的直接测量，突破了传统地面空间遥感设备对水田土壤信息采集时水面、泥脚干涉的局限；同时可实现对水田犁底深度土壤阻力的连续测量，测量效率高。
[0024] 3)本发明的水田犁底层信息连续感知装置设计有压力可调的恒压装置，保证在不同泥脚硬度的水田环境中，均能提供合适的恒定压力使触杆水平段接触水田犁底层，通用性强。此外，恒压机构可不随触杆行程位移变化而提供恒定压力于触杆，以保证测量过程的条件一致性。
[0025] 4)本发明的水田犁底层信息连续感知装置设计有角位移传感器和力传感器，可满足大田土壤信息连续测量的需求，数据采集效率高，测量信息丰富。
[0026] 5)可同时连续感知水田拖拉机行驶路径上犁底层深度信息及犁底深度土壤阻力，丰富了水田地形、土壤承载能力的测量手段。
附图说明
[0027] 图1是触杆传感装置安装的立体图。
[0028] 图2是触杆传感装置安装的主视图。
[0029] 图3是触杆传感装置安装的俯视图。
[0030] 图4是本发明的测量原理图。
[0031] 图5是触杆传感装置的使用状态图。
[0032] 其中，1为联轴器，2为恒压机构，3为力传感器，4为触杆连接件，5为触杆，6为连杆，7为转轴，8为角位移传感器，9为支撑架，10为前轮，11为轴承，12为主销。V为拖拉机前进速度。
具体实施方式
[0033] 下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
[0034] 如图1—3所示，本
实施例对水田插秧机行走路径上犁底层深度信息及犁底深度土壤阻力进行感知，采用的拖拉机为井关PZ60型水田插秧机。
[0035] 一种水田犁底层信息连续感知装置包括一对触杆传感装置及姿态传感器(九轴姿态航向参考系统)，采用安装有Matlab的笔记本电脑作为传感数据实时计算显示终端。
[0036] 触杆传感装置数量为两套，分别安装于插秧机左、右前轮轴轴承端盖处。每套触杆传感装置包括：“8”字型联轴器，配重块，力传感器，触杆连接件，触杆，端部开有方孔的连杆，方轴，前耳板，后耳板，高精度单圈电位器，支撑架。
[0037] 平行四边形机构包括前耳板、后耳板、两根连杆、四根转轴。平行四边形机构为
不锈钢材质，可将触杆随犁底层的高程起伏变化转化为易测量的角度
信号从而采用高精度单圈电位器进行测量。力传感器为高精度压力传感器，可测量触杆对传感器的压力，本实施例用以测量触杆在随插秧机前进时受到的水田犁底深度土壤阻力的表征F。触杆为不锈钢材质刚性杆件，折弯成“L”形，插入水田泥面以下，保证触杆水平段与犁底层接触，竖直段上部露出水面；触杆折弯处有圆角过渡，利于通过碎石、泥块等障碍；触杆竖直段上部加工有限位轴肩及与弹性挡圈配合的凹槽。触杆连接件为带座
圆锥滚子轴承，安装于力传感器测力面，
轴承内圈与触杆配合，以保证前轮转向时触杆朝向与前轮跟随一致。角位移传感器为高精度单圈电位器，底部有
螺纹孔。电位器联轴器为“8”字形联轴器，轴孔处周向设有
紧定螺钉。恒压机构为一组数目、质量可选的立方体金属配重块，底部设有
螺纹孔，分别布置于六维力传感器两侧，安装在支撑架前方的前耳板上。数据采集装置为多功能数模信号采集卡，可同时采集电位器与六维力
传感器数据信息。
[0038] 支撑架通孔与插秧机前轮轴轴承端盖安装孔对应，通过螺钉、
弹簧垫片、垫片固定。前耳板通孔与力传感器螺纹孔对应，通过螺钉、弹簧垫片、垫片固定。一对方孔连杆平行布置，连杆两端分别通过方轴与前后耳板铰接，方轴可相对耳板通孔转动，连杆与方轴间不可转动。力传感器底面设有螺纹孔，通过螺钉、弹簧垫片、垫片安装在支撑架前耳板上。带座圆锥滚子轴承底部设有四个通孔，通过螺钉、弹簧垫片、垫片安装与力传感器测力面紧固安装。触杆与带座圆锥滚子轴承内圈
过盈配合，通过触杆轴肩及与触杆凹槽配合的弹性挡圈完成触杆的轴向定位。四块立方体金属配重块通过螺钉、弹簧垫片、垫片分别安装在六维力传感器两侧。高精度单圈电位器通过螺钉、弹簧垫片、垫片安装在后耳板上。“8”字形联轴器两端轴孔分别与高精度单圈电位器轴、方轴配合。
[0039] 采用外部电源为多串口卡、高精度单圈电位器、力传感器、笔记本电脑提供稳定
电压。
[0040] 一种水田犁底层信息连续感知方法，包括以下步骤：
[0041] 1)将一对触杆传感装置分别安装于插秧机左右前轮轴轴承端盖11处，使用螺钉、
垫圈、
弹簧垫圈安装紧固；将姿态传感器安装于插秧机车身，使用螺钉、垫圈、弹簧垫圈安装固定。
[0042] 2)驾驶插秧机停止在路面，保证触杆水平段与插秧机四轮位于同一水平面，利用高精度单圈电位器记录此时连杆初始角度α0。
[0043] 3)驾驶插秧机进入水田，保证触杆水平段伸入到泥面以下，按照配重块质量由小至大的顺序，将一对质量相同的配重块依次分别安装在前耳板六维力传感器两侧，直到触杆不再继续下陷，露出泥面的部分长度不再变化时，认为触杆5水平段临界接触水田犁底层。
[0044] 4)开动插秧机匀速向前行驶，触杆传感装置在插秧机推动下前进，触杆随犁底层地形上下起伏，高精度单圈电位器连续采集由触杆起伏产生的连杆摆动角α1，将角度信息转化为
数字信号发送给多串口卡；力传感器连续采集触杆受到的前进阻力表征F，将力值信息转化为数字信号发送给多串口卡；姿态传感器测量车身姿态并将姿态值发送给多串口卡。
[0045] 5)多串口卡将接收到的左、右触杆连杆摆动角度数据通过数据线发送至笔记本电脑，Matlab利用算式H＝[L·sin(α1-α0)]·cosγ同步计算拖拉机左、右轮前方水田犁底层高程，实时显示并储存；同时，多串口卡将接收到的左、右触杆前进阻力通过数据线发送至笔记本电脑，Matlab将采获的触杆前进阻力表征F实时显示并储存。
[0046] 6)依据水田犁底层信息连续感知装置测量得到的触杆前进阻力表征F、水田犁底层高程信息H，丰富了水田地形、土壤承载能力的测量手段。
[0047] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
