CN104977586A - 一种悬挂式深松机及其耕深在线检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种悬挂式深松机及其耕深在线检测装置和方法，该深松机包括机架和安装在所述机架上的悬挂连接部、深松器和耕深在线检测装置，该耕深在线检测装置，通过检测所述深松机的机架与地面距离的变化得到所述深松机的深松铲入土深度，以对深松作业质量进行实时监控，包括超声波测距传感器，安装在所述机架上，用于实时在线测量所述机架与地面的距离以得到距离信号；处理器，与所述超声波测距传感器连接，用于接收所述距离信号，并对所述距离信号进行数据处理后得到所述深松机的实时耕深数据；上位机，与所述处理器连接，用于接收并输出所述实时耕深数据。本发明还公开了一种耕深在线检测方法和采用该方法控制深松作业质量的悬挂式深松机。

Description

一种悬挂式深松机及其耕深在线检测装置和方法

技术领域

本发明涉及农业机械田间作业工况检测方法及装置，特别是一种悬挂式深松机及其耕深在线检测装置和方法。

背景技术

土壤深松是保护性耕作的重要技术环节之一。土壤深松是使用深松机，松碎耕作层以下5～15cm的犁底层，使松土层的厚度加深。由于不扰乱地表耕作层，所以减少了土壤水分的蒸发损失。同时，增强了降雨的渗入量，加快了降雨的渗入速度，提高了降雨的利用率，为作物生长发育创造了适宜的土壤条件。深松机一般由机架和深松器组成，深松器由铲柄和深松铲组成。对一般土壤，以增强土壤保墒为目的，可根据犁底层情况，选择30～45厘米的松土深度。能打破犁底层位置的土壤，取得显著的效果：一是促进土壤蓄水保墒，增强抗旱防涝能力。深松地块伏旱期间平均含水量比未深松的地块提高7个百分点，作物耐旱时间延长10天左右。二是促进农作物根系下扎，提高抗倒伏能力。深松为作物生长创造了良好的土壤环境，改善了作物根系的生长条件，促进根系粗壮、下扎较深、分布优化，充分吸收土壤的水分和养分，促进作物生产发育。三是促进农作物生长，提高粮食产量。

目前，各地已探索形成了适宜各种土壤类型的深松整地技术模式，研发了一批先进适用的深松整地机具，农机化主管部门积累了较为丰富的推广工作经验。随着我国强农惠农政策力度不断加大，我国已具备大面积推广深松技术的条件。但是，农机深松整地作业需要大马力拖拉机为动力，作业费用较高，影响了农民的积极性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对悬挂式深松机耕整地田间作业过程中，对作业深度测量难的问题，提供一种悬挂式深松机及其耕深在线检测装置和方法，以实现对深松作业质量进行有效监控。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于悬挂式深松机的耕深在线检测装置，其中，通过检测所述深松机的机架与地面距离的变化得到所述深松机的深松铲入土深度，以对深松作业质量进行实时监控，所述耕深在线检测装置包括：

超声波测距传感器，安装在所述深松机的机架上，用于实时在线测量所述机架与地面的距离以得到距离信号；

处理器，与所述超声波测距传感器连接，用于接收所述距离信号，并对所述距离信号进行数据处理后得到所述深松机的实时耕深数据；以及

上位机，与所述处理器连接，用于接收并输出所述实时耕深数据。

上述的耕深在线检测装置，其中，还包括镇压轮，安装在所述机架上并设置在所述超声波测距传感器前方，用于将松软的土地表面压实，以保证所述超声波测距传感器的接收端收到实时在线测量距离的反射信号。

上述的耕深在线检测装置，其中，所述处理器包括：

接收模块，用于连续接收所述距离信号；

计算模块，用于对所述接收模块收到的所述距离信号计算作业深度后进行平均处理，并将处理后的平均值作为所述实时耕深数据；

发送模块，用于将所述实时耕深数据发送至所述上位机。

上述的耕深在线检测装置，其中，所述作业深度的计算公式为：

D=0.5*v*t-h

其中，v为所述超声波测距传感器发送的超声波在空气中的传播速度，t为所述超声波测距传感器发送的超声波脉冲传送的时间，h为所述超声波测距传感器距未作业地面的安装高度。

上述的耕深在线检测装置，其中，还包括温度传感器，所述温度传感器安装在所述机架上并与所述处理器连接，所述传播速度v采用如下公式修正：

v=331.4+0.61*T

其中，T为所述温度传感器检测到的实时空气温度。

上述的耕深在线检测装置，其中，所述上位机为机载电脑或手持智能装置，所述机载电脑安装在所述深松机的驾驶室内。

上述的耕深在线检测装置，其中，所述机载电脑或手持智能装置通过蓝牙或wifi与所述处理器连接，所述手持智能装置位于所述蓝牙或wifi的传输范围内时，所述超声波测距传感器与所述处理器为工作状态，所述手持智能装置位于所述蓝牙或wifi的传输范围外时，所述超声波测距传感器与所述处理器为休眠状态。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种用于悬挂式深松机的耕深在线检测方法，其中，通过检测所述深松机的机架与地面距离的变化得到所述深松机的深松铲入土深度，以对深松作业质量进行实时监控，所述耕深在线检测方法包括如下步骤：

S100、超声波测距，用超声波测距传感器实时在线测量所述机架与地面的距离以得到距离信号；

S200、计算实时耕深数据，对所述距离信号进行数据处理后得到所述深松机的实时耕深数据；

S300、输出耕深数据，输出所述实时耕深数据。

上述的耕深在线检测方法，其中，所述机身实时耕深数据包括如下步骤：

S201、计算所述深松机的作业深度；

S202、求算平均值，对所述作业深度进行排序，并去除最大和最小数据后计算平均值作为所述实时耕深数据，

所述作业深度的计算公式为：

D=0.5*v*t-h

其中，v为通过超声波测距传感器发送的超声波在空气中的传播速度，t为通过超声波测距传感器发送的超声波脉冲传送的时间，h为所述超声波测距传感器距未作业地面的安装高度。

上述的耕深在线检测方法，其中，在步骤S202之前，还包括传播速度修正步骤，所述传播速度v采用如下公式修正：

v=331.4+0.61*T

其中，T为通过温度传感器检测到的实时空气温度。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种悬挂式深松机，包括机架和安装在所述机架上的悬挂连接部和深松器，其中，还包括上述的耕深在线检测装置。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种采用上述的耕深在线检测方法控制深松作业质量的悬挂式深松机。

本发明的技术效果在于：

本发明为解决悬挂式深松机作业深度在线检测难的问题提供了有效手段：

1）在牵引式农具液压缸上安装超声波测距传感器，通过测量机架距离地面的距离来计算耕作深度；

2）本发明可以与任何有蓝牙或wifi功能的智能手机配合使用，提高了使用的便利性；

3）本发明可通过判断接收端蓝牙或wifi的距离而灵活采用开启电源或进入休眠状态，有效降低能源消耗。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的深松机立体结构示意图；

图2为本发明一实施例的深松机结构示意图；

图3为本发明一实施例的耕深在线检测装置示意图；

图4为本发明一实施例的耕深在线检测方法流程图。

其中，附图标记

1  机架

2  悬挂连接部

3  深松器

4  耕深在线检测装置

41  超声波测距传感器

42  处理器

43  上位机

44  镇压轮

5  外接电源

S100-S300  步骤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1及图2，图1为本发明一实施例的深松机立体结构示意图，图2为本发明一实施例的深松机结构示意图。本发明的悬挂式深松机，包括机架1和安装在所述机架1上的悬挂连接部2和深松器3，还包括耕深在线检测装置4。该深松机通过悬挂连接部2与牵引装置（例如拖拉机，图未示）连接，本实施例中，该悬挂连接部2为三点式连接，该机架1为一水平设置的矩形框架结构，该深松机与牵引装置的连接及其他零部件之间的相互位置关系、连接关系、工作原理等，均为较成熟的现有技术，故在此不作赘述，下面仅对本发明的耕深在线检测装置4予以详细说明。

耕深监测是农机田间作业最常见的测控参数。针对田间作业时尘土粉尘比较大、干扰因素比较多的特点，本发明的耕深在线检测装置4，采用超声波探测技术通过检测所述深松机的机架1与地面距离的变化得到所述深松机的深松铲入土深度，以对深松作业质量进行实时监控。所述耕深在线检测装置4包括：超声波测距传感器41，安装在所述深松机的机架1上，用于实时在线测量所述机架1与地面的距离以得到距离信号，该超声波测距传感器41提供标准接口，有电源线正负接线端子和数据线正负接线端子，可安装在机架1的一侧，垂直对地面发射超声波，到达地面后反射，超声波测距传感器41接受反射信号，得到机架1离地面的距离。电源线接上12v直流电源后，信号接线端子会按一定的时间间隔（比如100ms）持续发送超声波测距传感器41的探头到障碍物的距离信号。当深松机作业时，深松机的机架1离地高度发生变化，通过检测这个变化量来计算深松铲入土深度；处理器42，与所述超声波测距传感器41连接，用于接收所述距离信号，并对所述距离信号进行数据处理后得到所述深松机的实时耕深数据发送给上位机43；上位机43，与所述处理器42连接，用于接收并输出所述实时耕深数据，也可将该耕深数据绘制为耕深曲线后直接在屏幕上动态显示。

一般超声波测距传感器41在松软界面反射波信号微弱，接收端无法收到检测数据。因此，本实施例中还包括镇压轮44，安装在所述机架1上并设置在所述超声波测距传感器41前方，用于将松软的土地表面压实，以保证所述超声波测距传感器41的接收端收到实时在线测量距离的反射信号。随着车辆前进，镇压轮44首先将松软的土地表面压实，安装在镇压轮44后面的超声波测距传感器41的探头发射超声波信号到压实后的土地表面上，才能够保证接收端收到反射信号。

参见图3，图3为本发明一实施例的耕深在线检测装置示意图。所述处理器42包括：接收模块，用于连续接收所述距离信号；计算模块，用于对所述接收模块收到的所述距离信号计算作业深度后进行平均处理，并将处理后的平均值作为所述实时耕深数据；发送模块，用于将所述实时耕深数据发送至所述上位机43。

其中，所述作业深度的计算公式优选为：

D=0.5*v*t-h

其中，v为所述超声波测距传感器41发送的超声波在空气中的传播速度，t为所述超声波测距传感器41发送的超声波脉冲传送的时间，h为所述超声波测距传感器41距未作业地面的安装高度。

本发明利用超声波脉冲在空气中传播和反射的原理进行测量。固定在农机具上的超声波测距传感器41，向耕作后的地表面发出超声波脉冲，声脉冲经空气传到地表面，其中部分声波能反射后返回到超声波测距传感器41，超声波测距传感器41测量脉冲从发射到接收所用的时间，根据空气中的声速，从而计算得出作业深度D。声波速度取决于传递气体的成分组成，压力大小和温度高低。对于大多数的超声波应用来说，气体的成分和压力是相对固定不变的，而温度可能是变化的。温度补偿可以减少由于温度影响所造成的较大误差。因此本实施例还包括温度传感器（图未示），所述温度传感器可安装在所述机架1上并与所述处理器42连接，为了补偿温度变化引起的误差，本发明在输出新值之前，将对传感器多次测量结果取其平均值，并且在处理器42（例如单片机）的检测电路中增加温度检测模块，实时采集空气温度，则所述传播速度v采用如下公式修正：

v=331.4+0.61*T

其中，T为所述温度传感器检测到的实时空气温度。

其中，所述上位机43可为机载电脑或手持智能装置，所述机载电脑可安装在所述深松机的驾驶室内。所述机载电脑或手持智能装置通过蓝牙或wifi与所述处理器42连接，所述手持智能装置位于所述蓝牙或wifi的传输范围内时，所述超声波测距传感器41与所述处理器42为工作状态，所述手持智能装置位于所述蓝牙或wifi的传输范围外时，所述超声波测距传感器41与所述处理器42为休眠状态。打开电源后，超声波测距传感器41和处理器42开始工作，处理器42读取超声波测距传感器41的数据，经滤波处理后，得到实时的耕深数据，经过蓝牙或wifi模块发送出来，该手持智能装置例如为智能手机安装对应的应用程序，通过蓝牙或wifi模块接收耕深数据，在显示屏上显示出来。

该智能手机可对应设置有蓝牙模块和显示模块，分别用于数据接收和显示。也可设置蓝牙模块用于接收处理器42通过蓝牙发送的耕深数据；数据处理模块，用于根据处理器42发送的耕深数据绘制耕深曲线，在屏幕上显示；位置信息获取与显示模块，获取手机上的GPS模块提供的位置坐标，显示到数字地图上；数据发送模块，通过手机GPRS网络，将耕深数据、位置数据等发送到服务器网络,以进行远程检测和控制。

本发明可不设电源开关，驾驶员不需要对本发明的开启和关闭做任何工作。其中超声波测距传感器41安装在悬挂式农具上，外接电源5模块和处理器42安装在驾驶室里。当驾驶员携带智能手机进入驾驶室开始作业时，智能手机距离处理器42在蓝牙或wifi传输距离范围内，会唤醒处理器42，进行耕深数据采集、处理和发射，当驾驶员携带智能手机离开驾驶室，处理器42检测不到智能手机蓝牙数据，就会自动休眠。这样一方面减少驾驶员操作的工作量，同时可以起到节能的作用。

参见图4，图4为本发明一实施例的耕深在线检测方法流程图。本发明的耕深在线检测方法，通过检测所述深松机的机架1与地面距离的变化得到所述深松机的深松铲入土深度，以对深松作业质量进行实时监控，所述耕深在线检测方法包括如下步骤：

步骤S100、超声波测距，用超声波测距传感器41实时在线测量所述机架1与地面的距离以得到距离信号；

步骤S200、计算实时耕深数据，对所述距离信号进行数据处理后得到所述深松机的实时耕深数据；处理器42例如单片机接受到原始数据后，判断数据是否有效（超过合理的范围，比如小于零，大于最大作业深度等），删除无效数据，将有效数据做平均处理。

步骤S300、输出耕深数据，输出所述实时耕深数据。例如，经过数据处理得到每秒一个的耕深数据，通过蓝牙发送到机载电脑或手持智能装置。

其中，所述机身实时耕深数据包括如下步骤：

步骤S201、计算所述深松机的作业深度；

步骤S202、求算平均值，对所述作业深度进行排序，并去除最大和最小数据后计算平均值作为所述实时耕深数据，本实施例设定每秒采集10个数据，将10个数据按照冒泡排序算法从小到大排序，然后去掉最小的两个数据和最大的两个数据，取中间的六个数据的平均值，作为实际耕深数据。

对接收的距离信号进行平均处理，包括排序及去除最大和最小数据后进行平均。例如，具体排序算法步骤可为：

1）比较相邻的元素。如果第一个比第二个大，就交换他们两个；

2）对每一对相邻元素作同样的工作，从开始第一对到结尾的最后一对；

3）在这一点，最后的元素应该会是最大的数；

4）针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个；

5）持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤，直到没有任何一对数字需要比较。

所述作业深度的计算公式为：

D=0.5*v*t-h

其中，v为通过超声波测距传感器41发送的超声波在空气中的传播速度，t为通过超声波测距传感器41发送的超声波脉冲传送的时间，h为所述超声波测距传感器41距未作业地面的安装高度。

其中，在步骤S202之前，还包括传播速度修正步骤，所述传播速度v采用如下公式修正：

v=331.4+0.61*T

其中，T为通过温度传感器检测到的实时空气温度。

上述耕深在线检测方法可用于任一悬挂式深松机以控制深松作业质量，对于该悬挂式深松机的结构没有特殊要求，只要采用上述耕深在线检测方法控制深松作业质量即可。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于悬挂式深松机的耕深在线检测装置，其特征在于，通过检测所述深松机的机架与地面距离的变化得到所述深松机的深松铲入土深度，以对深松作业质量进行实时监控，所述耕深在线检测装置包括：

超声波测距传感器，安装在所述深松机的机架上，用于实时在线测量所述机架与地面的距离以得到距离信号；

处理器，与所述超声波测距传感器连接，用于接收所述距离信号，并对所述距离信号进行数据处理后得到所述深松机的实时耕深数据；以及

上位机，与所述处理器连接，用于接收并输出所述实时耕深数据。

2.如权利要求1所述的耕深在线检测装置，其特征在于，还包括镇压轮，安装在所述机架上并设置在所述超声波测距传感器前方，用于将松软的土地表面压实，以保证所述超声波测距传感器的接收端收到实时在线测量距离的反射信号。

3.如权利要求1或2所述的耕深在线检测装置，其特征在于，所述处理器包括：

接收模块，用于连续接收所述距离信号；

计算模块，用于对所述接收模块收到的所述距离信号计算作业深度后进行平均处理，并将处理后的平均值作为所述实时耕深数据；

发送模块，用于将所述实时耕深数据发送至所述上位机。

4.如权利要求3所述的耕深在线检测装置，其特征在于，所述作业深度的计算公式为：

D=0.5*v*t-h

其中，v为所述超声波测距传感器发送的超声波在空气中的传播速度，t为所述超声波测距传感器发送的超声波脉冲传送的时间，h为所述超声波测距传感器距未作业地面的安装高度。

5.如权利要求4所述的耕深在线检测装置，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器安装在所述机架上并与所述处理器连接，所述传播速度v采用如下公式修正：

v=331.4+0.61*T

其中，T为所述温度传感器检测到的实时空气温度。

6.如权利要求1、2、4或5所述的耕深在线检测装置，其特征在于，所述上位机为机载电脑或手持智能装置，所述机载电脑安装在所述深松机的驾驶室内。

7.如权利要求6所述的耕深在线检测装置，其特征在于，所述机载电脑或手持智能装置通过蓝牙或wifi与所述处理器连接，所述手持智能装置位于所述蓝牙或wifi的传输范围内时，所述超声波测距传感器与所述处理器为工作状态，所述手持智能装置位于所述蓝牙或wifi的传输范围外时，所述超声波测距传感器与所述处理器为休眠状态。

8.一种用于悬挂式深松机的耕深在线检测方法，其特征在于，通过检测所述深松机的机架与地面距离的变化得到所述深松机的深松铲入土深度，以对深松作业质量进行实时监控，所述耕深在线检测方法包括如下步骤：

S100、超声波测距，用超声波测距传感器实时在线测量所述机架与地面的距离以得到距离信号；

S200、计算实时耕深数据，对所述距离信号进行数据处理后得到所述深松机的实时耕深数据；

S300、输出耕深数据，输出所述实时耕深数据。

9.如权利要求8所述的耕深在线检测方法，其特征在于，所述机身实时耕深数据包括如下步骤：

S201、计算所述深松机的作业深度；

S202、求算平均值，对所述作业深度进行排序，并去除最大和最小数据后计算平均值作为所述实时耕深数据，

所述作业深度的计算公式为：

D=0.5*v*t-h

其中，v为通过超声波测距传感器发送的超声波在空气中的传播速度，t为通过超声波测距传感器发送的超声波脉冲传送的时间，h为所述超声波测距传感器距未作业地面的安装高度。

10.如权利要求9所述的耕深在线检测方法，其特征在于，在步骤S202之前，还包括传播速度修正步骤，所述传播速度v采用如下公式修正：

v=331.4+0.61*T

其中，T为通过温度传感器检测到的实时空气温度。

11.一种悬挂式深松机，包括机架和安装在所述机架上的悬挂连接部和深松器，其特征在于，还包括如上述权利要求1-7中任意一项所述的耕深在线检测装置。

12.一种采用上述权利要求8-10中任意一项所述的耕深在线检测方法控制深松作业质量的悬挂式深松机。