提高平地机精度的系统原理分析*,本文是系统方面有关论文范文集和平地机精度和系统原理分析和提高类论文怎么撰写.
系统论文参考文献：
刘 勇,王 骋,章 强
（中国矿业大学徐海学院,江苏 徐州 221000）
摘 要：笔者分析了高精度水田平地机的系统构成及原理,主要包括倾斜调平系统、电路控制系统、液压传动系统以及高程控制系统,分别分析了激光制导系统和GPS差分定位系统这两种高程控制系统的控制原理,笔者选用以单片机STM32F103C8T6为核心的陀螺仪传感器MPU6050作为倾斜调平系统进行理论分析,陀螺仪传感器与加速度计传感器检测的数据融合卡尔曼滤波算法,达到了更高精度的平整效果,系统原理清晰,经济易推广,不仅可以用于大面积耕地的平整,而且可以用于国防工程、交通、矿山、水利灌溉等的建设施工,并为今后的平地机设计提供了一个新的思路.
关键词：平地机；单片机；陀螺仪；加速度计；激光制导；GPS差分定位
中图分类号：TU623+.6；P228.4 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.03.114
在农业生产中,土地平整对提高灌溉用水利用率、农作物产量和质量具有重大意义.然而,传统测量方法不仅费时费力,而且测量精度太低,难以反映地表的真实情况,因此需要机械化生产设备支持.在机械化生产设备中,笔者主要分析高精度水田平地机大规模整平耕地的系统原理.
按系统构成划分,高精度水田平地机包括倾斜调平系统、电路控制系统、液压传动系统、高程控制系统,通过后期陀螺仪传感器和加速度计传感器,融合卡尔曼滤波分析数据,对数据进行反馈与分析计算.以下笔者对高精度水田平地机的系统构成及原理进行分析.
1 倾斜调平系统
在倾斜调平系统中,有两种传感器可供选用,一种是双轴倾角传感器,另一种是陀螺仪传感器.倾角传感器顾名思义是感应倾斜偏差角度的,只有数据反馈,无命令反馈,对静止的倾角测量比较准确.而陀螺仪传感器是测量角速度的,感应动作变量,进而控制液压阀进行修复动作命令,对运动中的倾角测量较为准确.考虑到该研究中拖拉机是不断运动的,因此笔者采用陀螺仪传感器融合加速度计传感器来控制液压阀调整平地铲达到水平.
采用传感器调平倾斜时,倾角传感器可以检测农机具的倾角,而加速度计传感器与陀螺仪传感器检测的数据融合卡尔曼滤波算法就可以获得更加精确的倾角.加速度计传感器可以检测农机具的倾角,陀螺仪传感器可以检测农机具横向倾角的角速度.在倾角传感系统中,将测得的倾角φ作为一个状态向量,采用加速度计传感器估计出陀螺仪传感器的常值偏差b,根据卡尔曼滤波的基本公式,可得方程组为
2 电路控制系统
水平控制系统输入信号来自于陀螺仪传感器和加速度计传感器,输出两路信号控制升降油缸的两个电磁线圈分别实现升与降.图1为电路控制系统流程图.以陀螺仪传感器MPU6050为例,它以单片机STM32F103C8T6为核心,采用3～6 V供电,最大角速度测量范围为&plun;2 000°/s,最大加速度测量范围为&plun;16g,内嵌温度传感器用于温漂补偿,体积小,成本低.MPU6050内部有姿态解算器,融合了动态的卡尔曼滤波算法后,能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态,姿态测量精度0.01°,稳定性极高,是一种高性能倾角仪.
3 液压传动系统
液压传动系统主要由液压油泵、蓄压器、散热器、电磁换向阀、单向节流阀等元件组成.蓄压器可改善系统油压的稳定性,并起到缓冲作用；散热器可保证系统油压不会因为温度的升高而过分下降；两个三位四通电磁换向阀可实现平地机具两端独立升降；单向节流阀调节下降速度.
4 高程控制系统
4.1 激光制导系统
激光制导系统主要由激光发射器、激光接收器和电源等组成.激光发射器可进行水平旋转和自动安平,当仪器被碰撞偏离水平时,报警器自动报警并将信息返回,激光发射器此时停止工作.接收器采用全方位接收的圆柱形接收器,对比激光接收位置与水平基准平面的位置差,操作者以此为依据矫正位置.
位于田块内的激光发射器发射出一束水平旋转的激光束,为耕地提供恒定的水平基准面,激光接收器位于平地机上并通过伸缩支杆与平地铲刚性连接.接收器不断接收光信号并转换成电信号发送给监控箱,操作者控制液压系统推动平地铲完成整平工作.激光平地技术受限于环境,当外界环境恶劣时,会出现较大的误差.同时,由于激光接收器的垂直接收范围有限,在大面积坡面平整时,会出现激光信号丢失的现象.
4.2 GPS差分定位系统
GPS差分定位系统通过高精度全球定位系统获取测量点的位置信息,根据高程信息的变化控制平地铲进行作业.当观测卫星超过3个就可以进行定位计算.GPS基站用于显示当前工作卫星的位置、伪距等信息,可以演示出差分信号的形成过程.当程序初始化之后,程序需要知道当前基站的位置坐标,程序在得到当前位置坐标以后等待伪距数据包,得到全部工作卫星及相应的伪距,查询每个卫星的详细参数,计算其在地心坐标系下的位置.已知卫星位置和GPS基站的位置后,就可以计算得到卫星到基站的距离,它与伪距的差则是由各种误差造成的伪距偏差,得到伪距偏差数据后GPS基站对其进行RTCM编码,然后由基站将数据发送出去[2].
5 结论
笔者分析了高精度水田平地机的系统构成及原理,主要包括倾斜调平系统、电路控制系统、液压传动系统以及高程控制系统.在广泛浏览国内相关文献的基础上,选用MPU6050陀螺仪传感器作为倾斜调平系统的理论分析型号,更加经济易推广,同时精度也能得到很好的保证,为以后的平地机设计提供了一个新的思路.
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