本發(fā)明屬于智能農(nóng)機(jī)裝備，涉及一種基于測速角度補(bǔ)償實(shí)時(shí)校正的播種機(jī)地速雷達(dá)精確測速方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)進(jìn)步，播種逐漸從傳統(tǒng)的手工播種轉(zhuǎn)變?yōu)椴シN機(jī)播種，大大提高了播種的效率、減輕了人工勞動強(qiáng)度。隨速播種技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能播種的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體為根據(jù)播種機(jī)的實(shí)時(shí)行進(jìn)速度動態(tài)調(diào)整排種器的排種速度，保證種子按農(nóng)藝要求播量均勻分布。

2、傳統(tǒng)播種機(jī)通過地輪測速并通過機(jī)械傳動系統(tǒng)傳遞扭矩驅(qū)動排種器隨速工作，實(shí)現(xiàn)隨速播種，但存在地輪滑移速度失真、土壤粘附堵塞地輪測速等問題和播種量難以無級調(diào)整等問題，不滿足生產(chǎn)對智能高性能播種的要求，智能電驅(qū)排種成為發(fā)展趨勢。在智能電驅(qū)排種技術(shù)中，精準(zhǔn)獲取播種機(jī)的實(shí)時(shí)速度是關(guān)鍵。目前對播種機(jī)進(jìn)行測速的方式主要分為兩大類，一類是測量車輪的轉(zhuǎn)速，如霍爾傳感器、編碼器等；另一類是測量車體速度，例如北斗衛(wèi)星定位模塊測速、雷達(dá)測速等。其中霍爾傳感器和編碼器通常與拖拉機(jī)車輪軸或地輪軸同軸安裝，通過測量車輪在單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)得到播種機(jī)行進(jìn)速度，測速實(shí)時(shí)性高但在作業(yè)時(shí)存在打滑、堵塞停轉(zhuǎn)等問題；衛(wèi)星定位通過解析報(bào)文信息獲取拖拉機(jī)的位置和速度，但易受衛(wèi)星信號強(qiáng)度影響且存在一定滯后；微波雷達(dá)測速結(jié)果的實(shí)時(shí)性較高，但其測量精度對雷達(dá)的安裝角度非常敏感。

3、例如公開號為cn115061129a的中國專利“基于多普勒雷達(dá)測速的精量播種機(jī)用智能控制方法”中通過多普勒雷達(dá)測量機(jī)具的運(yùn)行速度，該發(fā)明中的雷達(dá)與地面的夾角55°固定安裝，并直接根據(jù)該測速結(jié)果對排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。該發(fā)明忽視了田間實(shí)際作業(yè)時(shí)，播種機(jī)顛簸抖動和地形變化對雷達(dá)對地角度的影響，進(jìn)而影響測速的穩(wěn)定性和精度。

4、例如公開號為cn116087898a的中國專利“一種雷達(dá)測速的慣導(dǎo)補(bǔ)償方法及慣導(dǎo)補(bǔ)償?shù)睦走_(dá)測速系統(tǒng)”中通過慣性測量單元實(shí)時(shí)獲取的加速度計(jì)算得到車輛的傾斜角度，并利用該角度計(jì)算出此時(shí)車輛速度的補(bǔ)償值，從而獲取補(bǔ)償后更高精度的車輛行駛速度。該發(fā)明主要應(yīng)用于軌道交通裝備，穩(wěn)定高速的工作環(huán)境，使用經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。在農(nóng)業(yè)田間作業(yè)的復(fù)雜地形和低速工作下，加速度計(jì)容易受到線性加速度影響和振動、溫度變化等外界因素的干擾，且在動態(tài)變化較快的場景下，其測量精度會受到影響。

5、鑒于上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的急需解決的技術(shù)問題為：精量播種機(jī)在作業(yè)時(shí)，機(jī)具抖動導(dǎo)致的雷達(dá)天線照射角度變化影響雷達(dá)測速結(jié)果的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于測速角度實(shí)時(shí)校正的播種機(jī)地速雷達(dá)精確測速方法與系統(tǒng)，具體技術(shù)方案為：

2、一種基于測速角度實(shí)時(shí)校正的播種機(jī)地速雷達(dá)精確測速方法與系統(tǒng)，所述測速方法為使用慣性測量元件測量播種機(jī)實(shí)時(shí)傾斜角度，對雷達(dá)的測速結(jié)果進(jìn)行修正和遞推平均濾波，最終獲得高精度的播種機(jī)實(shí)時(shí)行進(jìn)速度。

3、一種基于測速角度實(shí)時(shí)校正的播種機(jī)地速雷達(dá)精確測速方法與系統(tǒng)，所述測速系統(tǒng)包括由電機(jī)驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)的排種器，速度監(jiān)測模塊，以及實(shí)施所述精確測速方法的控制單元；所述速度監(jiān)測模塊包括地速雷達(dá)和慣性測量元件；所述控制單元基于所述雷達(dá)獲得的速度數(shù)據(jù)和慣性測量元件獲得的播種機(jī)傾斜角度計(jì)算修正系數(shù)，對雷達(dá)測速結(jié)果進(jìn)行修正，再對修正后的測速結(jié)果進(jìn)行遞推平均濾波獲得播種機(jī)精確速度，最后根據(jù)播種機(jī)精確速度調(diào)節(jié)所述電機(jī)的轉(zhuǎn)速；所述測速系統(tǒng)還包括顯示屏；

4、所述測速系統(tǒng)包括以下步驟：

5、步驟一，從地速雷達(dá)獲取實(shí)時(shí)速度原始數(shù)據(jù)和從慣性測量元件獲取實(shí)時(shí)播種機(jī)傾斜角度；

6、步驟二，根據(jù)速度和角度數(shù)據(jù)，利用修正公式計(jì)算對應(yīng)的修正系數(shù)，獲得修正后的精確速度，調(diào)整排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速；

7、步驟三，實(shí)時(shí)向顯示屏發(fā)送速度和播種情況進(jìn)行可視化顯示，并從顯示屏接受數(shù)據(jù)對播種狀況進(jìn)行調(diào)整。

8、進(jìn)一步，所述慣性測量元件的核心組件為陀螺儀和加速度計(jì)，陀螺儀可以測量三個(gè)軸向的角速度大小，加速度計(jì)可以測量三個(gè)軸向的加速度大小，慣性測量元件除了提供三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)傳感器的16位adc信號采集功能之外，還集成了數(shù)字低通濾波器和數(shù)字運(yùn)動處理器，可以直接輸出經(jīng)過低通濾波處理和四元數(shù)姿態(tài)解算后的四元數(shù)數(shù)據(jù)；控制單元將該四元數(shù)轉(zhuǎn)換為歐拉角，可以得到準(zhǔn)確的俯仰角大小，即播種機(jī)與水平夾角大小。

9、進(jìn)一步，構(gòu)建地速雷達(dá)修正數(shù)據(jù)庫和修正公式

10、雷達(dá)測速結(jié)果與參考速度相除獲得修正系數(shù)，如下式：

11、

12、其中v為雷達(dá)測速結(jié)果，v0為參考速度，k為修正系數(shù)；

13、將大量不同情況的修正系數(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，以測速結(jié)果和雷達(dá)對地角度作為自變量，修正系數(shù)作為因變量，使用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合獲得修正公式；將修正公式輸入到控制單元中，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)雷達(dá)測速結(jié)果與角度測量結(jié)果，控制單元將計(jì)算出修正系數(shù)。隨后，利用這個(gè)修正系數(shù)對雷達(dá)測速結(jié)果進(jìn)行修正，從而獲得高精度的測速數(shù)據(jù)。

14、進(jìn)一步，使用遞推平均濾波對雷達(dá)測速結(jié)果進(jìn)行濾波，遞推平均濾波是指將最新測量結(jié)果和前n-1位測量結(jié)果的平均值作為最新的測量結(jié)果，公式如下：

15、

16、式中，y[n]：第n次濾波后的輸出值；x[n-k]：過去n個(gè)采樣時(shí)刻的原始數(shù)據(jù)值；n：平均值的窗口大小，即參與計(jì)算的歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。

17、實(shí)現(xiàn)遞推平均濾波具體過程為，在控制單元中設(shè)置一個(gè)數(shù)組作為雷達(dá)測速數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)組的長度為n，利用該數(shù)組實(shí)現(xiàn)遞推平均濾波，過程如下：

18、獲得新的雷達(dá)測速結(jié)果，將數(shù)組每一位數(shù)據(jù)向前移動一位；

19、將最新雷達(dá)測速結(jié)果保存至數(shù)組末尾；

20、算平均值，把數(shù)組中的n位數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均；

21、輸出濾波結(jié)果。

22、進(jìn)一步，采用pwm調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的調(diào)速，通過調(diào)節(jié)pwm占空比，能夠有效實(shí)現(xiàn)對排種器的排種速度控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種；pwm信號的大小由控制器根據(jù)實(shí)時(shí)獲取并經(jīng)修正濾波后的雷達(dá)測速數(shù)據(jù)，以及預(yù)設(shè)的農(nóng)藝要求進(jìn)行計(jì)算和動態(tài)調(diào)整。

23、本發(fā)明的另一目的在于提供一種播種機(jī)的精確測速裝置，該裝置包含了基于測速角度實(shí)時(shí)校正的播種機(jī)地速雷達(dá)精確測速方法與系統(tǒng)。所述精確測速裝置包括由電機(jī)驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)的排種器，速度監(jiān)測模塊，顯示屏，以及實(shí)施所述精確測速方法的控制單元；所述速度監(jiān)測模塊包括地速雷達(dá)和慣性測量元件，地速雷達(dá)測量播種機(jī)實(shí)時(shí)行進(jìn)速度，慣性測量元件獲得的播種機(jī)傾斜角度；控制單元為單片機(jī)，所述顯示屏與所述控制單元連接；所述顯示屏具有數(shù)據(jù)輸入功能與數(shù)據(jù)顯示功能，用于供人工輸入所需設(shè)定的作業(yè)參數(shù)，如開始作業(yè)、理論株距、測速設(shè)置等，同時(shí)能顯示當(dāng)前的測速結(jié)果和播種量等參數(shù)。

24、進(jìn)一步，所述地速雷達(dá)和慣性測量元件安裝在安裝架上，安裝架固定在播種機(jī)豎直向下的側(cè)面上，確保雷達(dá)面對土地?zé)o遮擋，且安裝架上端面水平安裝，此時(shí)所述雷達(dá)的安裝面與水平面的夾角為特定角度；所述安裝架為雷達(dá)預(yù)留了個(gè)安裝孔，使用螺栓和螺母穿過雷達(dá)和安裝架收緊固定；對于慣性測量元件預(yù)留了安裝槽和安裝孔，將慣性測量元件放入安裝槽并用螺釘收緊固定。

25、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

26、第一、本發(fā)明根據(jù)播種機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)對雷達(dá)測速結(jié)果進(jìn)行修正，同時(shí)使用遞推平均濾波，有效抑制高頻噪聲和隨機(jī)誤差，使得結(jié)果更準(zhǔn)確、更平滑，有利于后續(xù)對排種器轉(zhuǎn)速的控制。

27、本發(fā)明通過四元數(shù)姿態(tài)解算算法將陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)合，利用陀螺儀的高動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行短期姿態(tài)預(yù)測，同時(shí)借助加速度計(jì)的信息對長期累積誤差進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了對播種機(jī)行進(jìn)過程中復(fù)雜動態(tài)姿態(tài)的準(zhǔn)確追蹤。

28、本發(fā)明使用修正公式在實(shí)際雷達(dá)測速過程中，根據(jù)雷達(dá)測速結(jié)果和播種機(jī)姿態(tài)測量結(jié)果計(jì)算修正系數(shù)，并用修正系數(shù)修正雷達(dá)測速結(jié)果，獲得高精度的雷達(dá)測速結(jié)果。

29、現(xiàn)有播種機(jī)測速簡單采用雷達(dá)測速，未考慮播種機(jī)在作業(yè)過程中，因地形復(fù)雜、機(jī)械振動以及作業(yè)速度變化會導(dǎo)致地速雷達(dá)對地角度的變化，使得雷達(dá)測速結(jié)果產(chǎn)生偏差，難以滿足精量播種對精確速度的需求。

30、解決上述問題的難度在于，在實(shí)際播種過程中，播種機(jī)的姿態(tài)信息與速度信息是動態(tài)變化的，如何在實(shí)時(shí)獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)的同時(shí)快速修正雷達(dá)測速結(jié)果；農(nóng)田環(huán)境的復(fù)雜性要求測速系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力；針對雷達(dá)在不同對地角度和速度下的測量誤差，需通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得修正公式，同時(shí)確保公式適用于多種地形和作業(yè)條件。

31、本發(fā)明通過慣性測量元件實(shí)時(shí)獲取播種機(jī)的姿態(tài)信息，慣性測量元件內(nèi)置的數(shù)字運(yùn)動處理器結(jié)合了陀螺儀和加速度計(jì)，能高頻輸出播種機(jī)的姿態(tài)信息，為雷達(dá)測速結(jié)果的校正提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在研發(fā)階段，本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)獲取雷達(dá)在不同角度和速度下的測量速度數(shù)據(jù)，以編碼器測速結(jié)果作為實(shí)際速度參考值，并通過擬合算法建立修正公式。對于雷達(dá)測速結(jié)果進(jìn)行遞推平均濾波以降低測速結(jié)果波動和誤差，同時(shí)可以通過改變?yōu)V波窗口大小實(shí)現(xiàn)適應(yīng)多種地形和作業(yè)條件。

32、將修正公式、遞推濾波、慣性測量元件數(shù)據(jù)讀取、人機(jī)交互等有關(guān)代碼寫入控制單元。在實(shí)際播種過程中，本發(fā)明讀取雷達(dá)測速結(jié)果和播種機(jī)姿態(tài)信息，并通過根據(jù)修正公式和實(shí)時(shí)姿態(tài)信息與測速數(shù)據(jù)計(jì)算修正系數(shù)，對雷達(dá)測速結(jié)果進(jìn)行動態(tài)修正，輸出高精度的實(shí)時(shí)速度信息。雷達(dá)測速結(jié)果、修正后、濾波后效果如下圖6，有效的降低了雷達(dá)測速誤差和波動性。經(jīng)過修正和濾波處理后的播種機(jī)行進(jìn)速度，速度可靠，平均相對誤差小于2％，最大相對誤差小于10％。

33、本發(fā)明基于測速角度實(shí)時(shí)校正的播種機(jī)地速雷達(dá)精確測速方法與系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)獲得更高精度的播種機(jī)行進(jìn)速度，并能適應(yīng)坡地、崎嶇地形等復(fù)雜環(huán)境。本發(fā)明的技術(shù)方案簡單高效，易于集成到現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械中，能夠?yàn)殡S速播種農(nóng)業(yè)機(jī)械提供精確的速度信息，有效保障其播種均勻性，減少了因速度波動導(dǎo)致的漏播或重播問題，顯著提高了作業(yè)質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。并且本發(fā)明可以推廣應(yīng)用到精量控制的插秧機(jī)、施肥機(jī)、噴藥機(jī)等需要精確運(yùn)動速度信息的設(shè)備。

34、第二，本發(fā)明通過基于測速角度實(shí)時(shí)校正的播種機(jī)地速雷達(dá)精確測速方法與系統(tǒng)，能夠低成本地準(zhǔn)確獲取播種機(jī)在作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)方案簡單高效，易于集成到現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械中，低成本測速方案，有利于降低農(nóng)業(yè)機(jī)械價(jià)格，具有極高的市場需求和商業(yè)化潛力，可以被各類農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)所需要，應(yīng)用到大型播種農(nóng)業(yè)機(jī)械上，為播種作業(yè)提供精確的速度信息支持，有利于進(jìn)行精量播種作業(yè)，避免過度播種或播種不足，改善作物生長條件并提高產(chǎn)量。同時(shí)，該發(fā)明可推廣至地面機(jī)具的變量施肥、噴藥等作業(yè)，降低肥料農(nóng)藥的用量和對環(huán)境的影響。

35、本發(fā)明針對播種機(jī)作業(yè)，設(shè)計(jì)了一種進(jìn)行角度補(bǔ)償?shù)牡统杀纠走_(dá)精確測速系統(tǒng)，根據(jù)播種機(jī)運(yùn)動過程中雷達(dá)對地角度對雷達(dá)測速結(jié)果實(shí)時(shí)校正，有效降低了復(fù)雜地形下的測速誤差。

36、國外公司美國帝強(qiáng)公司，其生產(chǎn)的雷達(dá)ⅲ速度傳感器的速度測量范圍廣泛，且測量結(jié)果精確，通過現(xiàn)場校準(zhǔn)，傳感器可實(shí)現(xiàn)1％-3％的速度誤差；國內(nèi)的生產(chǎn)公司有湖北永祥，通過雷達(dá)測定作業(yè)速度并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)播種量，播種精度高達(dá)98％以上。二者雖然測速精度高，但價(jià)格均較高，難以被市場接受，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了低成本高精度測速，將有效的填補(bǔ)國內(nèi)外農(nóng)業(yè)播種機(jī)高精度測速的技術(shù)空白。

37、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展對農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)時(shí)控制和作業(yè)精度提出了更高要求，然而，目前業(yè)內(nèi)普遍缺乏能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械提供高精度實(shí)時(shí)測速的低成本解決方案，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械測速多采用地速雷達(dá)、編碼器、北斗測速等單一傳感器方案，存在抗干擾能力弱、無法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案正好填補(bǔ)了這一技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了對播種機(jī)作業(yè)時(shí)低成本雷達(dá)精確測速，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)裝備的升級提供了技術(shù)支撐。