[发明专利]农田地表平整度测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种农田地表平整度测量系统，其特征在于：包括第一支撑装置(10)、第二支撑装置(70)、激光扫描装置(40)、电动丝杆装置(60)、直线导轨(20)及控制器(50)；其中，所述支撑装置(10)安装在所述直线导轨(20)一端，所述第二支撑装置(70)安装在所述直线导轨(20)另一端，所述激光扫描装置(40)可滑动地安装在所述直线导轨(20)上且位于所述第一支撑装置(10)和所述第二支撑装置(70)之间，所述电动丝杆装置(60)的一端与所述第一支撑装置(10)相连、所述电动丝杆装置(60)的另一端与所述第二支撑装置(70)相连，所述电动丝杆装置(60)、所述第一支撑装置(10)及所述激光扫描装置(40)均与所述控制器(50)电连；还包括安装在所述直线导轨(20)上且与所述直线导轨(20)平行布置的倾角传感器(30)；

所述第一支撑装置(10)包括第一触地杆(11)、通过第一锁紧连接套(12)与所述第一触地杆(11)相连的第一连接杆(13)、固定安装在所述第一连接杆(13)顶端的调平电机(14)、与所述调平电机(14)输出轴相连的调平丝杆(15)、与所述调平丝杆(15)通过螺纹配合的调平叉(16)及与所述调平叉(16)相连的第一滚珠滑块(17)；所述第一滚珠滑块(17)包括第一滚珠滑块本体(173)、固定在所述第一滚珠滑块本体(173)下端的第一支撑轴承(172)及固定在所述第一支撑轴承(172)下端的第一轴承(171)，所述第一滚珠滑块本体(173)安装在所述直线导轨(20)上；所述第二支撑装置(70)包括第二触地杆(71)、通过第二锁紧连接套(72)与所述第二触地杆(71)相连的第二连接杆(73)、安装在所述第二连接杆(73)顶端的第二滚珠滑块(77)、安装在所述第二滚珠滑块(77)侧部的角度尺(74)及安装在所述角度尺(71)指针(75)下端的吊线坠(76)；所述第二滚珠滑块(77)包括第二滚珠滑块本体(773)、在所述第二滚珠滑块本体(773)下端的步进电机安装孔位(772)及固定在所述步进电机安装孔位(772)下端的第二销孔(771)，所述第二滚珠滑块本体(773)安装在所述直线导轨(20)上。

2.根据权利要求1所述农田地表平整度测量系统，其特征在于：所述调平叉(16)与所述第一轴承(171)通过销钉(80)铰接。

3.根据权利要求1所述农田地表平整度测量系统，其特征在于：所述激光扫描装置(40)包括第三滚珠滑块(42)和安装在第三滚珠滑块(42)下端的激光扫描仪(41)；所述第三滚珠滑块(42)包括第三滚珠滑块本体(421)及在所述第三滚珠滑块本体(421)下端的丝杆螺纹孔(422)，所述第三滚珠滑块本体(421)安装在所述直线导轨(20)上且沿所述直线导轨(20)滑动。

4.根据权利要求1所述农田地表平整度测量系统，其特征在于：所述电动丝杆装置(60)包括步进电机(61)及通过膜片联轴器(63)与所述步进电机(61)输出轴相连的丝杆(62)，其中，所述步进电机(61)安装在所述第二滚珠滑块本体(773)下端的步进电机安装孔位(772)上且丝杆(62)的自由端依次穿过所述第二支撑装置(70)、所述激光扫描装置(40)和所述第一支撑装置(10)。

5.根据权利要求4所述农田地表平整度测量系统，其特征在于：所述步进电机(61)上带有旋转编码器(64)，所述编码器(64)与所述控制器(50)相连。

6.一种农田地表平整度测量系统的测量方法，所述农田地表平整度测量系统，包括第一支撑装置(10)、第二支撑装置(70)、激光扫描装置(40)、电动丝杆装置(60)、直线导轨(20)及控制器(50)；其中，所述支撑装置(10)安装在所述直线导轨(20)一端，所述第二支撑装置(70)安装在所述直线导轨(20)另一端，所述激光扫描装置(40)可滑动地安装在所述直线导轨(20)上且位于所述第一支撑装置(10)和所述第二支撑装置(70)之间，所述电动丝杆装置(60)的一端与所述第一支撑装置(10)相连、所述电动丝杆装置(60)的另一端与所述第二支撑装置(70)相连，所述电动丝杆装置(60)、所述第一支撑装置(10)及所述激光扫描装置(40)均与所述控制器(50)电连；还包括安装在所述直线导轨(20)上且与所述直线导轨(20)平行布置的倾角传感器(30)；

所述第一支撑装置(10)包括第一触地杆(11)、通过第一锁紧连接套(12)与所述第一触地杆(11)相连的第一连接杆(13)、固定安装在所述第一连接杆(13)顶端的调平电机(14)、与所述调平电机(14)输出轴相连的调平丝杆(15)、与所述调平丝杆(15)通过螺纹配合的调平叉(16)及与所述调平叉(16)相连的第一滚珠滑块(17)；所述第一滚珠滑块(17)包括第一滚珠滑块本体(173)、固定在所述第一滚珠滑块本体(173)下端的第一支撑轴承(172)及固定在所述第一支撑轴承(172)下端的第一轴承(171)，所述第一滚珠滑块本体(173)安装在所述直线导轨(20)上；所述第二支撑装置(70)包括第二触地杆(71)、通过第二锁紧连接套(72)与所述第二触地杆(71)相连的第二连接杆(73)、安装在所述第二连接杆(73)顶端的第二滚珠滑块(77)、安装在所述第二滚珠滑块(77)侧部的角度尺(74)及安装在所述角度尺(71)指针(75)下端的吊线坠(76)；所述第二滚珠滑块(77)包括第二滚珠滑块本体(773)、在所述第二滚珠滑块本体(773)下端的步进电机安装孔位(772)及固定在所述步进电机安装孔位(772)下端的第二销孔(771)，所述第二滚珠滑块本体(773)安装在所述直线导轨(20)上；

所述激光扫描装置(40)包括第三滚珠滑块(42)和安装在第三滚珠滑块(42)下端的激光扫描仪(41)；所述第三滚珠滑块(42)包括第三滚珠滑块本体(421)及在所述第三滚珠滑块本体(421)下端的丝杆螺纹孔(422)，所述第三滚珠滑块本体(421)安装在所述直线导轨(20)上且沿所述直线导轨(20)滑动；

所述电动丝杆装置(60)包括步进电机(61)及通过膜片联轴器(63)与所述步进电机(61)输出轴相连的丝杆(62)，其中，所述步进电机(61)安装在所述第二滚珠滑块本体(773)下端的步进电机安装孔位(772)上且丝杆(62)的自由端依次穿过所述第二支撑装置(70)、所述激光扫描装置(40)和所述第一支撑装置(10)；

其特征在于：所述测量方法包括如下步骤：

1)架设好测量系统，通过第二支撑装置(70)中的吊线坠(76)和角度尺(71)确定第二连接杆(73)为误差范围内的铅锤方向，并使第一支撑装置(10)与第二支撑装置(70)保持共面，粗调第一支撑装置(10)及第二支撑装置(70)高度使直线导轨近似水平；

2)给系统上电，待系统初始化完成后，控制器(50)读取倾角传感器(30)采集的倾角数据，并根据倾角数据发送控制指令给调平电机(14)，调平电机(14)根据控制器解算倾角数据得到的控制指令调整直线导轨(20)至水平状态；

3)设置第三滚珠滑块(42)间歇移动距离L和第三滚珠滑块(42)间歇移动次数A，待参数设置完成后，控制器(50)控制步进电机(61)运转和激光扫描仪(41)工作；

4)激光扫描仪(41)在步进电机(61)运转过程的每次第三滚珠滑块(42)间歇停顿时，控制器(50)发送指令使激光扫描仪(41)在该第三滚珠滑块(42)间歇停顿位置连续采样M次，获得M组距离扫描数据，M为自然数，然后计算该第三滚珠滑块(42)间歇停顿位置处的厢面平整度；计算完成后发送步进电机(61)运转指令使激光扫描仪(41)移动到下一个第三滚珠滑块(42)间歇停顿位置进行扫描采样，直至达到设置的第三滚珠滑块(42)间歇移动次数A，完成一次数据采样过程；最后计算厢面平整度的平均值；

所述步骤4)中每次第三滚珠滑块(42)间歇停顿位置处厢面平整度和厢面平整度平均值的计算过程如下：

4a)对每次第三滚珠滑块间歇停顿位置接收的距离扫描数据进行提取和转换：STM32F4单片机接收并提取由激光扫描仪采集的每组距离扫描数据的各数据点用d_ij表示，于是获取的距离扫描数据集可表示为{(d_ij)|i＝1,2,…M；j＝1,2…N}，其中i为第三滚珠滑块间歇位置的采样序号，M为连续采样的最大次数；j为每组距离扫描数据中的数据对应序号，N为每组距离扫描数据的个数；对每个第三滚珠滑块间歇位置采集的M组距离扫描数据按对应距离数据位置求均值，得到该第三滚珠滑块间歇位置的一组距离测量数据{(d_j)|j＝1,2…N}；

4b)将步骤4a)中得到的一组距离测量数据按照极坐标与直角坐标转换公式转换成直角坐标系下的一组坐标数据集，转换后的一组坐标数据集为{(y_j,z_j)|j＝1,2…N}，其中(y_j,z_j)为d_j在N＝j时所转换的二维直角坐标点；

4c)对步骤4b)中获得的一组坐标数据集通过线性回归消除倾斜趋势后，计算厢面平整度DV；

厢面平整度DV计算过程如下：

计算时首先提取已消除倾斜趋势的单组距离测量数据在厢面内的有效数据z_j，则厢面平整度可表示为其中，C为厢面内有效数据点个数，为每个厢面内各点距离z_j的平均值；

4d)重复步骤4a)～4c)，得到所有第三滚珠滑块间歇位置的厢面平整度数值{(DV_k)|k＝1,2,…A+1}，再进行均值处理，测量完成后完整厢面的平整度为各距离测量数据所得平整度的平均值，即