一種車載耕地地形自動測繪系統與測繪方法與流程

2023-12-11 23:06:02 3

本發明涉及一種農業耕地地形測繪系統與測繪方法，具體涉及一種車載耕地地形自動測量裝置與測繪方法。

背景技術：

耕地是人類賴以生存的基礎和保障，是區域發展的重要資源。耕地地形地形不但影響耕地的空間分布,還影響耕地的質量，是耕地信息中至關重要的存在。但是耕地地地形在測繪過程中還存在許多的難題。

現階段耕地地形的測量方式主要以使用雷達或雷射進行測量，但是現階段耕地地形測繪存在設備笨重、安裝複雜、測繪效率低、測量成本過高的問題。

技術實現要素：
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為解決農業耕地地形信息測量複雜、效率低、測量成本過高的問題，實現耕地地形的快速高效實時測繪，緊跟我國精準農業的發展步伐，本發明提供了一種車載農業耕地地形自動測繪系統與測繪方法。

本發明的車載耕地地形自動測繪系統，包括車載耕地地形信息自動測量裝置和耕地地形信息管理平臺。耕地地形信息自動測量裝置由保護罩、單片機電路板、MEMS慣性導航模塊、衛星定位模塊、無線數據傳輸模塊、液晶顯示器、控制按鈕和電源組成。

本發明技術方案如下：車載耕地地形信息自動測量裝置以單片機電路板為核心實時自動監測，單片機電路板與MEMS慣性導航模塊通過串行總線建立連接，與衛星定位模塊通過串行口通信與建立連接，與儲存卡通過串行總線建立連接，與無線數據傳輸模塊通過串行口通信建立連接；電源為單片機電路板提供電能。

耕地地形信息自動測量裝置安裝在拖拉機或農業機械上，其底板外側標識有相互垂直的帶箭頭指示線並與拖拉機或農業機械的水平參考面平行；其內部的核心測量單片機電路板與底板平行。

單片機電路板上的MEMS慣性導航模塊與單片機電路板平行，其X軸正向與外標橫向箭頭指示線方向一致，Y軸正向與外標縱向箭頭指示線方向一致；底板外側的縱向指示線與拖拉機或農業機械車身縱向平行，其縱向指示箭頭朝向前方。

耕地地形自動測繪方法如下：所述的MEMS慣性導航模塊在農機工作過程中測得拖拉機和拖拉機或農業機械的加速度和角速度值；衛星定位模塊實時檢測到拖拉機和拖拉機或農業機械的地理坐標、時間、車速、海拔信息；所述的車載耕地地形核心測量裝置接收MEMS慣性導航模塊測得的加速度、角速度數據和衛星定位模塊測得的地理坐標、時間、車速和海拔信息，根據機組機組震動幅度，依據數學模型對機組加速度和角速度加以補償，然後將補償後的加速度和角速度數據以及地理坐標、時間、車速和海拔信息打包成數據包傳輸給儲存卡和無線數據傳輸模塊；所述的儲存卡補償後的加速度和角速度數據以及拖拉機和拖拉機或農業機械的地理坐標、時間、車速和海拔信息進行實時儲存；同時無線數據傳輸模塊將上述數據實時無線傳輸到耕地地形信息管理平臺。所述的耕地地形信息管理平臺接收顯示無線數據傳輸模塊實時傳輸的數據，並通過叉積法運算將加速度和角速度數據融合之後輸出為四元數，再根據公式(1)將其轉化為歐拉角，然後利用公式(2)計算出拖拉機或其它類型拖拉機或農業機械底面與水平面的夾角，接著利用地理坐標數據得到兩點之間的水平距離，再通過公式(3)得到兩點之間的高程差，以此類推得到任意一點的相對空間位置，最後將各點位置在三維坐標系中一一表示並繪製成三維地形圖。

α＝sin-1(-2*q1*q3+2*q0*q2)

β＝tan-1(2*q2*q3+2*q0*q1)/(-2*q1*q1-2*q2*q2+1)

公式(1)

其中q0,q1,q2,q3為四元數α，β分別為系統繞X軸，Y軸旋轉的角度，γ為系統底面與水平面的夾角，即坡度。

其中為高程差，為兩點水平距離，為坡度。

本發明有益效果為：實現耕地地形信息的快速高效測量和耕地地形的實時精確測繪，測繪精度提高，測量成本大大降低，緊跟我國精準農業的發展步伐，提高耕地地形測量效率。

附圖說明

圖1是本發明的耕地地形核心測量設備的基本組成示意圖；

圖2是本發明的實時測繪過程圖；

圖3是本發明的地形數據處理過程以及地形繪製圖；

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施實例僅僅用以解釋本發明,並不用於限定本發明。

車載耕地地形自動測繪系統包括車載耕地地形自動測量裝置和耕地地形信息管理平臺；其中，耕地地形自動測量裝置由單片機電路板、MEMS慣性導航模塊、衛星定位模塊、儲存卡、無線數據傳輸模塊和供電系統組成；本發明單片機電路板為MCS51系列單片機，本實例應用STC12C5A60S2單片機。

本發明所用MEMS慣性導航模塊為MEMS數字式或模擬式；本實例應用MPU6050六軸傳感器，其通過I/O口數字接口與單片機駁接，I^2C或SPI通信協議與單片機進行通信，單片機讀取MPU6050六軸傳感器輸出的數據流，數據流包括機組的加速度和角速度數據。

本發明裝置的地理位置信息可來自於GPS、BDS、GLONASS和GALILEO衛星定位導航模塊；本實例應用北鬥導航模塊，其通過TTL串口與單片機駁接，單片機動態獲取北鬥導航模塊的輸出數據幀，並從中提取機組所處的地理坐標、速度、海拔和時間信息，並將其與機組的加速度和角速度一起打包為一個數據包，傳輸至儲存卡或無線傳輸模塊；本發明裝置的儲存卡可為SD卡和TF卡；本實例應用SD卡儲存模塊，其用於儲存機組的地理坐標、速度、海拔、時間信息、加速度和角速度數據；本發明裝置的無線傳輸模塊可為GPRS無線傳輸模塊和WIFI無線傳輸模塊等等；本實例應用GPRS無線傳輸模塊，其用於車載耕地地形自動測量裝置到耕地地形信息管理平臺的加速度、角速度數據地理坐標、速度、海拔和時間信息的發送；本實例的耕地地形信息管理平臺用於接收顯示機組的加速度和角速度數據以及地理坐標、速度、海拔、時間信息和三維耕地地形圖的繪製。

其繪製方法如下，通過叉積法運算將獲得的加速度和角速度數據融合之後轉變成四元數，再通過上述公式(1)將其轉化為歐拉角，然後再利用上述公式(2)得到檢測裝置底面與水平面的夾角angle，接著通過內置程序將經緯度數據轉換為直角坐標數據，根據平面兩點之間的距離公式得到兩點之間的水平距離distance，而在已知兩點與水平面夾角和水平距離的情況下可利用幾何知識得到兩點之間的高程差，以此類推可得任意兩點之間的高程差，因此各點的相對空間位置可得，最後便可matlab內置程序將各點位置在三維坐標系中表示出來並繪成三維地形圖；此外，該平臺還能將無線獲取的數據及結算後的三維坐標數據保存為EXCEL形式，便於日後查看利用。

所述的MPU6050六軸傳感器在農機作業過程中實時測得機身的運動加速度和角速度數據；單片機根據滑動平均濾波法對機身加速度和角速度進行平滑處理；所述的北鬥導航模塊實時檢測到拖拉機或農業機械的地理坐標、時間、車速、高程信息；所述的SD卡儲存模塊用於實時儲存平滑處理後的加速度和角速度數據以及拖拉機或農業機械的地理坐標、時間、車速和海拔信息；同時GPRS無線傳輸模塊將上述數據實時無線傳輸到耕地地形信息管理平臺(2)。所述的耕地地形信息管理平臺(2)接收顯示GPRS無線傳輸模塊實時傳輸的數據，具體處理顯示方法如下步驟：

步驟S1:耕地地形信息管理平臺(2)通過叉積法運算將加速度和角速度數據融合之後輸出為四元數；

步驟S2：耕地地形信息管理平臺(2)通過上述公式(1)將四元數轉化為歐拉角；

步驟S3：耕地地形信息管理平臺(2)結合上述公式(2)計算出拖拉機或農業機械水平參考平面與大地坐標系水平面的夾角；

步驟S4：耕地地形信息管理平臺(2)利用地理坐標數據得到兩點之間的水平距離，根據上述公式(3)得到兩點之間的高程差，以此類推即可得到任意一點的相對空間位置，然後通過內置程序將各點位置在三維坐標系中一一表示並繪成三維地形圖。