分區(qū)式殘膜回收機的設(shè)計【含10張CAD圖紙和文檔資料】
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大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告課題名稱 分區(qū)式殘膜回收機的設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué) 號 所屬學(xué)院 專 業(yè) 班 級 指導(dǎo)教師 起止時間 機械電氣化工程學(xué)院教務(wù)辦制填 表 說 明一、學(xué)生撰寫開題報告應(yīng)包含的內(nèi)容:1、本課題來源及研究的目的和意義;2、本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)研究現(xiàn)狀及分析;3、對課題所涉及的任務(wù)要求及實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析;4、本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路;5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法;6、完成本課題的工作方案及進度計劃;7、主要參考文獻(不少于7篇)。二、本報告必須由承擔(dān)畢業(yè)論文(設(shè)計)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)論文(設(shè)計)任務(wù)書”的兩周內(nèi)獨立撰寫完成,并交指導(dǎo)教師審閱。三、開題報告要求手寫體,字?jǐn)?shù)在3000字以上,由學(xué)生在本報告冊內(nèi)填寫,頁面不夠可自行添加A4紙張。四、每個畢業(yè)論文(設(shè)計)課題須提交開題報告一式三份,一份學(xué)生本人留存,一份指導(dǎo)教師存閱,一份學(xué)生所在學(xué)院存檔,備檢備查。一、本課題來源及研究的目的和意義1.本課題來源:自選題2.目的與意義:2.1 地膜覆蓋的作用 (1)保持土壤水分,增加作物抗旱能力,提高成活率。 (2)改善光照條件,提高光和效率。 (3)抑制雜草生長和病蟲的危害,提高農(nóng)作物的品質(zhì)。 (4)地膜覆蓋技術(shù)遏制了土壤中鹽分的上升,對于鹽堿地的作物起到了很好的保護作用。 (5)地膜覆蓋技術(shù)有效的將自然力與土壤之間分離開來,減少了自然力對土地的破壞,尤其是對翻耕之后的土地作用更大。 (6)因為地膜的保溫保墑作用,使許多農(nóng)作物逐漸向北方低溫適作區(qū)推移,充分有效地利用了我國的耕地資源。2.2殘膜污染產(chǎn)生的問題(1)影響土壤物理性狀,降低土壤肥力 大量殘留的農(nóng)用地膜在土壤中很難被分解,影響土壤中的水,肥,氣活動,給土壤環(huán)境帶來嚴(yán)重污染,不利于農(nóng)業(yè)的生態(tài)生態(tài)平衡。其表現(xiàn)在:一是破壞土壤的通透性和團粒結(jié)構(gòu)的形成,使土壤上下隔離,形成斷層,造成土壤板結(jié),降低了土壤的吸水保水能力,導(dǎo)致有水下不去,有漿上不來,使土壤的物理性得不到充分發(fā)揮。二是地膜的殘留會使土壤膠體吸附能力降低。(2)影響作物生長發(fā)育,造成減產(chǎn) 地膜在土壤中,使種子不能很好地發(fā)芽,即使發(fā)芽,根系也因無法穿透地膜而扎不下去,達(dá)不到根深蒂固的目的,作物易遭受災(zāi)害。如果種子播到殘膜下面,發(fā)芽后也生長不出來,造成缺苗斷條,使作物減產(chǎn)。殘膜覆蓋連續(xù)15年之后,耕地會顆粒無收。(3)危害人體健康 農(nóng)膜生產(chǎn)過程中添加一些助劑,當(dāng)農(nóng)膜廢棄在田間或土壤里時,其中的助劑會向土壤和水中滲透,會污染大氣,土質(zhì)和水域等。特別是一些重金屬有毒添加劑,會通過土壤富集于蔬菜,糧食及動物體中,人食用后直接影響健康。(4)破壞環(huán)境,有礙觀瞻 殘膜被丟棄于田頭地角,積存于排泄渠道,散落于水體或亂掛在樹枝桿頭,成為白色污染的重要標(biāo)志,既不雅觀還可能纏繞犁頭和播種機輪盤,影響田間作業(yè)。2.3殘膜污染的治理 (1)提高地膜的質(zhì)量,改變現(xiàn)在廣泛使用的地膜厚度。實驗結(jié)果表明,使現(xiàn)有的 0.008mm厚的地膜增加到 0.012mm,同時增加一些抵抗老化的化學(xué)物質(zhì),這樣不僅提高了地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的作用,同時也可以使地膜重復(fù)利用和快速回收。(2)從生產(chǎn)實際的角度出發(fā),根據(jù)農(nóng)藝要求不同來提高地膜的使用效率和回收效率。例如可以更具不同地區(qū)的地勢,地貌,氣候變化來找出收取地膜的最佳時期。這樣既有利于農(nóng)作物的生長也能很好的回收殘膜。(3)隨著地膜覆蓋種植技術(shù)的廣泛應(yīng)用?;厥諝埬さ墓ぷ饕仓饾u加大,想依靠人工來對殘膜進行收取已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要了。因此要加大殘膜回收機械的研制與改良,使地膜回收工作更高效、更環(huán)保。 (4)加強對一些新的可降解地膜的研究與推廣利用,從而減少普通地膜的使用。如目前我國正在努力開發(fā)研制的光降解地膜、生物降解地膜、和液態(tài)降解地膜等。這些種類的地膜可以從根本上解殘膜回收,殘膜污染的問題。二、本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)研究現(xiàn)狀及分析1、國內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析目前我國所使用過和理論研究度過的殘膜回收機有幾十種。按殘膜回收的時間劃分分為三類:苗期殘膜回收機械,秋后作物收獲完成之后的殘膜回收機械,春天播種之前殘膜回收機械。1.1苗期殘膜回收機械(1) 卷膜式棉花苗期殘膜回收機 該機具在苗期回收殘膜是可以依次完成起膜、送膜、卷膜等收膜工序。這一機具通過卷膜滾進行收膜,收取的膜成卷,減少了二次污染。(2) 棉花苗期地膜回收機該機具是一種不扎膜、不挑膜,而是從膜下將膜拱起,自動抖掉膜上積土,順利卷膜且極少傷苗的棉花苗期收膜機。它采用起膜鏟和扁紡捶狀抖土滾相結(jié)合的結(jié)構(gòu),能很好地實現(xiàn)膜苗、膜土分離,地膜回收率不低于 95.7%。(3) CSM-130B 型齒鏈?zhǔn)綉覓焓漳C 該機具屬于國家專利產(chǎn)品,由兵團農(nóng)機技術(shù)推廣站和農(nóng)八師 134 團共同研制設(shè)計。主要用在苗期收膜,在收膜導(dǎo)輪與抓膜齒鏈的共同作用下,加上殘膜本身的強度,使殘膜被提升的同時從植株上取下,而不破壞植株。1.2秋后殘膜回收機 (1)4CM系列殘膜回收整地機 此機具利用掘鏟將土塊、地膜、雜物一并鏟起。土塊被壓碎滾壓碎還田,雜物和地膜被齒刺式分離輸送帶運往集膜裝置。在機架底部有碾壓板完成整地。該機型在 2011 年 5 月的農(nóng)機博覽會上很受參會人員的青睞。(2)彈齒式收膜機該機具工作時,先由松土器松土和起膜鏟將膜鏟起,然后用彈齒拾膜輪將殘膜收起。該機具適用于 700mm 和 1000mm 的壟作,適用性較好,收膜率高達(dá) 91.6%。 (3)梳齒滾筒式殘膜回收機 該機工作時,由 20KW 小型拖拉機懸掛拖帶,先由撿拾滾筒上的片狀勾膜齒進行一次撿膜,再由緊跟在后面的摟膜齒進行二次摟膜。該機具結(jié)構(gòu)簡單,殘膜回收率高,便于維護,符合農(nóng)民的要求1.3春播前殘膜回收機械 春播前對殘膜進行回收,此時的殘膜由于在地里時間較長,由于風(fēng)沙等原因作用下使大部分殘膜成為了小碎片,加上播前整地時間緊,所以此階段殘膜回收作業(yè)難度較大。主要有以下幾種機型:(1) CMJ-5 型春秋兩用密排彈齒式殘膜回收機該機的主要用途是在播種前對地表殘膜進行回收。在小四輪拖拉機的脫引下,機具上的前排齒和后排齒進行摟膜。這種機具重量輕,不需保養(yǎng),作業(yè)成本低,深受廣大職工的歡迎。 (2) IMS-450 型彈齒摟膜機 該機由農(nóng)七師 127 團彈簧廠生產(chǎn)。適用于播前整地后。機具由輪齒式拖拉機后懸掛,拖拉機前進中,彈齒入土將殘膜和秸稈雜物撿拾成條,達(dá)到一定數(shù)量后,通過排膜結(jié)構(gòu)將其卸下。 (3) 4MQ-1.5 型吸氣式殘膜回收機該機工作時挑膜輪將殘膜挑離地面,至風(fēng)機吸口處,由風(fēng)機產(chǎn)生負(fù)壓氣流將殘膜吸入風(fēng)機,再吸送到集膜箱中。1.4我國殘膜回收機主要存在的問題(1)作業(yè)功能單一,作業(yè)環(huán)節(jié)較長,殘膜回收率低,通常只有60%70%,且回收后的殘膜潔凈度極差,膜,稈,土混合相當(dāng)嚴(yán)重,無法二次利用,形成了新的廢棄物群,加大了運輸成本。(2)機具作業(yè)速度較低,因而導(dǎo)致生產(chǎn)率底下,經(jīng)濟效益不明顯,且回收時間較長,機具作業(yè)適應(yīng)性和可靠性較差,難以發(fā)揮機具效率。(3)在耕后的耕作層中進行殘膜回收時,對已耕松的農(nóng)田造成機械壓實,因此,為解決這一問題,可改為播種前整地時使用殘膜回收機械。(4)耕前的殘膜都較碎小,難以揀拾,迫使在研制殘膜回收機械時不得不較密排列其揀拾稈齒,以提高其工作能力,并且進行耕前殘膜回收的機械大都是聯(lián)合作業(yè)機械,這類機械機構(gòu)復(fù)雜,笨重。因此,目前國內(nèi)與其配套的絕大多數(shù)是中型輪式拖拉機,在動力儲備方面均是較弱環(huán)節(jié)。2、國外研究現(xiàn)象以及分析 由于殘膜難降解,對土地污染嚴(yán)重,因此世界各國在殘膜回收方面都做了大量的努力,爭取早日解決殘膜污染問題。 (1)英國和前蘇聯(lián)主要采用懸掛式回收機。在進行收膜候時,松土鏟將壓膜土耕松,然后將殘膜收卷到羊皮網(wǎng)或金屬網(wǎng)上,收好的地膜洗后備用。 (2)以色列在殘膜回收方面的研究起步比較早,主要是利用收卷的方式來收膜,因為以色列使用的地膜較厚,強度較大,覆蓋時間段,所以地膜收凈率非常高。(3)日本國家的土壤土質(zhì)疏松,并且使用的地膜在質(zhì)量要求的標(biāo)注較高,覆蓋期大約在 1.53個月,地膜保留較完整,清理起來較容易。 (4)美國主要采用卷膜式的殘膜回收機械,利用卷膜滾將地膜從地表卷起。如 Sawyer 開發(fā)的就是這種類型的殘膜回收機械。(5)歐洲國家主要采用高強度,耐老化的地膜。另一方面他們積極研制可降解免收地膜。綜上所述,本課題研究的是一種適用于苗期可收獲后殘膜回收機,可將覆蓋在地表的殘膜,分為三個區(qū),即中間收膜部分,兩邊收膜部分,中間收膜部分用于回收兩壟之間的殘膜,而兩邊埋在土里的殘膜則通過兩邊收膜部分進行回收。三、對課題所涉及的任務(wù)要求及實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可靠性分析3.1、分區(qū)式殘膜收獲機工作過程 機具與拖拉機三點懸掛聯(lián)接,作業(yè)時拖拉機液壓系統(tǒng)置于懸浮狀態(tài),該分區(qū)式殘膜回收機上的四個邊架將該分區(qū)式殘膜回收機分為中間收膜部分和兩邊收膜部分。在中間收膜部分的邊架兩端上裝有切膜裝置,將在距離棉桿根部 2cm 處的薄膜切開,安裝在兩邊架之間的收膜裝置將切斷的兩壟之間的殘膜回收起來。對于收取邊膜的部分也是同樣在拖拉機的牽引下,切膜裝置將薄膜在距離棉桿根部2cm的地方切斷,然后起膜裝置將埋在土里的邊膜鏟于地表,后邊的收膜裝置將其卷起,待拖拉機到達(dá)田間地頭的時候,液壓系統(tǒng)將分區(qū)式殘膜回收機提升起來通過卸膜裝置卸膜,完成一次收膜過程。(1)設(shè)計一款分區(qū)式殘膜收獲機,以小型拖拉機為牽引動力。 (2)改變以往殘膜回收機械效率低的現(xiàn)狀,提高其回收率。(3)提高機具的作業(yè)速度,進一步提高其生產(chǎn)率,增強經(jīng)濟效益。(4)改變復(fù)雜結(jié)構(gòu),降低成本,實現(xiàn)普及。3.2可靠性分析本裝置主要對殘膜進行回收,能對混合物進行簡單的分離,綜合國內(nèi)殘膜回收機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析,國內(nèi)殘膜回收技術(shù)比較成熟,本課題主要介紹了要設(shè)計的主要問題以及思路。綜上所述,該設(shè)計是可行的。四、課題研究的關(guān)鍵內(nèi)容及其解決思路4.1、課題的研究內(nèi)容該機械動力源為小型拖拉機,通過拖拉機動力輸出工作。包括框架,切膜裝置,起膜裝置,收膜裝置,卸膜裝置幾部分組成,研究過程如下:(1)分區(qū)式殘膜回收機的工作原理,根據(jù)大學(xué)學(xué)習(xí)的農(nóng)業(yè)機械學(xué)以及農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)管理學(xué)知識。(2)分區(qū)式殘膜回收機的整體框架的研究,框架是整個機械的支撐裝置。查找相關(guān)文獻專利說明。(3)進行起膜裝置的研究,重點是起膜工具的研究,這一部分用來將膜掀起。(4)進行切膜裝置的合理設(shè)計,這一部分用來切膜分膜。(5)對收膜裝置及卸膜的研究,這是用來回收膜及卸掉膜。(6)最后進行整體的改進,提高回收效率,保證回收質(zhì)量。 4.2、關(guān)鍵問題及解決思路(1)起膜工具及起膜角度的設(shè)計,查閱資料以及進行實驗研究,做出合理的方案。(2)初步確定回收裝置的設(shè)計,主要是回收工具及其分布。(3)殘膜回收機起膜角度進行了設(shè)計計算。(4)殘膜回收機裝配方案 ,以符合起膜要求, 對起膜裝置的運動進行了分析。(5)卸膜部分的研究,參照以往回收機械進行改造。五、完成本課題所必須的工作條件(1)知識方面:運用具備的學(xué)科知識,如農(nóng)業(yè)機械學(xué),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理學(xué),機械設(shè)計基礎(chǔ),機械綜合設(shè)計,機械制造基礎(chǔ)等。(2)硬件方面:有個人計算機,利用計算機等查閱工具,查閱有關(guān)資料選擇相關(guān)參數(shù)及材料,設(shè)計殘膜回收機構(gòu)。(3)軟件知識:運用塔里木大學(xué)圖書館各種在線網(wǎng)絡(luò)資源,搜集相關(guān)資料。(4)運用Solidworks,pore軟件,繪制三維零件圖和裝配圖。(5)運用三維設(shè)計軟件完成整機各零部件的三維建模并進行仿真。六、完成本課題的工作方案及進度計劃6.1工作方案: 1.查找大量關(guān)于殘膜回收機原理設(shè)計出分區(qū)式殘膜回收機的雛形。 2.繪制所有零部件并查閱相關(guān)說明,各零部件尺寸要達(dá)到合適效果。 3.組裝裝配圖并生成三維立體模型,觀察效果并加以改進。6.2進度計劃第 一 周:查找分區(qū)式殘膜回收機的相關(guān)資料并且熟悉課題內(nèi)容。第 二 周:撰寫開題報告,制定總體方案。第三周至第八周:設(shè)計分區(qū)式殘膜回收機裝置的三維實體模型圖,并生成關(guān)鍵部件及裝配圖工程圖。第 九 周:殘膜回收裝置進行切膜設(shè)計和起膜設(shè)計。第 十 周:撰寫畢業(yè)論文,修改圖紙中存在的問題。第十一周:編寫答辯提綱,準(zhǔn)備答辯。第十二周:答辯七、主要參考文獻 1 李 建 東 , 張 科 星 , 李 雷 霞 , 賈 晶 霞 , 李 娜 . TQ2 型 甜 菜 切 頂 機 的 研 制 J. 農(nóng) 機 化 研究,2014,03:90-92+101. 2 侯書林,毛志懷,孔建銘,那明君,張惠友,董欣. 滾輪纏繞式殘膜回收機的研制J. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,06:26-28. 37 馬少輝 , 張學(xué)軍 , 任文濤 . 振動篩式殘膜回收機的理論設(shè)計與試驗研究 J. 農(nóng)機化研究,2008,01:132-133+137. 3 王春耀 , 王學(xué)農(nóng) , 陳發(fā) , 劉躍 , 謝勇 . 懸掛式殘膜回收機強度分析及改進設(shè)計 J. 農(nóng)機化研究,2008,06:86-88+93. 4 李 衛(wèi) , 李 問 盈 , 孫 先 鵬 . 幾 種 圓 盤 驅(qū) 動 破 茬 開 溝 性 能 的 土 槽 試 驗 比 較 J. 農(nóng) 機 化 研究,2008,08:127-129+133. 5 廖慶喜. 免耕播種機鋸切防堵裝置的高速攝影分析J. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2005,01:46-49. 6 薛文瑾 , 王春耀 , 朱振中 , 王曉冬 . 卷膜式棉花苗期殘膜回收機的設(shè)計 J. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2005,03:148-149+147. 7 吳建民,高煥文. 免耕播種機鋸片式防堵切刀的設(shè)計與試驗J. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2006,05:51-53. 8 沈衛(wèi)強 , 楊軍 , 李忠新 . 免耕播種機破茬與開溝部件的特點及配置形式 J. 農(nóng)機化,2004,04:24-25. 9 蒙賀偉,李進江,王能勇,坎雜. 梳齒滾筒式殘膜回收機的設(shè)計J. 農(nóng)機化研究,2012,03:145-148. 10 石林榕,吳建民,趙武云,孫偉,王蒂,李輝,劉全威. 圓盤柵式馬鈴薯挖掘機的研制與試驗J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,24:15-21. 學(xué)生簽名 年 月 日指導(dǎo)教師審閱意見指導(dǎo)教師簽名 年 月 日目 錄一、研究的目的和意義一、研究的目的和意義二、本課題所涉及的問題在國(外)研究現(xiàn)狀及分析二、本課題所涉及的問題在國(外)研究現(xiàn)狀及分析三、工作原理及其整體框架的設(shè)計三、工作原理及其整體框架的設(shè)計四、切膜裝置的設(shè)計四、切膜裝置的設(shè)計五、起膜裝置的設(shè)計五、起膜裝置的設(shè)計六、回收裝置的設(shè)計六、回收裝置的設(shè)計 一.研究目的和意義1 地膜覆蓋的作用地膜覆蓋的作用 (1)保持土壤水分,增加作物抗旱能力,提高成活率。(2)改善光照條件,提高光和效率。(3)抑制雜草生長和病蟲的危害,提高農(nóng)作物的品質(zhì)。2 殘膜污染產(chǎn)生的問題殘膜污染產(chǎn)生的問題 (1)影響土壤物理性狀,降低土壤肥力 (2)影響作物生長發(fā)育,造成減產(chǎn) (3)危害人體健康 (4)破壞環(huán)境,有礙觀瞻3 殘膜污染的治理殘膜污染的治理(1)提高地膜的質(zhì)量,改變現(xiàn)在廣泛使用的地膜厚度(2)提高地膜的使用效率和回收效率(3)加大殘膜回收機械的研制與改良二二.課題涉及問題在國內(nèi)(外)的現(xiàn)狀與分析課題涉及問題在國內(nèi)(外)的現(xiàn)狀與分析1、國內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析、國內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析1.1苗期殘膜回收機械苗期殘膜回收機械 (1)卷膜式棉花苗期殘膜回收機 (2)棉花苗期地膜回收機 (3)CSM-130B 型齒鏈?zhǔn)綉覓焓漳C1.2秋后殘膜回收機秋后殘膜回收機 (1)4CM系列殘膜回收整地機 (2)彈齒式收膜 (3)梳齒滾筒式殘膜回收機1.3春播前殘膜回收機械春播前殘膜回收機械 (1)CMJ-5 型春秋兩用密排彈齒式殘膜回收機 (2)IMS-450 型彈齒摟膜機 (3)4MQ-1.5 型吸氣式殘膜回收機1.4我國殘膜回收機主要存在的問題我國殘膜回收機主要存在的問題(1)作業(yè)功能單一,作業(yè)環(huán)節(jié)較長,殘膜回收率低。(2)機具作業(yè)速度較低,適應(yīng)性和可靠性較差,生產(chǎn)率底下。(3)機械壓實嚴(yán)重,可改為播種前整地時使用殘膜回收機械。(4)密排列其揀拾稈齒,2、國外研究現(xiàn)象以及分析、國外研究現(xiàn)象以及分析(1)英國和前蘇聯(lián)主要采用懸掛式回收機(2)以色列主要是利用收卷的方式來收膜(4)美國主要采用卷膜式的殘膜回收機械(5)歐洲國家主要采用高強度,耐老化的地膜,另一方面他們積極研制可降解免收地膜。三、工作原理及整體的框架設(shè)計三、工作原理及整體的框架設(shè)計 該分區(qū)式殘膜回收機的機架主要有兩個部分組成,一部分是牽引架,另一部分是支架。在工作的工程中,牽引架與土槽牽引車采用三點懸掛式連接,這種懸掛的連接方式機動性好,可以非常方便的將機具升起、降落,對殘膜的收取和卸膜工作有很大的益處。四、切膜裝置的設(shè)計四、切膜裝置的設(shè)計 為了能更簡單高效地完成收膜作業(yè),本分區(qū)式殘膜回收機添加了圓盤式切膜裝置,在殘膜回收機工作的時候,先由且膜裝置以作物壟上膜為界限,將殘膜切割成中間膜和邊膜。五、起膜裝置的設(shè)計五、起膜裝置的設(shè)計 起膜裝置不僅起到了將邊膜鏟于地表,它還可以起到松土的功能,這是由起膜鏟的結(jié)構(gòu)決定的,起膜鏟的中間高,兩邊低。在工作的過程中,將壓在地膜上邊的硬土壤鏟起,使其松動,然后隨著牽引車的運動,起膜鏟上的土壤就會向兩邊滑落,使硬土塊成為疏松的碎土,因而產(chǎn)生了松土的效果,這樣可以為后邊的收膜工作打下了良好的基礎(chǔ)。六、回收裝置的設(shè)計六、回收裝置的設(shè)計1.1 引導(dǎo)裝置的設(shè)計引導(dǎo)裝置的設(shè)計 此分區(qū)式殘膜回收機則需要盡量保持殘膜的完整型,負(fù)責(zé)會給回收帶來諸多的不便,因此我這起膜鏟后面到橡膠輥之間設(shè)計了一個引導(dǎo)裝置,通過引導(dǎo)裝置將邊膜匯聚到中間,這樣一方面可以讓邊膜匯聚成一股不至于斷掉,另一方面也方便橡膠輥的回收。1.2 收膜收膜裝置的設(shè)計裝置的設(shè)計 此分區(qū)式殘膜回收機則需要盡量保持殘膜的完整型,負(fù)責(zé)會給回收帶來諸多的不便,因此我這起膜鏟后面到橡膠輥之間設(shè)計了一個引導(dǎo)裝置,通過引導(dǎo)裝置將邊膜匯聚到中間,這樣一方面可以讓邊膜匯聚成一股不至于斷掉,另一方面也方便橡膠輥的回收。1.3 集膜箱集膜箱的設(shè)計的設(shè)計 設(shè)計的集膜箱主要功用是盛放從收膜輥中出來的地膜,其設(shè)計要求為:具有足夠大的盛放容積,本文設(shè)計了一種上大下小抽屜式的集膜箱,其主要包括集膜箱壁、抽板和螺栓等組成,如圖 4-3 所示。它利用厚度為 3mm 的鋼板焊接而成,長度寬度高度=890mm440mm300mm,利用 4個20的螺栓固定于機架的尾部。當(dāng)收集的地膜放滿集膜箱時,靠人工拉動集箱底部的抽板進行卸膜。謝謝大家!謝謝大家!誠請各位老師指正!誠請各位老師指正! 為農(nóng)業(yè)機械提供位置數(shù)據(jù)測量 Herman Speckmann 原文來源:Federal Agricultural Research Centre Braunschweig (FAL), Institute for Biosystems Engineering, Bundesallee 50, D-38116 Braunschweig, Germany 摘要農(nóng)業(yè)機械、車輛需要位置數(shù)據(jù)來指導(dǎo)和控制執(zhí)行最佳工作位置。位置數(shù)據(jù)也被需要用在像精細(xì)農(nóng)作這樣的應(yīng)用上。位置數(shù)據(jù)的必要的準(zhǔn)確性、分辨率和頻率依照不同的應(yīng)用而變化。只有一個系統(tǒng),安裝在中央車輛(例句、拖拉機),應(yīng)該提供對每項任務(wù)的位置數(shù)據(jù)。提出的關(guān)于中央系統(tǒng)的基本概念是位置數(shù)據(jù)按照特定應(yīng)用程序計算并且直接被傳送到它需要被應(yīng)用到的那個點上。這片論文闡述了測量的基本原理和位置數(shù)據(jù)的計算,還對現(xiàn)有的傳送數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行了簡要介紹。它集中建議了一個提供和轉(zhuǎn)移位置數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。被討論的解決方案是以農(nóng)業(yè)BUS(總線)系統(tǒng)為基礎(chǔ)(DIN 9684, ISO 11783). 2000 Elsevier Science B.V. 版權(quán)所有.1.前言 位置指導(dǎo)的目的是給生長在農(nóng)田里一個固定的區(qū)域上的莊稼帶來增產(chǎn)的方法。莊稼或者它們在農(nóng)田里所處的位置是指導(dǎo)的重要參照。位置數(shù)據(jù)被用來指導(dǎo)農(nóng)用車、實現(xiàn)控制和支持精耕農(nóng)業(yè)。準(zhǔn)確性、分辨率和頻率取決于他們的具體應(yīng)用。必須強調(diào)的是本文沒有合適的解決這個問題的傳感器來產(chǎn)生數(shù)據(jù)。更確切的說,這里研究的問題是參照移動單位的一定的位置進行了一個位置信號產(chǎn)生,但是這個位置和需要的位置數(shù)據(jù)并不是完全一致的。此外,位置信息有可能在同一時間被需要用于幾種目的, 車輛和工具組合的結(jié)構(gòu)可能會經(jīng)常改變。正如 Freyberger 和 Jahns (1999), Wilson (1999)所提到的, 測量系統(tǒng)可以是一個絕對定位系統(tǒng),比如Bell(1999)描述的衛(wèi)星系統(tǒng),或者是一個相對的系統(tǒng),比如Debain et al. (1999), Hague et al. (1999)描述的機器視覺系統(tǒng)。它可能也包括輔助傳感器。傳感器只有在參考具體位置情況下測量位置,比如相機的安裝點、天線的底部。在接下來的描述中,這個位置被稱為測量點。由于各種原因,這位置測點的是預(yù)先設(shè)定好的,意味著衛(wèi)星天線將盡可能安裝在拖拉機的車頂上以便減少測量不到的區(qū)域。攝像機將會安裝在有保障最佳視覺的位置。粗糙或傾斜的表面引起的運動可能導(dǎo)致測量位置和運動表面的位置不同。例如,一輛車頂上裝有衛(wèi)星天線的車輛,大約3.5m,駕駛在10的斜坡表面,傾斜方向造成的區(qū)別相差60cm。圖1闡述了這個情形。在這個例子中,計算一個參考點的位置可能更適當(dāng)一些。貝爾(1999)提出把拖拉機的后方軸的中點作為參考點。表面上的一個點,例如,后方軸中間的下垂直面似乎顯得更適合與某些應(yīng)用。像一些應(yīng)用,比如控制實現(xiàn),工具的一定點的位置可能最終重要。這個點將被稱作目標(biāo)點。在某些情況下位置數(shù)據(jù)需要用于不同的目的,分別為每個目的以一種獨立的測量系統(tǒng)測量位置不是很有效。當(dāng)位置測量只有一次時多個硬件可以避免,同時工具上其他點的位置或者工具也被計算。假如位置和方法被測量,實驗測量和空間向量之間的地點測點的計算是眾所周知的,那么這種情況是可能的。如果兩個點嚴(yán)格耦合,這意味著兩點都在拖拉機上、兩點之間的向量是常數(shù),一個簡單的矩陣運算就能產(chǎn)生結(jié)果。如果這些點沒被嚴(yán)格耦合,這意味著,例如,一處拖拉機,另一個是在附加工具上,矢量是可變的。額外的測量成為必要用來建立兩點之間的向量或必須應(yīng)用其他原理計算目標(biāo)點的位置。2.數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移通過計量點上的測量位置和方法,在車輛或工具上任何點的位置數(shù)據(jù)可以被計算出來。計算結(jié)果可以被測量系統(tǒng)(中央數(shù)據(jù)處理)或由請求目標(biāo)位置數(shù)據(jù)的各個系統(tǒng)(分布式數(shù)據(jù)處理)計算出來。2.1 分布式數(shù)據(jù)處理在分布式數(shù)據(jù)的情況下,測量系統(tǒng)僅作為智能傳感器服務(wù)。它測量需要的位置和計算,和提供這些未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)。頻率和精度等特點取決于請求的單位。這個單位執(zhí)行所有處理來計算位置。單位必須知道測點的位置和各有關(guān)參數(shù)。這樣處理的好處是測量裝置可以相對簡單。另一方面,每個請求的單位需要的充分的能力來履行這一運算。2.2 中央數(shù)據(jù)處理測量單位被擴展包括計算目標(biāo)位置的各個組件。這個測量和處理系統(tǒng)形成了一個所謂的位置和導(dǎo)航服務(wù)的單元,這個單元提供任何目標(biāo)點的最終位置數(shù)據(jù)。在這種情況下,只有一個測量與處理系統(tǒng)是必要的,即使位置數(shù)據(jù)必須被更多的用戶要求。這樣做,只有PNS必須知道所有相關(guān)的參數(shù)來進行計算。2.3 數(shù)據(jù)傳送 無論數(shù)據(jù)在哪里處理,一個數(shù)據(jù)傳輸是必要的。對于這樣一個數(shù)據(jù)傳輸,一個標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)是適當(dāng)?shù)?。為了用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,存在一個在移動單位和固定農(nóng)場電腦之間傳輸數(shù)據(jù)的汽車。農(nóng)業(yè)總線系統(tǒng)(LBS)也已被標(biāo)準(zhǔn)化以便能在網(wǎng)路的各個電子單元(LBS節(jié)點或BUS節(jié)點)之間進行信息交換。這個標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,系統(tǒng)管理,數(shù)據(jù)對象和常見任務(wù)的服務(wù)程序(Speckmann andJahns, 1999)。LBS以DIN9684(DIN,19891998)作為標(biāo)準(zhǔn)。目前,正在努力建立一個國際標(biāo)準(zhǔn)(Nienhaus,1993),ISO 11783,為了這個目的,像LBS,ISO 11783也將定義一個農(nóng)業(yè)BUS作為一個農(nóng)業(yè)機械交換數(shù)據(jù)的開放系統(tǒng),特別是在拖拉機-執(zhí)行工具的組合和從移動單位到靜止不動的農(nóng)場計算機。這個標(biāo)準(zhǔn)是基于控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議(CAN; BOSCH, 1991)。市場上有相應(yīng)的硬件設(shè)備。在LBS中,為一般位置數(shù)據(jù)(地理位置:經(jīng)度、緯度、高度,或軌道位置)的傳輸定義了數(shù)據(jù)對象。這標(biāo)準(zhǔn)允許定義的額外的數(shù)據(jù)對象,例如多維的距離,方向和速度。沒有幾何實施參數(shù)的數(shù)據(jù)對象目前存在在LBS中。ISO 11783提供,在第7部分(信息實現(xiàn)應(yīng)用層),實施航行偏移的第一個定義?,F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)沒有定義數(shù)據(jù)在哪里進行處理。因此,關(guān)于BUS中哪個單元計算目標(biāo)點的數(shù)據(jù),哪個或那些單元測量數(shù)據(jù)不具體。LBS提供所謂的LBS服務(wù)來執(zhí)行常見任務(wù)。LBS服務(wù)是為LBS的參與者頻繁地執(zhí)行復(fù)發(fā)的任務(wù)的功能單元。LBS用戶站就是這樣的一項服務(wù)。這是一個為用戶提供輸入和輸出BUS上節(jié)點(BUS參與者)處置的數(shù)據(jù)中央接口。另一項服務(wù)提供在移動單位和固定的電腦,農(nóng)場的電腦之間的數(shù)據(jù)交換。一些服務(wù)在LBS中被定義但尚未有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn),例如診服務(wù)斷或“Ortung und Navigation”(位置和導(dǎo)航),將在下面作為PNS被討論。在圖2中,一個典型的農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的簡化方案展示了一個拖拉機-噴霧器的組合。這個圖表包括物理BUS線路,即骨干網(wǎng)絡(luò)。在這個BUS上,參與單元如拖拉機的電子控制單元(ECUs)、霧化器被連接協(xié)作起來。另外,兩項LBS服務(wù)也被連接到BUS上。一項服務(wù)代表LBS用戶站。另外一項是位置和導(dǎo)航服務(wù),即位置數(shù)據(jù)的測量和處理系統(tǒng)。2.4 分布式和中央數(shù)據(jù)處理的比較一個分布式數(shù)據(jù)處理,農(nóng)業(yè)BUS,根據(jù)DIN 9684 或者ISO 11783, 定義了在測量系統(tǒng)和任何參賽者之間必要的數(shù)據(jù)交換;獨自地,任何一個ECU。每一個ECU怎樣得到計算機位置數(shù)據(jù)計算必要的幾何和運動參數(shù)的問題保持開放。每一個ECU知道從各自的結(jié)合點到目標(biāo)點的參數(shù),但它不知道從結(jié)合點到測量點的參數(shù)。這些參數(shù)必須由其他ECU提供。沒有標(biāo)準(zhǔn)定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象或請求數(shù)據(jù)的程序。對于分布式數(shù)據(jù)處理,這些定義必須補充。另外,對于中央數(shù)據(jù)處理,一定要知道測量點和目標(biāo)點之間所有的運動參數(shù)。此外,方法必需被定義以便使用中央服務(wù)計算目標(biāo)點的位置數(shù)據(jù)。一個位置和導(dǎo)航服務(wù)需要擴展標(biāo)準(zhǔn),但以下的優(yōu)點在實際使用中是至關(guān)重要的。 為了確定目標(biāo)點的位置數(shù)據(jù),相應(yīng)的控制單元(ECU)只有一個對話伙伴網(wǎng)絡(luò)。它獨立工作于各自的網(wǎng)絡(luò)配置,僅僅發(fā)送自己的參數(shù)和只接受它特定位置數(shù)據(jù)。 PNS從所有的ECU上接受參數(shù)。它知道所有一切幾何條件和車輛-工具組合的運動參數(shù)。因此,任何目標(biāo)點位置的確定是可能的。 這個標(biāo)準(zhǔn)的定義了計算程序和明確的提出了目標(biāo)點的位置數(shù)據(jù)。 計算位置數(shù)據(jù)的計算性能完全由PNS提供。沒有計算能力需要用于這個目的。在前一節(jié)提到,提供位置和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的服務(wù)已經(jīng)在LBS的計劃中。在下文中,將提到PNS的一個試?yán)鉀Q方案。3.一項定位和導(dǎo)航服務(wù)的提議此時,應(yīng)當(dāng)指出,下面的PNS的介紹是一項建議。它提供了一個平臺進行討論,這可能導(dǎo)致這個服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化。3.1 PNS的主要特征PNS的特征首先依賴于它的使用目的。從前面所講的,很明顯的是,測量的位置數(shù)據(jù)在一個地點,用在不同的地點。為了提供需要的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)車輛,控制工具的位置和協(xié)助任何一種精耕農(nóng)業(yè),下面的條件必須滿足: PNS提供有關(guān)測量點的數(shù)據(jù)。 PNS提供有關(guān)參考點的數(shù)據(jù)。 PNS提供有關(guān)目標(biāo)點的數(shù)據(jù)。這項服務(wù)的特點如下:1.數(shù)據(jù)的請求和傳播的方式已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,數(shù)據(jù)被LBS (DIN 9684)定義和將被ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)化。因此,它將不會在此討論。在下面,LBS將作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的農(nóng)業(yè)BUS系統(tǒng)被使用。2.數(shù)據(jù)的容量、準(zhǔn)確性、頻率和范圍是由數(shù)據(jù)的目的決定的。3.滿足這些要求的硬件和軟件不應(yīng)被規(guī)范,應(yīng)該取決于生產(chǎn)廠家。3.2關(guān)于位置數(shù)據(jù)測量和計算方法標(biāo)準(zhǔn)的影響各種測量系統(tǒng)和PNS中用于決定位置數(shù)據(jù)的方法不再標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)。基于衛(wèi)星,機器視覺、慣性導(dǎo)航、地磁或這些情況的組合可能被應(yīng)用。作為一種結(jié)果,生產(chǎn)企業(yè)可以決定如何產(chǎn)生位置數(shù)據(jù),只要他滿足了規(guī)定的要求和準(zhǔn)確性。3.3 PNS在農(nóng)業(yè)BUS系統(tǒng)中的整合在LBS中整合定位和導(dǎo)航服務(wù)存在一些好處,因為許多特性已經(jīng)被定義。LBS已經(jīng)包括在PNS的選項作為試驗的標(biāo)準(zhǔn)。它允許實現(xiàn)服務(wù)作為一個獨立的物理單位或者為另外一個物理單位的邏輯單位。BUS接口和BUS協(xié)議的物理性能(DIN 9684, part 2)已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)定義。為LBS中服務(wù)的集成,系統(tǒng)的功能的定義是果斷的(DIN 9684,part3)。他們在LBS中定義節(jié)點的性能。第三部分也給了LBS服務(wù)一般的定義。一項LBS服務(wù)形成與LBS參與者點對點的連接。LBS參與者使用服務(wù)時不會被其它使用者影響,一個LBS參與者也不能影響其他參與者對服務(wù)的使用。所有進一步PNS的定義還不規(guī)范。3.4 PNS操作的一般模式PNS設(shè)計應(yīng)用以下的基本假設(shè):1.每一個ECU的只知道它自己的參數(shù),包括參考點、目標(biāo)點、結(jié)合點位置、車輛類型或軸距的坐標(biāo)和數(shù)量。2.只有ECU根據(jù)工作條件可以定義必要的時間間隔,準(zhǔn)確度和位置數(shù)據(jù)的分辨。3.每一個ECU的可以選擇不同的任意時刻的位置數(shù)據(jù)。4.參數(shù)和計算和提供的位置數(shù)據(jù)的方法將會在田野機械開始運作過程之前被定義。5.PNS提供了一些程序為實施標(biāo)準(zhǔn)和車輛類型計算位置數(shù)據(jù)。6.位置數(shù)據(jù)自動(周期性)地或根據(jù)需求被提供。 為了滿足這些要求,服務(wù)窗口提供適當(dāng)?shù)墓ぞ?,同時 ECUs 決定如何使用及使用哪個工具。這意味這它們定義一個或者多個任務(wù)。這樣一項任務(wù)基本上代表了一個命令表,包括激活具體工具使用的命令。這些任務(wù)被送到PNS,隨后PNS執(zhí)行這些任務(wù)。一個ECU的不同的任務(wù)相互獨立的被執(zhí)行。圖3闡明了PNS與一個ECU之間的數(shù)據(jù)傳遞。同時,也顯示了PNS的主要部分。PNS的這些工具包括位置測量系統(tǒng)和測量點的數(shù)據(jù),以及一系列處理這些數(shù)據(jù)的程序方法。程序如下:1. 計算位置數(shù)據(jù)(位置程序);2. 計算位置數(shù)據(jù)值的平均值,最大值、最小值和積分的方法(算術(shù)程序);3. 輸入和輸出數(shù)據(jù)(傳輸程序);4. 傳遞數(shù)據(jù)到ECU(傳遞程序);5. 控制數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)控制程序);為了這些方法的執(zhí)行,ECU必須定義相應(yīng)的參數(shù)。它同時也定義位置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)對象。PNS的主要工具是一項執(zhí)行ECU定義的任務(wù)的程序系統(tǒng)。簡而言之,程序系統(tǒng)解釋任務(wù)指令,調(diào)動相應(yīng)的方法,計算要求的位置以及把數(shù)據(jù)送到ECU(電子控制單元)。為了一項任務(wù)的定義,ECU生成一個任務(wù)庫。一個務(wù)庫主要是一系列調(diào)動PNS的程序法或者調(diào)動內(nèi)嵌的任務(wù)庫的指令。各種參數(shù)被定義并且放置在參數(shù)庫里。為了存儲被計算的位置數(shù)據(jù),ECU必需定義數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫必需在激發(fā)相應(yīng)任務(wù)程序之前通過BUS從ECU傳送到達(dá)PNS。3.5 PNS預(yù)定義的程序PNS預(yù)定義的程序是一些處理位置數(shù)據(jù)或者控制數(shù)據(jù)處理的程序。不同的程序執(zhí)行不同的功能。不同的程序被一些獨特的標(biāo)識符區(qū)別。這些程序被稱為“內(nèi)部任務(wù)”(任務(wù)庫)。他將會成為標(biāo)準(zhǔn)的一部分用來定義標(biāo)識符,功能規(guī)格和調(diào)用程序規(guī)格。3.5.1 位置程序位置程序(計算位置數(shù)據(jù)的程序)是計算目標(biāo)點位置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。這些方法計算從最初的位置(輸入位置數(shù)據(jù)、資料的參考點的數(shù)據(jù)或以前計算的數(shù)據(jù))到一種新的點的位置(輸出的位置數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的目標(biāo)點或作為中間結(jié)果)。位置程序能夠滿足不同結(jié)構(gòu)位置的計算(考慮一、二或三維模型,嚴(yán)格耦合點,幾個基本類型車輛的不嚴(yán)格耦合點,工具和車輛-工具的結(jié)合)。這些程序從有關(guān)ECU執(zhí)行定義的參數(shù)庫得到他們的實際參數(shù)(目標(biāo)點的坐標(biāo),車輛的長度、寬度、高度、類型或軸距)這是確定的有關(guān)實施ECU的。圖4顯示了使用一個位置程序的一段任務(wù)庫。PNS的程序系統(tǒng)執(zhí)行這個程序庫。在任務(wù)庫的某一點上,它發(fā)現(xiàn)調(diào)用位置程序的指令。這個調(diào)用指令包括特定程序的標(biāo)識符和有關(guān)參數(shù)庫的引用。這時,程序系統(tǒng)擁有由以上的操作產(chǎn)生的實際位置數(shù)據(jù)?,F(xiàn)在它使用這些實際數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù),和引用參數(shù)庫用于位置程序。然后,它執(zhí)行特定的程序。該程序使用指定的參數(shù)計算輸出的位置數(shù)據(jù)。然后,它返回到程序系統(tǒng)。位置程序的輸出數(shù)據(jù)成為新的實際位置數(shù)據(jù)。程序系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行下面的指令。3.5.2 算術(shù)程序算術(shù)方法被用來計算位置數(shù)據(jù)的平均值,最大值、最小值或者積分值。一個算術(shù)程序從程序系統(tǒng)的實際位置數(shù)據(jù)或從特定數(shù)據(jù)庫得到位置輸入數(shù)據(jù)。它使用在調(diào)用指令里決定的參數(shù)庫中的參數(shù)計算輸出位置數(shù)據(jù)。然后,計算結(jié)果數(shù)據(jù)被存儲在一個被定義的數(shù)據(jù)庫里。圖5展示了一個算術(shù)程序使用的例子。在任務(wù)庫的某一點上,它發(fā)現(xiàn)調(diào)用算術(shù)程序的指令。這個調(diào)用包括具體程序的標(biāo)識符,一個有關(guān)參數(shù)庫的引用,一個目的數(shù)據(jù)庫的引用和源數(shù)據(jù)庫選擇性的引用。這個程序系統(tǒng)采用實際數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)用于程序計算。根據(jù)調(diào)用規(guī)格,算術(shù)程序從程序系統(tǒng)(沒有定義的數(shù)據(jù)庫參考)或一種數(shù)據(jù)資源(數(shù)據(jù)資源I)得到輸入數(shù)據(jù)。它計算被要求的值并把計算結(jié)果存儲在一個數(shù)據(jù)庫里(數(shù)據(jù)庫II)。計算參數(shù)是從定義的參數(shù)庫中得到的。程序發(fā)揮到程序系統(tǒng)并繼續(xù)執(zhí)行。實際的位置數(shù)據(jù)沒有被改變。3.5.3 傳輸程序 PNS定義了三種類型的傳輸程序。輸入程序是用來裝載作為實際位置數(shù)據(jù)的確定的數(shù)據(jù)庫位置數(shù)據(jù)到PNS的程序系統(tǒng)。輸出程序存儲實際位置數(shù)據(jù)到一個在調(diào)用指令里預(yù)先定義了的數(shù)據(jù)庫。輸入/輸出程序被用來從一個源數(shù)據(jù)庫到目的數(shù)據(jù)庫之間傳輸數(shù)據(jù)。 圖6顯示了一個使用輸入和輸出程序的例子。輸入程序的調(diào)用指令包括具體程序的標(biāo)識符和源數(shù)據(jù)庫的引用。在執(zhí)行輸入程序之前,程序系統(tǒng)為程序提供源數(shù)據(jù)庫的引用。然后,程序執(zhí)行和得到位置數(shù)據(jù),并將它作為實際位置數(shù)據(jù)返回給程序系統(tǒng)。以前的實際位置數(shù)據(jù)被損壞。系統(tǒng)繼續(xù)進行。對于輸出程序的使用,實際位置數(shù)據(jù)與目的位置數(shù)據(jù)庫提供參考。輸出程序?qū)嶋H數(shù)據(jù)放到目的數(shù)據(jù)庫并返回到程序系統(tǒng)。實際位置數(shù)據(jù)仍然有效。3.5.4 傳遞程序 傳遞程序發(fā)送具體的位置數(shù)據(jù)到ECU。源數(shù)據(jù)在調(diào)用指令(或一個數(shù)據(jù)庫或程序系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù))里被定義。當(dāng)執(zhí)行一個傳遞程序時,它得到具體的位置數(shù)據(jù)并傳送到ECU。3.5.5 數(shù)據(jù)控制程序數(shù)據(jù)控制程序控制一個任務(wù)庫的執(zhí)行。程序流程是控制時間或距離。PNS的程序系統(tǒng)調(diào)查任務(wù)庫。假如確定的時間間隔已過期或已超出距離限制,程序?qū)?zhí)行下列指令。否則,程序系統(tǒng)跳到數(shù)據(jù)庫的結(jié)尾。Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 87106 Providing measured position data for agricultural machinery Hermann Speckmann Federal Agricultural Research Centre Braunschweig (FAL), Institute for Biosystems Engineering, Bundesallee 50, D-38116 Braunschweig, Germany Abstract Agricultural machinery and vehicles require position data for guidance and to control implements for optimal working positions. Position data are also needed for such applica- tions as precision farming. The necessary accuracy, resolution and frequency of position data vary according to the specific application. Only one system, installed at a central vehicle (e.g. the tractor), should provide position data for each task. The basic concept for the proposed central system is that position data are calculated in accordance with the application and transferred directly to the point at which they will be used. The paper describes the fundamentals of measurement and calculation of position data, and gives a short introduc- tion to the existing agricultural networks to transfer these data. It concentrates on a proposal for a network service to provide and transfer position data. The solution discussed is based on the agricultural BUS (DIN 9684, ISO 11783). 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Local area network; Controller area network; Agricultural BUS system; LBS; Calculation of position; Calculation of direction; LBS service :locate:compag 1. Introduction The purpose of position guidance is to bring the means of production to the plants, which grow at a fixed location on the field. The plants, or rather their location on the field surface, are the reference for guidance. Position data are needed to guide agricultural vehicles, to control implements and to support precision farming. Accuracy, resolution and frequency depend on their application. E-mail address: hermann.speckmannfal.de (H. Speckmann) 0168-1699:00:$ - see front matter 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII: S0168-1699(99)00057-5 H. Speckmann : Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 8710688 It must be emphasized that this paper does not address the problem of suitable sensors to generate the data. Rather, the problem studied here is that a position signal is generated with reference to a certain location on the mobile unit, but this position is not identical with the location where the position data are needed. Moreover, position information may be needed for several purposes at the same time, and the configuration of the vehicleimplement combination may change frequently. As mentioned by Freyberger and Jahns (1999), Wilson (1999), the measuring system can either be an absolute position system, such as the satellite system described by Bell (1999), or a relative system, such as the machine vision systems described by Debain et al. (1999), Hague et al. (1999). It may also include auxiliary sensors. Sensor systems measure position only in reference to a specific location, such as the mounting point of the camera or the foot of the aerial. In the following presentation, this location is called the measuring point. For various reasons, the location of this measuring point is predetermined, meaning the satellite antenna will be mounted as high as possible on the roof of the tractor cab to minimize shading. A camera will be mounted where optimal view is guaranteed. Movement caused by rough or sloping field surfaces may cause the measured position and the position on the field surface to differ widely. For example, for a vehicle with a satellite antenna mounted on top of the cab, at about 3.5 m, driving on a sloping surface of 10, the difference in direction of the inclination will be about 60 cm. Fig. 1 illustrates this scenario for one dimension. In this example, it may be appropriate to calculate the position of a reference point. Bell (1999) proposes the middle rear axes of the Fig. 1. Difference in position for two locations due to sloping terrain. H. Speckmann : Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 87106 89 tractor as a reference point. A point in the field surface, for example, vertical under the middle of the rear axis seems more appropriate for some applications. For certain applications, such as the control of implements, the position of a certain point of the implement may be of final importance. This point will be called the target point. In cases where position data are needed for different purposes, it is not very efficient to measure the position for each purpose separately with an independent measuring system. Multiple hardware can be avoided when the position is measured only once, and the positions of the other points on the vehicle or implements are calculated. This is possible if position and attitude are measured, and the spatial vector between the measuring point and the point to be calculated is known. If both points are rigidly coupled, meaning that both points are on the tractor, the vector between these points is constant, and a simple matrix calculation yields the result. If these points are not rigidly coupled, meaning, for example, that one point is on the tractor and the other is on an attached implement, the vector is variable. Additional measurements become necessary to establish the vector between these two points or other principles to calculate the position of the target point must be applied. 2. Data processing and data transfer Position data of any point on the vehicle or implement can be calculated from the position and attitude measured at a measuring point. This calculation can be made by the measuring system (central data processing) or by each system requesting target position data (distributed data processing). 2.1. Distributed data processing The measuring system serves only as an intelligent sensor in the case of distributed data. It measures position and attitude on request, and provides these data without any processing. Characteristics such as frequency and accuracy are determined by the requesting unit. This unit performs all processing to calculate the position. The unit must know the position of the measuring point and all relevant parameters to do this. The advantage of this procedure is that the measuring device can be relatively simple. On the other hand, each requesting unit needs the full capacity to perform this calculation. 2.2. Central data processing The measuring unit is extended by components to calculate the position of target points for any user. This measuring and processing system forms one unit of a so-called position and navigation service (PNS), which provides final position data of any target point. In this case, only one measuring and processing system is necessary even when position data are requested by more than one user. To do so, only the PNS must know all of the relevant parameters for the calculation. H. Speckmann : Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 8710690 2.3. Data transfer A data transfer is necessary no matter where the data are processed. For such a data transfer, a standardized network is appropriate. For agricultural purposes, a BUS for data transfer between mobile units and stationary farm computers exists. The agricultural BUS system (LBS) has been standardized to exchange information between the electronic units (LBS participants or BUS nodes) in a network. The standard defines the physical layer of the network, network protocol, system management, data objects and central services for common tasks (Speckmann and Jahns, 1999). The LBS has been standardized as DIN 9684 (DIN, 19891998). Currently, efforts are being made to establish an international standard (Nienhaus, 1993), ISO 11783, for such purposes. Like LBS, ISO 11783 will also define an agri- cultural BUS as an open system to exchange data on agricultural machinery, particularly on tractorimplement combinations and from the mobile units to the stationary farm computer. The standards are based on the controller area network data protocol (CAN; BOSCH, 1991). Corresponding hardware is on the market. In the LBS, data objects are defined for the transmission of general position data (geographical positions: longitude, latitude, altitude, or position in a tramline). The standard allows definition of additional data objects such as multidimensional distances, directions and speeds. No data objects exist presently in the LBS for geometric implement parameters. ISO 11783 provides, in Part 7 (Implement Mes- sages Application Layer), the first definitions of implement navigational offsets. Current standards do not define where which data are processed. Therefore, it is immaterial on which unit the BUS calculates the data for the target point, and which unit or units measure the data. The LBS provides so-called LBS services to execute common tasks. LBS services are functional units, which perform frequently recurring tasks for LBS participants. Such a service is the LBS user station. This is a central interface to the user (operator) for input and output of data which is at the disposal of any node (LBS participant) on the BUS. Another service provides the data exchange between the mobile unit and the stationary computer, the farm computer. Some more services are named in the LBS but not yet stan- dardized in detail, such as for diagnosis services or the service Ortung und Navigation (position and navigation), which will be discussed in the following as PNS. In Fig. 2, an exemplary simplified scheme of an agricultural network is shown for a tractorsprayer combination. This scheme includes the physical BUS line, which is the backbone of the network. At this BUS, participants such as electronic control units (ECUs) of the tractor and sprayer are coupled. Additionally, two LBS services are connected on the BUS. One of these services represents the LBS user station. The other is the LBS service position and navigation, with the measuring and processing system for position data. H. Speckmann : Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 87106 91 Fig. 2. Scheme of an agricultural network in a tractorsprayer combination. 2.4. Comparison of distributed and central data processing For a distributed data processing, the agricultural BUS, according to DIN 9684 or ISO 11783, defines the necessary data exchange between the measuring system and any participant; respectively, any ECU. The question how each ECU gets geometric and kinematic parameters that are necessary to compute position data remains open. Each ECU knows its own parameter from its coupling point to the target point, but it does not know the parameter from the coupling point to the measuring point. These parameters must be provided from other ECUs. None of the standards define corresponding data objects or procedures requesting the data. For distributed data processing, these definitions have to be supplemented. Also, for central data processing, all kinematic parameters between the measur- ing point and the target point must be known. In addition, methods are to be defined for the use of the central service with regard to the calculation of position data of target points. A position and navigation service requires an extension of the standards, but the following advantages in practical use are essential: To determine the position data of a target point, the corresponding ECU has only one dialogue partner in the network. It works independently from the respective network configuration, delivers only its own parameters and receives only its specific position data. The PNS receives parameters from all ECUs. It knows all geometric conditions and kinematic parameters of the vehicleimplement combination. Thereby, an unambiguous determination of the position of any target point is possible. H. Speckmann : Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 8710692 The standard defines the procedures to calculate and present the position data of a target point unambiguously. The computing performance to calculate the position data is provided solely by the PNS. No computing capacity is needed for this purpose from the ECUs. As mentioned in the previous section, a service to provide position and naviga- tion data is already planned in the LBS. In the following, a sample solution of a PNS is presented. 3. Proposal for a positioning and navigation service At this time, it should be mentioned that the following description of a PNS is a proposal. It provides a platform for discussion, which may lead to the standard- ization of such a service. 3.1. Main features of a PNS The features of a PNS depend, first of all, on the purpose for which it will be used. From the foregoing, it is clear that position data are measured at one location and used at different locations. The following requirements must be fulfilled to provide the data needed to guide a vehicle, to control positions of implements and to assist any kind of precision farming: The PNS provides data related to the measurement point(s). The PNS provides data related to the reference point(s). The PNS provides data related to the target point(s). The characteristics of such a service are as follows: 1. The way the data are requested and transmitted is already standardized and defined by the LBS (DIN 9684) and will be standardized by ISO 11783. Therefore, it will not be discussed here. In the following, LBS will be used as a standardized agricultural BUS system. 2. The volume, accuracy, frequency and range of the data are determined by the purpose of the data. 3. The hardware and software to fulfil these demands should not be standardized, but be determined by the manufacturers. 3.2. Influence of the standard on measuring and calculation methods for position data The kinds of measuring systems and methods used to determine position data by the PNS is not in the scope of the standard. Systems based on satellites, machine vision, inertial navigation, geomagnetics or a combination of these may be applied. As a consequence, the manufacturer may determine how to generate the position data as long as he meets the stated requirements and accuracy. H. Speckmann : Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 87106 93 3.3. Integration of the PNS into an agricultural BUS system There are some benefits of integrating the positioning and navigation service into the LBS, because many characteristics are already defined. The LBS already includes the option of a PNS as part of the standard. It allows the realization of a service either as an independent physical unit or as a logical unit inside of another physical unit. The physical properties of the BUS interface and the BUS protocol (DIN 9684, part 2) are defined by the standard. For integration of the service into the LBS, the definitions of the system functions are decisive (DIN 9684, part 3). They define the performance of the nodes at the LBS. Part 3 also gives the general definitions of LBS services. An LBS service forms a point-to-point link with LBS participants. The use of a service by an LBS participant can neither be influenced by other users, nor can an LBS participant influence links between the service and other participants. All further definitions of the PNS are not yet standardized. 3.4. General mode of operation of the PNS For the design of the PNS, the following basic assumptions apply: 1. Each ECU knows only its parameters, meaning coordinates and numbers of reference points, target points, positions of couplings, vehicle types or wheelbases. 2. Only the ECU can define necessary time intervals, accuracy and resolution for position data, depending on the working conditions. 3. Each ECU can get different position data at arbitrary times. 4. Parameters and the way of calculating and providing position data will be defined before the working processes of the field machinery are started. 5. The PNS provides a library of procedures to calculate position data for standard implement and vehicle types. 6. Position data are provided automatically (cyclically) or on demand. To meet these requirements, the service provides the tools, and the ECUs determine how and which tools are used. This means they define one or several task(s). Such a task basically represents a list that includes commands to activate the specific tools. These tasks are sent to the PNS, which subsequently performs these tasks. Different tasks of one ECU are executed independently of each other. Fig. 3 illustrates the data transfer between the PNS and one ECU. It also shows the main parts of the PNS. The tools of the PNS include the system for measuring the position and attitude data of the measuring point, and a library of methods to process these data. Methods exist: to calculate position data (position methods); to calculate mean, maximum, minimum and integral values of position data (arithmetic methods); to export and import data (transport methods); to send data to the ECU (transmission methods); and to control the data processing (data control methods). H. Speckmann : Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 8710694 For some of these methods, the ECU has to define corresponding parameters. It also defines data objects for position data. The central tool of the PNS is the program system to execute the tasks defined by the ECU. Simplified, the program system interprets the instructions of the task, calls the corresponding methods, calculates the demanded position and sends the data to the ECU. For the definition of a task, the ECU generates a task resource. A task resource is mainly a list of instructions to call methods of the PNS or to call nested task resources. Parameters are defined by the ECU and placed in parameter resources. To store calculated position data, the ECU has to define data resources. The resources have to be transmitted from the ECU via the BUS to the PNS before activating corresponding tasks. Fig. 3. Strcture of a PNS and its data exchange with one ECU. H. Speckmann : Computers and Electronics in Agriculture 25 (2000) 87106 95 Fig. 4. Example of the use of a position method in the course of a task resource. 3.5. Predefined methods of the PNS Predefined methods of the PNS are procedures to process position data or to control this data processing. Methods exist to perform different functions. The different methods are distinguished by a unique designator. They are called within tasks (task resources). It will be a part of the standard to define the designators, function specifications and calling specifications of the methods. 3.5.1. Position methods Position methods (methods to calculate position data) are the basis for calculat- ing position data of target points. These methods calculate from an initial position (input position data, data of a reference point or previously computed data) the position of a new point (output position data, data of a target point or as an interim result). Position methods exist for different configurations (one-, two- or three-dimensional model considerations, rigidly coupled points, non-rigidly coupled points for several basic types of vehicles, implements and vehicleimplement combinations). These methods get their actual parameters (coordinates of the target point, vehicle length, width, height, type or wheelbases) from parameter resources which are defined by the concerned implement ECU. Fig. 4 shows a section of a task resource using a position method. The program system of the PNS executes this task resource. At a certain part of the task resource, it finds a calling instruction for a position method. This calling instruction includes the designator of the specific method and a reference to a relevant parameter resource. At this moment, the program system owns actual position data, which result from previous operations. Now it uses these actual data as input data, and the parameter resource reference for the position method. Then, it executes the specified method. This method calculat
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