一种车载耕地地形自动测绘系统与测绘方法技术方案

本发明专利技术公开了一种车载耕地地形自动测绘系统与测绘方法，该车载耕地地形自动测绘系统包括：车载耕地地形信息自动测量装置和耕地地形信息管理平台。所述车载耕地地形信息自动测量装置由保护罩、单片机电路板、MEMS惯性导航模块、卫星定位模块、无线数据传输模块、液晶显示器、控制按钮和电源组成。耕地地形自动监测方法为：本发明专利技术中的地形信息自动测量装置安装在农业机械上，在农机工作时自动实时获得耕地地形数据，通过无线数据传输模块实时发送到耕地地形信息管理平台，平台实现耕地地形信息的实时处理和显示。本发明专利技术较好的解决了耕地地形的快速高效实时测量和自动绘制问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种农业耕地地形测绘系统与测绘方法，具体涉及一种车载耕地地形自动测量装置与测绘方法。
技术介绍
耕地是人类赖以生存的基础和保障，是区域发展的重要资源。耕地地形地形不但影响耕地的空间分布,还影响耕地的质量，是耕地信息中至关重要的存在。但是耕地地地形在测绘过程中还存在许多的难题。现阶段耕地地形的测量方式主要以使用雷达或激光进行测量，但是现阶段耕地地形测绘存在设备笨重、安装复杂、测绘效率低、测量成本过高的问题。
技术实现思路
：为解决农业耕地地形信息测量复杂、效率低、测量成本过高的问题，实现耕地地形的快速高效实时测绘，紧跟我国精准农业的发展步伐，本专利技术提供了一种车载农业耕地地形自动测绘系统与测绘方法。本专利技术的车载耕地地形自动测绘系统，包括车载耕地地形信息自动测量装置和耕地地形信息管理平台。耕地地形信息自动测量装置由保护罩、单片机电路板、MEMS惯性导航模块、卫星定位模块、无线数据传输模块、液晶显示器、控制按钮和电源组成。本专利技术技术方案如下：车载耕地地形信息自动测量装置以单片机电路板为核心实时自动监测，单片机电路板与MEMS惯性导航模块通过串行总线建立连接，与卫星定位模块通过串行口通信与建立连接，与储存卡通过串行总线建立连接，与无线数据传输模块通过串行口通信建立连接；电源为单片机电路板提供电能。耕地地形信息自动测量装置安装在拖拉机或农业机械上，其底板外侧标识有相互垂直的带箭头指示线并与拖拉机或农业机械的水平参考面平行；其内部的核心测量单片机电路板与底板平行。单片机电路板上的MEMS惯性导航模块与单片机电路板平行，其X轴正向与外标横向箭头指示线方向一致，Y轴正向与外标纵向箭头指示线方向一致；底板外侧的纵向指示线与拖拉机或农业机械车身纵向平行，其纵向指示箭头朝向前方。耕地地形自动测绘方法如下：所述的MEMS惯性导航模块在农机工作过程中测得拖拉机和拖拉机或农业机械的加速度和角速度值；卫星定位模块实时检测到拖拉机和拖拉机或农业机械的地理坐标、时间、车速、海拔信息；所述的车载耕地地形核心测量装置接收MEMS惯性导航模块测得的加速度、角速度数据和卫星定位模块测得的地理坐标、时间、车速和海拔信息，根据机组机组震动幅度，依据数学模型对机组加速度和角速度加以补偿，然后将补偿后的加速度和角速度数据以及地理坐标、时间、车速和海拔信息打包成数据包传输给储存卡和无线数据传输模块；所述的储存卡补偿后的加速度和角速度数据以及拖拉机和拖拉机或农业机械的地理坐标、时间、车速和海拔信息进行实时储存；同时无线数据传输模块将上述数据实时无线传输到耕地地形信息管理平台。所述的耕地地形信息管理平台接收显示无线数据传输模块实时传输的数据，并通过叉积法运算将加速度和角速度数据融合之后输出为四元数，再根据公式(1)将其转化为欧拉角，然后利用公式(2)计算出拖拉机或其它类型拖拉机或农业机械底面与水平面的夹角，接着利用地理坐标数据得到两点之间的水平距离，再通过公式(3)得到两点之间的高程差，以此类推得到任意一点的相对空间位置，最后将各点位置在三维坐标系中一一表示并绘制成三维地形图。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为四元数α，β分别为系统绕X轴，Y轴旋转的角度，γ为系统底面与水平面的夹角，即坡度。其中为高程差，为两点水平距离，为坡度。本专利技术有益效果为：实现耕地地形信息的快速高效测量和耕地地形的实时精确测绘，测绘精度提高，测量成本大大降低，紧跟我国精准农业的发展步伐，提高耕地地形测量效率。附图说明图1是本专利技术的耕地地形核心测量设备的基本组成示意图；图2是本专利技术的实时测绘过程图；图3是本专利技术的地形数据处理过程以及地形绘制图；具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。车载耕地地形自动测绘系统包括车载耕地地形自动测量装置和耕地地形信息管理平台；其中，耕地地形自动测量装置由单片机电路板、MEMS惯性导航模块、卫星定位模块、储存卡、无线数据传输模块和供电系统组成；本专利技术单片机电路板为MCS51系列单片机，本实例应用STC12C5A60S2单片机。本专利技术所用MEMS惯性导航模块为MEMS数字式或模拟式；本实例应用MPU6050六轴传感器，其通过I/O口数字接口与单片机驳接，I^2C或SPI通信协议与单片机进行通信，单片机读取MPU6050六轴传感器输出的数据流，数据流包括机组的加速度和角速度数据。本专利技术装置的地理位置信息可来自于GPS、BDS、GLONASS和GALILEO卫星定位导航模块；本实例应用北斗导航模块，其通过TTL串口与单片机驳接，单片机动态获取北斗导航模块的输出数据帧，并从中提取机组所处的地理坐标、速度、海拔和时间信息，并将其与机组的加速度和角速度一起打包为一个数据包，传输至储存卡或无线传输模块；本专利技术装置的储存卡可为SD卡和TF卡；本实例应用SD卡储存模块，其用于储存机组的地理坐标、速度、海拔、时间信息、加速度和角速度数据；本专利技术装置的无线传输模块可为GPRS无线传输模块和WIFI无线传输模块等等；本实例应用GPRS无线传输模块，其用于车载耕地地形自动测量装置到耕地地形信息管理平台的加速度、角速度数据地理坐标、速度、海拔和时间信息的发送；本实例的耕地地形信息管理平台用于接收显示机组的加速度和角速度数据以及地理坐标、速度、海拔、时间信息和三维耕地地形图的绘制。其绘制方法如下，通过叉积法运算将获得的加速度和角速度数据融合之后转变成四元数，再通过上述公式(1)将其转化为欧拉角，然后再利用上述公式(2)得到检测装置底面与水平面的夹角angle，接着通过内置程序将经纬度数据转换为直角坐标数据，根据平面两点之间的距离公式得到两点之间的水平距离distance，而在已知两点与水平面夹角和水平距离的情况下可利用几何知识得到两点之间的高程差，以此类推可得任意两点之间的高程差，因此各点的相对空间位置可得，最后便可matlab内置程序将各点位置在三维坐标系中表示出来并绘成三维地形图；此外，该平台还能将无线获取的数据及结算后的三维坐标数据保存为EXCEL形式，便于日后查看利用。所述的MPU6050六轴传感器在农机作业过程中实时测得机身的运动加速度和角速度数据；单片机根据滑动平均滤波法对机身加速度和角速度进行平滑处理；所述的北斗导航模块实时检测到拖拉机或农业机械的地理坐标、时间、车速、高程信息；所述的SD卡储存模块用于实时储存平滑处理后的加速度和角速度数据以及拖拉机或农业机械的地理坐标、时间、车速和海拔信息；同时GPRS无线传输模块将上述数据实时无线传输到耕地地形信息管理平台(2)。所述的耕地地形信息管理平台(2)接收显示GPRS无线传输模块实时传输的数据，具体处理显示方法如下步骤：步骤S1:耕地地形信息管理平台(2)通过叉积法运算将加速度和角速度数据融合之后输出为四元数；步骤S2：耕地地形信息管理平台(2)通过上述公式(1)将四元数转化为欧拉角；步骤S3：耕地地形信息管理平台(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车载耕地地形自动测绘系统，包括车载耕地地形信息自动测量装置(1)和耕地地形信息管理平台(2)，所述车载耕地地形信息自动测量装置(1)以单片机电路板(1‑1)为核心实时自动测量，包括储存卡(1‑4)，无线数据传输模块(1‑5)，电源(1‑6)，其特征是：单片机电路板(1‑1)与MEMS惯性导航模块(1‑2)通过串行总线建立连接，与卫星定位模块(1‑3)通过串行口通信建立连接，与储存卡(1‑4)通过串行总线建立连接，与无线数据传输模块(1‑5)通过串行口通信建立连接。

【技术特征摘要】
1.一种车载耕地地形自动测绘系统，包括车载耕地地形信息自动测量装置(1)和耕地地形信息管理平台(2)，所述车载耕地地形信息自动测量装置(1)以单片机电路板(1-1)为核心实时自动测量，包括储存卡(1-4)，无线数据传输模块(1-5)，电源(1-6)，其特征是：单片机电路板(1-1)与MEMS惯性导航模块(1-2)通过串行总线建立连接，与卫星定位模块(1-3)通过串行口通信建立连接，与储存卡(1-4)通过串行总线建立连接，与无线数据传输模块(1-5)通过串行口通信建立连接。2.根据权利要求1所述的车载耕地地形自动测绘系统，其特征在于：所述的耕地地形信息自动测量装置(1)安装在拖拉机或农业机械上，其底板外侧标识有相互垂直的带箭头指示线并与拖拉机或农业机械的水平参考面平行；其内部的核心测量单片机电路板(1-1)与底板平行；所述单片机电路板(1-1)上的MEMS惯性导航模块(1-2)与单片机电路板(1-1)平行，其X轴正向与外标横向箭头指示线方向一致，Y轴正向与外标纵向箭头指示线方向一致；底板外侧的纵向指示线与拖拉机或农业机械车身纵向平行，其纵向指示箭头朝向前方。3.一种车载耕地地形自动测绘方法，基于权利要求1所述的一种车载耕地地形自动测绘系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘立意，张宝鹏，唐金科，李晋，汪雨晴，刘冬梅，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23