土壤表面不平度数据采集系统设计与试验

李志峰

摘要 基于激光测距传感器的基础上，设计开发了非接触式土壤表面不平度测试仪，由Labview软件编制了数据采集系统，测试仪沿着3个方向运动，采集了3种耕作方式下的土壤表面不平度数据。采用均方根法对采集数据进行分形维数的计算，获得了土壤表面不平度的分形特征。结果表明，犁耕表面分形维数均小于1.390，驱动耙耙地表面的分形维数均大于1.550，圆盘耙耙地表面的分形维数介于1.460～1.540，说明分形维数可以准确区分不同耕作方式下的土壤不平度。综合应用分形维数与表面不平度标准差能够准确描述土壤表面的不平度特征。

关键词 表面不平度；分形维数；非接触测试

中图分类号 S152.9 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）09-0194-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.056

Abstract Based on the laser sensor， we designed and developed the noncontact measuring instrument of the soil surface roughness with the data acquiring system drawn by software Labview.The instrument moved along the three directions to acquire the soil surface roughness in the fields with three treatments.Then the acquired data were analyzed by the root mean square method to obtain the fractal features of the soil surface roughness.The experiment results indicated that the fractal dimension of the ploughed surface were 1.390 and 1.550 for harrowed surface and 1.460～1.540 for disc harrowed surface.The fractal dimension could accurately distinguish the soil surface roughness under different farming methods.The complex of the soil surface roughness standard deviation and fractal dimension could be used to accurately describe the roughness features of the soil surface.

Key words Surface roughness；Fractal dimension；Noncontact measurement

土壤表面不平度是對地面的微观几何尺寸特性进行评价的主要指标。车辆在粗糙程度不同的地面上行驶时会产生各方向的振动，进而影响乘坐的舒适性。因此，在进行车辆平顺性和动力性能评价时，需要获得准确的路面信息，对地面有足够的了解[1]。快速而精确获得地面不平度数据对于研究农用车辆-地面相互作用具有重要的意义[2-6]。另外，土壤表面不平度对土壤风蚀、表面颗粒的形成起着重要作用[7]，通过对该指标分析可预测土壤风蚀。因此，汽车与农业工程研究人员一直将地面的不平度作为重点研究对象。

地面不平度的测量方法主要有2种：接触式和非接触式测量法[8]。由于非接触测量具有测试效率高、测试结果精确等优点[9-10]，因此利用非接触方法测量路面不平度得到广泛应用。笔者对自行设计的非接触式表面不平度测量仪的结构及原理进行了介绍，采集了不同地面的数据信息，并对数据进行了分形维数及表面不平度标准差特性分析，最后提出了可靠的地面不平度评价方法。

1 材料与方法

1.1 地面不平度测试仪设计

路面不平度测试装置如图1所示，该测试系统主要由硬件控制部分和软件数据处理部分组成。硬件控制部分包括单片机控制器、步进电机及其驱动模块、滚珠丝杠滑台、支架及激光测距传感器等，主要实现硬件系统的支撑、上位机指令的接收，步进电机的停转与方向切换等。软件数据处理软单元由LabVIEW2010编写，实现控制命令的发送、测量数据的处理与显示、激光传感器和步进电机的启动与关闭及其工作同步的控制等。

该装置采用激光测距传感器采集不平地面与测距仪之间的距离数据信息。测量时上位机控制步进电机驱动激光测距传感器在滚珠丝杠上水平移动，其采集的数据信息通过串口发送给计算机进行保存。该土壤表面不平度测试仪的有效测试长度为1 024 mm，采样间隔1 mm。

1.1.1 硬件部分设计。

硬件控制系统以滚珠丝杠滑台为平台进行搭建，长度为1.2 m，导程为5 mm，支架距地面的可调高度为0.6～1.0 m，配有步进角为1.8° 的42HD1403型两相四线步进电机及高细分步进电机驱动器2HD403。采用深圳盈勤科技有限公司生产的SRF020M01A激光测距传感器进行土壤不平度的数据测量，该传感器测量范围为0.2～2.0 m，分辨率为1 mm，数据接口为RS232转USB。测量过程中激光传感器被固定在滑块上，随丝杠做水平方向上的往返运动，数据传输接口直接与计算机的USB接口连接。控制器采用STC89C52单片机作为核心处理单元，程序设计采用的集成开发环境为Keil-μVision4，通过串口中断方式接收来自上位机软件的控制命令，控制步进电机驱动模块的工作状态。步进电机驱动器工作电压为直流24 V（外接电源），单片机控制系统工作电压为直流5 V（计算机串口供电）。

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