地面不平度用以描述地面的起伏变化程度,是造成车辆振动的主要因素,直接影响到拖拉机乘坐的舒适性和可靠性^[1]。地面不平度还是土壤风蚀情况、含水量情况、土壤与轮胎耦合研究的重要依据^{[2, 3, 4, 5, 6, 7]}。不论在硬地面或湿软地面,研究地面不平度都具有重要的意义。

现有不平度仪按照与被测面是否接触可分为:接触式和非接触式。利用接触式测量仪器进行软路面不平度测量时由于人和仪器在地面上作业,与土壤互相作用引起变形,使原始地表不平度幅值下降,并使一些频率较高、幅值较小的不平度被压平,起到滤波和平滑的作用,不能精确地测量出软地面不平度值^{[8, 9]}。因此,现有的测量设备大多都采用精度较高的激光测量方法。文献^{[10, 11, 12]}中提供了几种激光地面不平度测量装置,分别使用激光测距仪、激光摄像机、激光扫描仪作为测量设备,虽测量精度较高,但其购买成本较高,推广难度大。

本文在设计非接触式激光地面不平度仪时结合实际测量需要,采用精度高、成本低的激光测距传感器,设计制作基于激光测距技术的自动化地面不平度测量仪,为后续研究及分析提供测量基础。 1 非接触式激光地面不平度仪的设计 1.1 地面不平度的测量原理

激光三角法测距技术是利用光学三角法测距原理。将位移量的光学信号转换成电信号,通过处理后得到距离值。如图 1所示:激光光源B照射到被测目标点,光线经目标点反射的光在CCD图像平面上形成像点。当照射被测目标点的激光光束移动时,对应点在CCD图像平面上的像也移动。在所有固定测试参数已知的前提下,通过测量CCD图像平面上像点的对应位置就能计算出对应距离。图中L为光源到测量目标的最短距离。 根据凯普夫拉格条件^[13],为保证光束方向上的反射光点都能成像在CCD上,应调节物面、像面、透镜主面相交于一点A,因此有:

	图 1 激光三角法测距原理 Fig. 1 Principle of laser triangulation measurement
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结合成像公式可得三角法测距公式:

测试仪选用的测量元件是SICK公司的激光测距传感器,型号为DT20-P214B。传感器利用了光学三角法测距原理,对于漫反射式的被测面有较高的测试精度,表 1为选用传感器性能参数。

	图 2 地面不平度仪的设计样机 Fig. 2 The prototype of surface roughness instrument 1.电源箱Power box;2.可升降支撑脚Adjustable support leg;3.控制箱Control box;4.电脑Computer;5.x轴左步进电机x axis left step motor;6.x轴直线导轨x axis linear guide;7.y轴直线导轨y axis linear guide;8.水平尺Horizontal ruler;9.y轴步进电机y axis step motor;10.坦克链Tank chain;11.y轴滑块y axis sliding block;12.激光传感器Laser sensor;13.x轴右步进电机x axis right step motor
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仪器控制系统主要基于LabVIEW软件开发平台设计。LabVIEW是美国国家仪器公司(NI公司)推出的创新软件产品,增强了用户在计算机上运用硬件设备来构建仪器系统的能力^[14]。将LabVIEW与数据采集仪器设备进行组合,可设计出能代替传统仪器功能的虚拟仪器,同时摆脱了传统仪器的功能限制^[15]。

图 3为基于LabVIEW的控制系统整体方案。通过操作虚拟控制面板,使上位机发送指令给下位机,控制电机运动,实现测量位置控制。激光测距传感器将测量到的数据通过采集设备传送给上位机,由数据采集面板实现显示和储存功能。

	图 3 控制系统的方框图 Fig. 3 Overall scheme of the control system
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激光传感器采集到的模拟信号通过研华USB-4716数据采集卡的转换调理后传送到计算机中,再由软件LabVIEW通过运算采集数据进行实时显示和储存。如图 4所示:面板上的通道号要与实际采集卡中使用的通道数一致。测试前应先将采集界面上有关的参数及数据存储路径进行设置。根据实际采样需要调整采样间隔,输入测试长度及测试试验名称。

	图 4 地面不平度仪采集面板 Fig. 4 Data acquisition panel of roughness instrument
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地面不平度仪的虚拟操作面板是通过单片机与上位机的通信技术实现的,即通过虚拟操作面板控制运动测试台电机的运转。主要运用LabVIEW软件中的VISA仪器控制。VISA是虚拟仪器软件结构体系(Virtual Instrument Software Architecture)的简称,是在所有LabVIEW工作平台上控制VXI、GPIB、RS-232以及其他种类仪器的单接口程序库^[16]。单片机与上位机的通信流程如图 5所示。

	图 5 通信及控制界面操作流程图 Fig. 5 Flow chart of communication and control interface operation
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通过改变激光测距传感器与被测面的距离及对应传感器输出变化在采集卡输入信号的变化,标定出采集卡采集到的模拟信号与实际测量距离间的对应关系。在100~600 mm的有效测试范围内,每隔20 mm测量一个高度值对应的模拟电压信号,每个高度值测量5次,选取5次测量结果的平均值作为这个点的高度对应值,得到标定结果如图 6所示,其直线拟合优度确定系数(R²)为0.999 9。

	图 6 激光测距传感器标定结果 Fig. 6 Laser ranging sensor calibration results
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以直径为50 mm,精度为±0.1 mm的标准半球模型为模板,选取过直径切面上的二维直线进行扫面,采样间隔为1 mm。测试时选取台架基准为502 mm,测试轮廓高度等于基准减去测量数据。将测得数据与理论扫面半圆轨迹进行对比观察,如图 7所示,对比统计分析测量点高度值与理论轮廓点高度值,如图 8所示,图中直线为y=x,即测量点数据等于轮廓点理论数据的理想状态直线。由图中对比可以看出,若对应点越接近于此条直线,则说明测试精度越高^[17]。检验对应点与理想状态直线间的确定系数,计算得R²为0.981 8,均方根误差(RMSE)为0.16 mm,说明非接触式激光地面不平度仪有较好的测试精度,可准确地描绘出地面表面形态。

	图 7 被测半球表面轮廓及测量结果 Fig. 7 Hemispherical surface profile and measurement results
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地面不平度测量试验需要在野外进行数据采集。因测试地面海拔高度不同和测量区域间的高度差等因素给测量数据带来了影响。为了消除这些因素带来的不规则趋势项,需对测量数据进行零均值化预处理。零均值化是针对以样本为频域变换单元而进行的预处理^[18]。 样本的均值由下式计算:

由图 9可以看出:零均值化预处理后数据保持原有的变化趋势,降低了不利因素带来的影响。

	图 9 预处理测量结果对比 Fig. 9 Comparison of the pretreatment measurement results
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试验采取实验田耕地表面不平度参数,绘制三维扫描图。选取南京农业大学农机实验室旁45 mm×50 mm的斜坡耕地为测量模板,图 10为实验现场。设定长度方向采样间隔为1 mm,宽度方向采样间隔为5 mm,扫描速度为10 mm · s^-1,测量时间大约为5 min。测试得到的数据利用Matlab软件进行线性插值后画出三维扫描图(图 11)。在实际测量使用中,还可根据测量需要改变采样间隔和扫描速度,如设定1、2和3 mm(测量速度分别为10、20和30 mm · s^-1)的采样间隔以达到不同的扫描精准度。

	图 10 实验现场 Fig. 10 The experimental field
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	图 11 耕地地表三维不平度测试结果 Fig. 11 Test results of arable land surface roughness
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1)本文基于激光三角测距技术原理设计并制作了非接触式激光地面不平度仪,仪器主要由运动测试台架、数据采集部分、虚拟控制部分组成,为地面不平度数据测量提供了一种先进的测量工具。

2)地面不平度仪利用精度达±2 mm的激光测距传感器为测量元件,通过数据采集设备将测试数据传给上位机进行显示、储存和处理,利用虚拟操作面板控制运动测试台改变采样间距,实现自动化测量,为后期研究提供方便。

3)文中通过精度检验试验验证了非接触式激光地面不平度仪的测量精度,结果表明检验试验测量数据均方根误差为0.16 mm,地面不平度仪能够准确地测量出地面的不平度状况,测试后利用零均值化方法对测试结果进行预处理,减小了测量中不利因素的影响,为进一步进行地面不平度研究提供支持。