一种农田激光平地机中激光接收器及安装测试方法与流程

本发明涉及一种激光接收器，尤其是涉及一种农田激光平地机中激光接收器及安装测试方法。

背景技术：

农田激光平地机是目前世界上最有效、工作效率最高的农田土地平整技术。农田激光平地机主要由激光扫平仪、激光接收器、液压控制系统、农耕机和平地铲等设备组成。上世纪90年代开始，欧美等一些发达国家就已经研发出了一系列的农田激光平地机，并很快地得到了普及应用。我国于21世纪初引进国外生产的农田激光平地机，并在新疆等地区投入使用，但由于国外生产的农田激光平地机价格昂贵，且与之配套的驱动农具与国内所采用的技术标准不同，因而都没有得到有效地推广。

我国对农田激光平地机的研究主要集中于平地铲和液压系统，而对其中核心设备激光接收器的研究较少。针对农田激光平地机在我国的推广和使用中遇到的问题，本发明研究并设计出一种能够适应国内农田作业环境，并可以安装在现有的国产农耕机平台上进行平地作业激光接收器。

技术实现要素：

本发明设计了一种快速采样的激光接收器，完成其硬件、软件及结构设计。根据农田整平的环境要求设计基于硅光电池的排列结构，利用傅立叶变换的方法对信号频谱特性进行分析，设计了快速稳定的信号调理电路。根据农田激光平地机高程定位原理引入激光接收器高程差检测方法，完成数据采集、滤波处理和抗干扰设计。

本发明的具体技术方案如下：

第一部分为本系统的传硅光电池感器排布阵列设计，包括硅光电池分区排列及传感器检测电路板设计；第二部分为本系统的信号调理电路设计，包括输入信号放大滤波处理及输出信号峰值电压提取；第三部分为本系统的数据处理算法设计，包括模数转换及数据的排序中值滤波处理，激光位置信号判断程序设计。

本发明主要采用如下技术方案：

一种农田激光平地机中激光接收器，其特征在于：包括固定在移动机构上的固定圆盘，所述固定圆盘上通过固定组件固定有若干硅光电池阵列电路板，所述硅光电池阵列电路板的通过导线与激光接收器信号调理电路板相连。

在上述的一种农田激光平地机中激光接收器，所述固定组件包括L型固定件和至少四个支架，支架通过L型固定件垂直固定在固定圆盘上从而形成四面立柱的形式，每个面设有硅光电池阵列电路板。

在上述的一种农田激光平地机中激光接收器，所述硅光电池阵列电路板包括若干排成一列的硅光电池，硅光电池长宽均为2cm，作为光电转换传感器，利用至少11块硅光电池作为一列以保证接接收器能够接收到高程差在-11cm～11cm范围内的变动；利用四列硅光电池阵列组成菱形结构分别在四个纵向排列能够使激光接收器全方位接收到信号；将每列硅光电池从上到下分为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7几个区域，其中位于上下两端的A1、A2、A6、A7区域是由两块硅光电池两两并联组成，靠近中心位置的A3、A4、A5区域为单个硅光电池，原来的11块硅光电池经过组合和区域划分之后留出7路信号输出；同理，第二列硅光电池的排列从上到下为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7，第三列为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7，第四列为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，将每列硅光电 池阵列对应区域的信号并联即可同时接收处理四路硅光电池阵列的信号。

在上述的一种农田激光平地机中激光接收器，所述激光接收器信号调理电路板包括：由低频运算放大器TL064加电阻电容构成的带通滤波及放大电路，两级放大电路的放大倍数达到10000倍，带通滤波器的中心频率为10kHz；利用二极管1N4148和电荷储存性较好的涤纶电容构成的峰值采样电路；模拟开关MC14066作为采样通道选择及峰值检测放电电路；线性稳压芯片LM7505构成的5V稳压电路和ICL7660实现的DC-DC正负电源转换电路；以及单片机STC12C5608AD最小控制系统电路，该控制器内部自带A/D转换器对峰值采样电荷进行模数转换。

一种农田激光平地机中激光接收器的安装测试方法，包括：

安装步骤：将的四个支架6通过L型固定件2固定在激光接收器底部固定圆盘1上，然后需要将硅光电池阵列电路板固定在支架6上，通过上下共四个螺孔固定，注意硅光电池阵列电路板的接线口3要朝着外面便于接线，最后将硅光电池阵列电路板的接线插口通过导线与激光接收器信号调理电路版上的插槽相连；

测试步骤：采用激光扫平仪发出水平的激光平面对其测试，当激光线打在接收器阵列A1、B1、C1、D1区域位置上时，信号调理电路板上1号灯亮，移开激光线1号灯迅速熄灭；同理，当激光线打在接收器阵列其它区域时，信号调理电路板上对应位置的灯亮，说明激光接收器可以正常工作。

一种农田激光平地机中激光接收器的安装测试方法，包括：

安装步骤：将的四个支架6通过L型固定件2固定在激光接收器底部固定圆盘1上，然后需要将硅光电池阵列电路板固定在支架6上，通过上下共四个螺孔固定，注意硅光电池阵列电路板的接线口3要朝着外面便于接线，最后将硅 光电池阵列电路板的接线插口通过导线与激光接收器信号调理电路版上的插槽相连；

测试步骤：采用激光扫平仪发出水平的激光平面对其测试，当激光线打在接收器阵列A1、B1、C1、D1区域位置上时，信号调理电路板上1号灯亮，移开激光线1号灯迅速熄灭；同理，当激光线打在接收器阵列其它区域时，信号调理电路板上对应位置的灯亮，说明激光接收器可以正常工作。

本发明所述的第一部分采用长宽均为2cm的硅光电池作为光电转换传感器，利用11块硅光电池作为一列以保证接接收器能够接收到高程差在-11cm～11cm范围内的变动，这个范围能够保证农田土地平整度波动。利用四列硅光电池阵列组成菱形结构分别在四个纵向排列能够使激光接收器全方位接收到信号。将每列硅光电池从上到下分为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7几个区域，其中位于上下两端的A1、A2、A6、A7区域是由两块硅光电池两两并联组成，靠近中心位置的A3、A4、A5区域为单个硅光电池，原来的11块硅光电池经过组合和区域划分之后留出7路信号输出。同理，第二列硅光电池的排列从上到下为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7，第三列为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7，第四列为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，将每列硅光电池阵列对应区域的信号并联即可同时接收处理四路硅光电池阵列的信号。

本发明所述第二部分中滤波电路采用一阶低通滤波器和一阶高通滤波器组合滤除输入信号中混杂的低频和高频杂波，峰值提取电路设计采用二极管和电容器构成简单的峰值采样电路。为了防止电容器中的电荷被其他部分电路负载消耗，在峰值采样电路的输入和输出端增加运算放大器缓冲隔离，并在最后通过模拟开关接地的方法对峰值采样电容中的残余电荷进行放电处理。

本发明所述第三部分是激光接收器的高程定位计算，对采集的数据进行滤波 处理以消除因抖动产生的系统误差。通过循环扫描读取7个通道传感器数据，将其滤波之后排序，结果最大的一路为激光信号所在位置，各路传感器在相同条件下的背景噪声相差不大，可以有效地去除背景噪声的影响。并通过设计在电路板上的指示灯显示激光信号的位置。

本系统使用硅光电池作为接收器的光电转换器件，通过合理的设计传感器阵列的布局，以及可靠的信号调理电路，可以保证激光接收器在360度半径150米的范围内全方位快速有效地接收到激光信号，设计了稳定的数据处理算法，保证接收器能够稳定工作且有效定位。上面所述的三个部分有机的结合在一起完成了农田激光平地机中激光接收器的设计，缺一不可。

附图说明

图1是农田激光平地机的工作示意图。

图2是激光接收器传感器阵列的总体结构装配示意图。

图3是硅光电池阵列内部连线电路图，图中标号相同的输出端子表示连接。

图4A是激光接收器信号调理电路图。(激光接收器传感器阵列的7路输出信号分别与信号调理电路板上的7路输入信号连接，通过采样电阻将硅光电池传感器输出的电流信号转换为电压，信号调理电路将信号进行滤波放大，最后通过模拟开关依次选择需要采样的通道，单片机采集所有通道并计算。)

图4B是激光接收器电路板框图。

图5A是接收器电路板总体电路图中由低频运算放大器TL064构成的两级放大和滤波电路图(放大倍数为10000倍，滤波器中心频率为10kHz)。

图5B是接收器电路板总体电路图中模拟开关通道选择电路图，用于选择硅光电池阵列的7路输出信号，双通道模拟开关的另一通道输出接地用于对峰值采样电路中的残余电荷放电处理；

图5C是接收器电路板总体电路图中由线性稳压芯片LM7805和电容构成的+5v稳压电路为单片机和模拟开关供电电路图；

图5D是接收器电路板总体电路图中由ICL7660构成的+5v转+5v和-5v电路图，主要为TL064作双电源供电；

图5E是接收器电路板总体电路图中单片机最小系统电路图，包括晶振和复位电路，单片机内部集成A/D转换器电路。

图6是接收器底部圆盘工程图，图中单位为mm。

图7是接收器阵列固定杆工程图，图中单位为mm。

图8是接收器阵列电路板工程图，图中单位为mm。

具体实施方式

下面将结合附图和实施过程对本发明做进一步的描述说明，但该描述仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图中，7为农田土地，8为农耕机，9为激光水平面，10为固定激光接收器的支架，11为激光接收器，12为激光接收器固定杆，13为液压泵，14为平地铲，15为激光扫平仪，16为扫平仪固定支架。h1和h2分别为激光水平面到地平面的高度和接收器底端到地平面的高度。

1为接收器底部固定圆盘，2为固定接收器阵列的L型固定件，3为传感器信号输出接口插槽，4为接收器阵列电路板，5为硅光电池片，6为硅光电池阵列电路板固定支架。

一、首先介绍本发明的机构。

本发明包括固定在移动机构上的固定圆盘，所述固定圆盘上通过固定组件固定有若干硅光电池阵列电路板，所述硅光电池阵列电路板的通过导线与激光接收器信号调理电路板相连。

固定组件包括L型固定件和至少四个支架，支架通过L型固定件垂直固定在固定圆盘上从而形成四面立柱的形式，每个面设有硅光电池阵列电路板。

在本实施例中，硅光电池阵列电路板包括若干排成一列的硅光电池，硅光电池长宽均为2cm，作为光电转换传感器，利用至少11块硅光电池作为一列以保证接接收器能够接收到高程差在-11cm～11cm范围内的变动；利用四列硅光电池阵列组成菱形结构分别在四个纵向排列能够使激光接收器全方位接收到信号；将每列硅光电池从上到下分为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7几个区域，其中位于上下两端的A1、A2、A6、A7区域是由两块硅光电池两两并联组成，靠近中心位置的A3、A4、A5区域为单个硅光电池，原来的11块硅光电池经过组合和区域划分之后留出7路信号输出；同理，第二列硅光电池的排列从上到下为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7，第三列为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7，第四列为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，将每列硅光电池阵列对应区域的信号并联即可同时接收处理四路硅光电池阵列的信号。

如图4A所示，激光接收器信号调理电路板包括：由低频运算放大器TL064加电阻电容构成的带通滤波及放大电路，两级放大电路的放大倍数达到10000倍，带通滤波器的中心频率为10kHz；利用二极管1N4148和电荷储存性较好的涤纶电容构成的峰值采样电路；模拟开关MC14066作为采样通道选择及峰值检测放电电路；线性稳压芯片LM7505构成的5V稳压电路和ICL7660实现的DC-DC正负电源转换电路；以及单片机STC12C5608AD最小控制系统电路，该控制器内部自带A/D转换器对峰值采样电荷进行模数转换。

二、下面介绍下本发明的测试方法。

1、首先要安装的是激光接收器传感器阵列，将图2中的四个支架6通过L型固定件2固定在激光接收器底部固定圆盘1上，然后需要将硅光电池阵列电路 板固定在支架6上，通过上下共四个螺孔固定，注意硅光电池阵列电路板的接线口3要朝着外面便于接线，最后将硅光电池阵列电路板的接线插口通过导线与激光接收器信号调理电路版上的插槽相连。

2、测试：要测试激光接收器是否正常工作，主要看它是否能够准确定位激光位置。采用激光扫平仪发出水平的激光平面对其测试，当激光线打在接收器阵列A1、B1、C1、D1区域位置上时，信号调理电路板上1号灯亮，移开激光线1号灯迅速熄灭；同理，当激光线打在接收器阵列其它区域时，信号调理电路板上对应位置的灯亮，说明激光接收器可以正常工作。

尽管本文较多地使用了激光接收器，硅光电池阵列，高程定位，傅立叶变换，中值滤波等专业术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。