葡萄园小型开沟机的设计【三维PROE】【含14张CAD图纸和文档资料终稿】
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三维PROE
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为农业机械提供位置数据测量 Herman Speckmann 原文来源:Federal Agricultural Research Centre Braunschweig (FAL), Institute for Biosystems Engineering, Bundesallee 50, D-38116 Braunschweig, Germany 摘要农业机械、车辆需要位置数据来指导和控制执行最佳工作位置。位置数据也被需要用在像精细农作这样的应用上。位置数据的必要的准确性、分辨率和频率依照不同的应用而变化。只有一个系统,安装在中央车辆(例句、拖拉机),应该提供对每项任务的位置数据。提出的关于中央系统的基本概念是位置数据按照特定应用程序计算并且直接被传送到它需要被应用到的那个点上。这片论文阐述了测量的基本原理和位置数据的计算，还对现有的传送数据的农业网络进行了简要介绍。它集中建议了一个提供和转移位置数据的网络服务。被讨论的解决方案是以农业BUS（总线）系统为基础(DIN 9684, ISO 11783). 2000 Elsevier Science B.V. 版权所有.1.前言 位置指导的目的是给生长在农田里一个固定的区域上的庄稼带来增产的方法。庄稼或者它们在农田里所处的位置是指导的重要参照。位置数据被用来指导农用车、实现控制和支持精耕农业。准确性、分辨率和频率取决于他们的具体应用。必须强调的是本文没有合适的解决这个问题的传感器来产生数据。更确切的说,这里研究的问题是参照移动单位的一定的位置进行了一个位置信号产生,但是这个位置和需要的位置数据并不是完全一致的。此外，位置信息有可能在同一时间被需要用于几种目的， 车辆和工具组合的结构可能会经常改变。正如 Freyberger 和 Jahns (1999), Wilson (1999)所提到的， 测量系统可以是一个绝对定位系统,比如Bell(1999)描述的卫星系统，或者是一个相对的系统，比如Debain et al. (1999), Hague et al. (1999)描述的机器视觉系统。它可能也包括辅助传感器。传感器只有在参考具体位置情况下测量位置，比如相机的安装点、天线的底部。在接下来的描述中，这个位置被称为测量点。由于各种原因,这位置测点的是预先设定好的，意味着卫星天线将尽可能安装在拖拉机的车顶上以便减少测量不到的区域。摄像机将会安装在有保障最佳视觉的位置。粗糙或倾斜的表面引起的运动可能导致测量位置和运动表面的位置不同。例如，一辆车顶上装有卫星天线的车辆，大约3.5m，驾驶在10的斜坡表面，倾斜方向造成的区别相差60cm。图1阐述了这个情形。在这个例子中，计算一个参考点的位置可能更适当一些。贝尔(1999)提出把拖拉机的后方轴的中点作为参考点。表面上的一个点，例如，后方轴中间的下垂直面似乎显得更适合与某些应用。像一些应用，比如控制实现，工具的一定点的位置可能最终重要。这个点将被称作目标点。在某些情况下位置数据需要用于不同的目的，分别为每个目的以一种独立的测量系统测量位置不是很有效。当位置测量只有一次时多个硬件可以避免,同时工具上其他点的位置或者工具也被计算。假如位置和方法被测量，实验测量和空间向量之间的地点测点的计算是众所周知的，那么这种情况是可能的。如果两个点严格耦合,这意味着两点都在拖拉机上、两点之间的向量是常数,一个简单的矩阵运算就能产生结果。如果这些点没被严格耦合,这意味着,例如,一处拖拉机,另一个是在附加工具上，矢量是可变的。额外的测量成为必要用来建立两点之间的向量或必须应用其他原理计算目标点的位置。2.数据处理和数据转移通过计量点上的测量位置和方法，在车辆或工具上任何点的位置数据可以被计算出来。计算结果可以被测量系统(中央数据处理)或由请求目标位置数据的各个系统(分布式数据处理)计算出来。2.1 分布式数据处理在分布式数据的情况下，测量系统仅作为智能传感器服务。它测量需要的位置和计算，和提供这些未经处理的数据。频率和精度等特点取决于请求的单位。这个单位执行所有处理来计算位置。单位必须知道测点的位置和各有关参数。这样处理的好处是测量装置可以相对简单。另一方面,每个请求的单位需要的充分的能力来履行这一运算。2.2 中央数据处理测量单位被扩展包括计算目标位置的各个组件。这个测量和处理系统形成了一个所谓的位置和导航服务的单元，这个单元提供任何目标点的最终位置数据。在这种情况下,只有一个测量与处理系统是必要的，即使位置数据必须被更多的用户要求。这样做，只有PNS必须知道所有相关的参数来进行计算。2.3 数据传送 无论数据在哪里处理，一个数据传输是必要的。对于这样一个数据传输，一个标准的网络是适当的。为了用于农业领域,存在一个在移动单位和固定农场电脑之间传输数据的汽车。农业总线系统(LBS)也已被标准化以便能在网路的各个电子单元（LBS节点或BUS节点）之间进行信息交换。这个标准定义了物理层网络，网络协议，系统管理，数据对象和常见任务的服务程序（Speckmann andJahns, 1999）。LBS以DIN9684(DIN,19891998)作为标准。目前,正在努力建立一个国际标准(Nienhaus,1993)，ISO 11783，为了这个目的，像LBS，ISO 11783也将定义一个农业BUS作为一个农业机械交换数据的开放系统，特别是在拖拉机-执行工具的组合和从移动单位到静止不动的农场计算机。这个标准是基于控制器区域网络数据协议(CAN; BOSCH, 1991)。市场上有相应的硬件设备。在LBS中,为一般位置数据(地理位置:经度、纬度、高度,或轨道位置)的传输定义了数据对象。这标准允许定义的额外的数据对象,例如多维的距离，方向和速度。没有几何实施参数的数据对象目前存在在LBS中。ISO 11783提供，在第7部分(信息实现应用层），实施航行偏移的第一个定义。现行标准没有定义数据在哪里进行处理。因此，关于BUS中哪个单元计算目标点的数据，哪个或那些单元测量数据不具体。LBS提供所谓的LBS服务来执行常见任务。LBS服务是为LBS的参与者频繁地执行复发的任务的功能单元。LBS用户站就是这样的一项服务。这是一个为用户提供输入和输出BUS上节点(BUS参与者)处置的数据中央接口。另一项服务提供在移动单位和固定的电脑，农场的电脑之间的数据交换。一些服务在LBS中被定义但尚未有详细的标准，例如诊服务断或“Ortung und Navigation”（位置和导航），将在下面作为PNS被讨论。在图2中，一个典型的农业网络的简化方案展示了一个拖拉机-喷雾器的组合。这个图表包括物理BUS线路，即骨干网络。在这个BUS上，参与单元如拖拉机的电子控制单元(ECUs)、雾化器被连接协作起来。另外，两项LBS服务也被连接到BUS上。一项服务代表LBS用户站。另外一项是位置和导航服务，即位置数据的测量和处理系统。2.4 分布式和中央数据处理的比较一个分布式数据处理，农业BUS，根据DIN 9684 或者ISO 11783， 定义了在测量系统和任何参赛者之间必要的数据交换；独自地，任何一个ECU。每一个ECU怎样得到计算机位置数据计算必要的几何和运动参数的问题保持开放。每一个ECU知道从各自的结合点到目标点的参数，但它不知道从结合点到测量点的参数。这些参数必须由其他ECU提供。没有标准定义相应的数据对象或请求数据的程序。对于分布式数据处理，这些定义必须补充。另外,对于中央数据处理，一定要知道测量点和目标点之间所有的运动参数。此外，方法必需被定义以便使用中央服务计算目标点的位置数据。一个位置和导航服务需要扩展标准，但以下的优点在实际使用中是至关重要的。 为了确定目标点的位置数据,相应的控制单元(ECU)只有一个对话伙伴网络。它独立工作于各自的网络配置，仅仅发送自己的参数和只接受它特定位置数据。 PNS从所有的ECU上接受参数。它知道所有一切几何条件和车辆-工具组合的运动参数。因此，任何目标点位置的确定是可能的。 这个标准的定义了计算程序和明确的提出了目标点的位置数据。 计算位置数据的计算性能完全由PNS提供。没有计算能力需要用于这个目的。在前一节提到，提供位置和导航数据的服务已经在LBS的计划中。在下文中，将提到PNS的一个试例解决方案。3.一项定位和导航服务的提议此时，应当指出，下面的PNS的介绍是一项建议。它提供了一个平台进行讨论，这可能导致这个服务标准化。3.1 PNS的主要特征PNS的特征首先依赖于它的使用目的。从前面所讲的，很明显的是，测量的位置数据在一个地点，用在不同的地点。为了提供需要的数据来指导车辆，控制工具的位置和协助任何一种精耕农业，下面的条件必须满足： PNS提供有关测量点的数据。 PNS提供有关参考点的数据。 PNS提供有关目标点的数据。这项服务的特点如下：1.数据的请求和传播的方式已经标准化，数据被LBS (DIN 9684)定义和将被ISO 11783标准化。因此，它将不会在此讨论。在下面,LBS将作为一种标准化的农业BUS系统被使用。2.数据的容量、准确性、频率和范围是由数据的目的决定的。3.满足这些要求的硬件和软件不应被规范,应该取决于生产厂家。3.2关于位置数据测量和计算方法标准的影响各种测量系统和PNS中用于决定位置数据的方法不再标准的范围之内。基于卫星,机器视觉、惯性导航、地磁或这些情况的组合可能被应用。作为一种结果,生产企业可以决定如何产生位置数据，只要他满足了规定的要求和准确性。3.3 PNS在农业BUS系统中的整合在LBS中整合定位和导航服务存在一些好处，因为许多特性已经被定义。LBS已经包括在PNS的选项作为试验的标准。它允许实现服务作为一个独立的物理单位或者为另外一个物理单位的逻辑单位。BUS接口和BUS协议的物理性能(DIN 9684, part 2)已经被标准定义。为LBS中服务的集成，系统的功能的定义是果断的(DIN 9684，part3)。他们在LBS中定义节点的性能。第三部分也给了LBS服务一般的定义。一项LBS服务形成与LBS参与者点对点的连接。LBS参与者使用服务时不会被其它使用者影响，一个LBS参与者也不能影响其他参与者对服务的使用。所有进一步PNS的定义还不规范。3.4 PNS操作的一般模式PNS设计应用以下的基本假设：1.每一个ECU的只知道它自己的参数，包括参考点、目标点、结合点位置、车辆类型或轴距的坐标和数量。2.只有ECU根据工作条件可以定义必要的时间间隔,准确度和位置数据的分辨。3.每一个ECU的可以选择不同的任意时刻的位置数据。4.参数和计算和提供的位置数据的方法将会在田野机械开始运作过程之前被定义。5.PNS提供了一些程序为实施标准和车辆类型计算位置数据。6.位置数据自动（周期性）地或根据需求被提供。 为了满足这些要求,服务窗口提供适当的工具，同时 ECUs 决定如何使用及使用哪个工具。这意味这它们定义一个或者多个任务。这样一项任务基本上代表了一个命令表，包括激活具体工具使用的命令。这些任务被送到PNS，随后PNS执行这些任务。一个ECU的不同的任务相互独立的被执行。图3阐明了PNS与一个ECU之间的数据传递。同时，也显示了PNS的主要部分。PNS的这些工具包括位置测量系统和测量点的数据，以及一系列处理这些数据的程序方法。程序如下：1. 计算位置数据(位置程序)；2. 计算位置数据值的平均值,最大值、最小值和积分的方法(算术程序)；3. 输入和输出数据(传输程序)；4. 传递数据到ECU（传递程序）；5. 控制数据处理（数据控制程序）；为了这些方法的执行，ECU必须定义相应的参数。它同时也定义位置数据的数据对象。PNS的主要工具是一项执行ECU定义的任务的程序系统。简而言之，程序系统解释任务指令，调动相应的方法，计算要求的位置以及把数据送到ECU（电子控制单元）。为了一项任务的定义，ECU生成一个任务库。一个务库主要是一系列调动PNS的程序法或者调动内嵌的任务库的指令。各种参数被定义并且放置在参数库里。为了存储被计算的位置数据，ECU必需定义数据库。数据库必需在激发相应任务程序之前通过BUS从ECU传送到达PNS。3.5 PNS预定义的程序PNS预定义的程序是一些处理位置数据或者控制数据处理的程序。不同的程序执行不同的功能。不同的程序被一些独特的标识符区别。这些程序被称为“内部任务”（任务库）。他将会成为标准的一部分用来定义标识符，功能规格和调用程序规格。3.5.1 位置程序位置程序（计算位置数据的程序）是计算目标点位置数据的数据。这些方法计算从最初的位置(输入位置数据、资料的参考点的数据或以前计算的数据）到一种新的点的位置(输出的位置数据、数据的目标点或作为中间结果)。位置程序能够满足不同结构位置的计算（考虑一、二或三维模型，严格耦合点，几个基本类型车辆的不严格耦合点，工具和车辆-工具的结合）。这些程序从有关ECU执行定义的参数库得到他们的实际参数(目标点的坐标,车辆的长度、宽度、高度、类型或轴距)这是确定的有关实施ECU的。图4显示了使用一个位置程序的一段任务库。PNS的程序系统执行这个程序库。在任务库的某一点上，它发现调用位置程序的指令。这个调用指令包括特定程序的标识符和有关参数库的引用。这时，程序系统拥有由以上的操作产生的实际位置数据。现在它使用这些实际数据作为输入数据,和引用参数库用于位置程序。然后，它执行特定的程序。该程序使用指定的参数计算输出的位置数据。然后，它返回到程序系统。位置程序的输出数据成为新的实际位置数据。程序系统继续执行下面的指令。3.5.2 算术程序算术方法被用来计算位置数据的平均值,最大值、最小值或者积分值。一个算术程序从程序系统的实际位置数据或从特定数据库得到位置输入数据。它使用在调用指令里决定的参数库中的参数计算输出位置数据。然后，计算结果数据被存储在一个被定义的数据库里。图5展示了一个算术程序使用的例子。在任务库的某一点上，它发现调用算术程序的指令。这个调用包括具体程序的标识符,一个有关参数库的引用,一个目的数据库的引用和源数据库选择性的引用。这个程序系统采用实际
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