一种基于FPGA的激光平地机控制系统的制作方法

一种基于fpga的激光平地机控制系统
技术领域
1.本实用新型涉及自动控制领域，更具体地说是一种基于fpga的激光平地机控制系统。


背景技术：

2.我国是一个人口众多的大国，农业在国民经济发展中起到了至关重要的作用。农业发展的主要方向是现代化农业，这就要求农业装备实现机械化和自动化。
3.我国的耕地面积分布集中，提高耕地的平整精度是农作物产量和可持续发展农业的必要保证，对耕地进行全程机械化平整是我国实现现代化农业的必要途径。此外，农作物的灌溉用水在我国水资源利用中占很大比例，采用节水灌溉的新技术可以提高耕地的灌溉效率，缓解我国水资源短缺的现状。但是，节水灌溉技术对耕地的平整精度有很高的要求。对耕地进行高精度的平整作业能够使表面土壤分布均匀，有利于实施节水灌溉技术，降低农作物的病虫害，提高化肥的利用率，减少过度施肥对环境造成的污染。传统的平地机大多自动化程度不高，从而导致系统操作较为复杂，平整作业精度较低。


技术实现要素：

4.针对现有的平地机自动化程度较低，导致系统操作较为复杂，平整作业精度较低等问题，本实用新型设计了一种基于fpga的激光平地机控制系统，该系统在平地过程前能够半自动测量平均高程，自动调节平地铲高度；在平地过程中能够实时调整平地铲的高度和倾角，显示出地块的高程，并计算出土地的平整精度，便于用户实时操作；利用gps定位技术，能够算出土地平整作业的面积，便于用户统计管理，有效达到了提高平地机的平整作业精度和自动化程度的目的。
5.为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：
6.一种基于fpga的激光平地机控制系统，包括激光发射模块、传感器模块、控制模块、执行模块和平地铲，所述传感器模块包括：
7.光敏传感器，其输入端接收激光发射模块发射的激光信号，输出端与所述控制模块的输入端连接，将接收的激光信号输送至控制模块中；
8.倾角传感器，其输出端与所述控制模块的输入端连接，用于监测平地铲的倾角变化；
9.超声波测距传感器，其输出端与所述控制模块的输入端连接，用于检测地面高度；
10.gps定位传感器，其输出端与所述控制模块的输入端连接，用于实时提供位置信息；
11.所述控制模块的输出端与所述执行模块的输入端连接，所述执行模块的输出端与所述平地铲连接，用于控制平地铲动作。
12.进一步的技术方案，所述超声波测距传感器位于所述光敏传感器的上方，激光平面到地面的距离h4根据超声波测距传感器、光敏传感器、激光发射模块以及地面的高度计
算：h4＝h
1-h
2-h3，其中，h1为超声波测距传感器与地面的高度，h2为超声波测距传感器与光敏传感器之间的距离，h3为光敏传感器接收到激光发射模块发出的激光信号的位置。
13.进一步的技术方案，还包括判决与报警模块，其输入端与所述控制模块的输出端连接，用于判断控制模块输入的控制命令是否超出平地铲工作姿态的调整范围。
14.进一步的技术方案，还包括用于显示地表三维模型的显示模块，其输入端与所述控制模块的输出端连接。
15.进一步的技术方案，所述控制模块采用芯片型号为ep4ce115的fpga开发板。
16.进一步的技术方案，在所述传感器模块与所述控制模块之间设有ad转换模块，所述ad转换模块采用芯片型号为ads7890，其中ads7890的sclk、sdo引脚均与ep4ce115的gpio接口相连接。
17.进一步的技术方案，所述激光发射模块采用型号为fu650d5-bc69-gtxd的激光发射器。
18.进一步的技术方案，所述倾角传感器的型号为sca60c。
19.进一步的技术方案，所述超声波测距传感器的型号为us-015。
20.进一步的技术方案，所述gps定位传感器的型号为wtgahrs3。
21.采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
22.(1)本实用新型的一种基于fpga的激光平地机控制系统，该系统在平地过程前能够半自动测量平均高程，自动调节平地铲高度；在平地过程中能够实时调整平地铲的高度和倾角，显示出地块的高程，并计算出土地的平整精度，便于用户实时操作；利用gps定位技术，能够算出土地平整作业的面积，便于用户统计管理，有效达到了提高平地机的平整作业精度和自动化程度的目的。
23.(2)本实用新型的一种基于fpga的激光平地机控制系统，采用具有高速并行处理能力的fpga开发板，拥有丰富的借口逻辑，大大提高了整个系统的可扩展性、灵活性与可移植性。
24.(3)本实用新型的一种基于fpga的激光平地机控制系统，系统结构简单、使用方便、可操作性强。
附图说明
25.图1为本实用新型的逻辑流程框图；
26.图2为本实用新型的结构示意图；
27.图3为本实用新型测量地表三维数据的示意图；
28.图4为本实用新型执行模块的工作流程图；
29.图5为本实用新型ad转换器的工作原理图；
30.图6为本实用新型vga控制的工作原理图；
31.图7为本实用新型判决与报警模块的工作电路图；
32.图8为本实用新型fpga开发板的示意图。
具体实施方式
33.为进一步了解本实用新型的内容，结合附图对本实用新型作详细描述。
34.实施例
35.本实施例的一种基于fpga的激光平地机控制系统，如图1至图8所示，包括激光发射模块、传感器模块、ad转换器、控制模块、判决与报警模块、执行模块和显示模块。传感器模块包括光敏传感器、倾角传感器sca60c、超声波测距传感器us-015和gps定位传感器wtgahrs3，光敏传感器用于接收激光发射模块发出的激光信号。光敏传感器、倾角传感器sca60c、超声波测距传感器us-015和gps定位传感器wtgahrs3的输出端均与ad转换器的输入端通过导线连接，ad转换器的输出端与控制模块的输入端通过导线连接；控制模块的输出端与判决与报警模块、执行模块和显示模块连接。
36.激光发射模块采用激光发射器fu650d5-bc69-gtxd，工作电压dc 2.8-5.2v，工作电流≤35ma，波长650nm红光，外形尺寸6*9mm。其优点为：超高同心度，10米内中心光斑正负偏差在1mm以内；内部填充散热硅胶和ab胶，即可充分散热，又可防震抗摔；耐高温、抗腐蚀导线，适合全天候全环境使用。
37.如图2所示，光敏传感器、倾角传感器sca60c安装在平地铲中部。其中，光敏传感器设有多个，沿着竖直方向，在平地铲的中部由下至上等间距设置，光敏传感器用于接收激光发射模块发出的激光信号。超声波测距传感器us-015和gps定位传感器wtgahrs3安装在平地铲顶部，倾角传感器sca60c、超声波测距传感器us-015和gps定位传感器wtgahrs3用于监测平地铲的倾角变化和高度变化，并测量地表三维数据。倾角传感器sca60c的测量精度为
±1°
，且抗振动性能优越。超声波测距传感器us-015的探测距离为2-400cm，探测精度为0.1cm 1％，分辨率为0.5mm。控制模块和显示模块均安装在驾驶室。
38.如图3所示，激光平面到地面的距离h4根据超声波测距传感器、光敏传感器、激光发射模块以及地面的高度计算：h4＝h
1-h
2-h3，其中，h1为超声波测距传感器与地面的高度，h2为超声波测距传感器与光敏传感器之间的距离，h3为光敏传感器接收到激光发射模块发出的激光信号的位置。再利用gps定位传感器提供的位置信息，可以得到地表三维数据，经过控制模块进行信号处理后可以得到地表三维模型，最终显示在显示模块上，实现平整过程的可视化。
39.如图5所示，ad转换器采用ads7890高速转换芯片。ads7890是一种包含2.5v内部参考电压的模拟14位串行ad转换器，其最高采样率为1.25msps，可以通过spi总线对ads7890进行配置，其中ads7890的sclk、sdo引脚均与ep4ce115的gpio接口直接相连接，将模拟信号转化为数字信号发送到ep4ce115开发板中。
40.如图8所示，控制模块包括fpga开发板，型号为ep4ce115，能够分析计算传感器模块的数据，可以自动或手动调节平地铲的工作姿态，并进行图像处理得到地表三维模型，并发送到显示模块；同时ep4ce115发送控制命令到判决与报警模块，实时调整执行模块。
41.如图6所示，显示模块采用lcd显示器，lcd与ep4ce115开发板的vgaoutput接口通过导线相连，vga接口共有15针，分成3排，每排5个孔，传输红绿蓝模拟信号和同步信号。其中，vga_r、vga_g与vga_b为颜色模拟信号，vga_hs为行同步信号，vga_vs为场同步信号。fpga开发板将信号处理后的地表三维模型传输到显示模块，最终在lcd显示器上显示。
42.如图7所示，判决与报警模块包括判决与报警电路，用于判断控制命令是否超出平地铲工作姿态的调整范围。判决电路包括一个警报灯和一个警报器，报警灯和报警器的一端连接高电平，另一端与fpga的gpio接口用导线连接，当控制命令超出平地铲工作姿态的
调整范围时，fpga控制端将与电路连接的两个端口电压拉低，这时候就形成了一个通路，警报灯与警报器进入警报状态。
43.执行模块包括电磁阀、液压缸和平地铲，执行控制模块的控制命令，电磁阀控制液压的流动方向，调整液压缸的伸缩，从而改变平地铲的工作姿态。如图4所示，根据比较土地的现有高度与平整作业前设定好的土地目标高度设计控制命令，控制平地铲的工作姿态进行一次或多次平整作业，以达到平整土地的目的。当光敏传感器接收到的激光平面低于基准平面时，电磁阀控制液压缸收缩，带动平地铲进行一次或多次填土作业；反之，电磁阀控制液压缸伸展，带动平地铲进行一次或多次挖土作业。
44.本实用新型的具体实施方案为：
45.当系统上电后，激光发射模块、传感器模块、控制模块、判决与报警模块、执行模块和显示模块均进入就绪状态。首先以激光发射模块产生的激光面为基准平面，通过光敏传感器接收激光信号，利用倾角传感器sca60c、超声波测距传感器us-015和gps定位传感器wtgahrs3来监测平地铲的倾角变化和高度变化，并测量地表三维数据。其次由ads7890将模拟信号转化为数字信号，发送到fpga开发板。然后fpga开发板将图像处理后的地表三维模型发送到显示模块，最终显示在lcd显示器上，反馈给用户进行下一步操作。同时，fpga开发板将控制命令发送到判决与报警模块，对控制命令进行判定，如果超出平地铲工作姿态的调整范围，就开启报警器并提示用户操作有误；如果没有超出范围，就允许控制命令对执行模块进行实时调整。gps定位数据由pc机上传至管理系统，能够算出土地平整作业的面积，便于用户进行统计管理。
46.以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。