一、引言

五輪儀法是在被測車輛上安裝轉(zhuǎn)動靈活、與地面以一定壓力可靠接觸的第五輪（測量拖拉機速度時也常直接以拖拉機的前輪當(dāng)作第五輪）。車輛移動時，地面摩擦力可使附加的第五輪轉(zhuǎn)動。利用光電開關(guān)或者霍爾開關(guān)以及相應(yīng)裝置，可以每轉(zhuǎn)產(chǎn)生若干脈沖。利用這些脈沖可以實現(xiàn)輪子速度及運行距離的檢測。傳統(tǒng)五輪儀法是典型的單路接觸式測量方法，地表的硬度、摩擦系數(shù)、接觸壓力等都會影響測量結(jié)果，主要表現(xiàn)在兩個方面：一、由于地面松軟，輪子下陷，導(dǎo)致單輪受摩擦而轉(zhuǎn)動的有效直徑與實際直徑可能不一致。二、地面起伏不平導(dǎo)致輪子滾過的路徑長度與直線距離不一致，比如機具實際前進(jìn)了1m，而輪子正好滾過一個45°的尖峰或凹坑，這樣反映的距離就是1.4m左右。如果需要精確的測量結(jié)果`，對第一類問題的影響，可以通過對每一種具體測量的地形條件進(jìn)行脈沖與弧長當(dāng)量的標(biāo)定來消除，而對第二種問題則沒有辦法徹底。本文提出的這種方法，能夠有效地削弱地面起伏不平對測量結(jié)果造成的影響。

二、測量方法和應(yīng)用算法

利用五輪儀將直線運動變?yōu)檗D(zhuǎn)動的思路，將同等型號的旋轉(zhuǎn)編碼器分別安裝在行進(jìn)裝置兩側(cè)的輪（五輪儀）上，經(jīng)過特殊配件使之與轉(zhuǎn)動機構(gòu)（車輪）同步旋轉(zhuǎn)。此裝置兩輪間隔為1m，確保定位信號位于其間能被充分采集到，以免檢測中出現(xiàn)遺漏位置信號的現(xiàn)象，使間距測量出現(xiàn)可以避免的誤差。操作裝置上的控制面板來進(jìn)行啟動外部信號的采集，將單片機系統(tǒng)采集到的位置信號作為外部中斷依據(jù)，用來控制對編碼器脈沖信號計數(shù)的啟停，將每次計數(shù)的結(jié)果保存到指定的存儲單元。

所謂間距測量，指的是測得相鄰兩個位置信號的位移。傳統(tǒng)的五輪儀均為單路測量，僅僅用一路的運行情況來決定結(jié)果，如果這路情況非常復(fù)雜，所反映的距離與實際位移存有偏差?？紤]到地表不平主要包括尖峰和凹坑兩種情況，無論是哪種情況的影響都會使車輪運行表現(xiàn)出來的距離變大。為了有效克服單路測量過于片面的弊端，改為了雙路的同時檢測。由于各路地表情況存在差異，例如一路在某一間距內(nèi)出現(xiàn)尖峰或是凹坑而另一路平直，那么檢測出的結(jié)果肯定是第二路反映的距離短于第一路，對應(yīng)輸出的脈沖數(shù)少于第一路的，同時大于或等于實際值所對應(yīng)的脈沖數(shù)，那么選擇第二路的測量結(jié)果會更接近真實值；如果兩路在行進(jìn)中均遇到了尖峰或凹坑，測量結(jié)果也會因為行進(jìn)距離的不同而出現(xiàn)差異，雖然這種情況兩路測量也會產(chǎn)生很大的誤差，但我們?nèi)钥梢源_定輸出脈沖少的那一路比較接近真實值；如果兩路均為平直的狀態(tài)，那么雙路與單路的測量結(jié)果不會有太大的差異，選擇哪一路誤差都不會太大。雙路測量的優(yōu)勢在前兩種情況下體現(xiàn)的較為鮮明。

通過以上的討論可以歸出以下算法：

（1）將相鄰位置信號間得到的兩路脈沖數(shù)進(jìn)行比較，如果存在差異，保存小值；如果不存在差異，任取一值（稱為最優(yōu)值選擇）作為最終轉(zhuǎn)換間距的數(shù)據(jù)（如圖1）；

（2）由于每個脈沖對應(yīng)編碼器旋轉(zhuǎn)了一定的角度，利用角度與輪緣周長的關(guān)系得到對應(yīng)傳動機構(gòu)行進(jìn)的距離，即所測得的間距。公式為：

為編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出的總脈沖數(shù)，為第ni次中斷時的脈沖個數(shù)，r為傳動機構(gòu)的外圍半徑，s為間距。

由于兩路編碼器起始點可能存在不一致，（取決于編碼器自身的設(shè)計結(jié)構(gòu)），會造成一路脈沖上升沿來時，另一路的并沒有到，在計數(shù)脈沖時兩路會存在1/N（N為編碼器一圈輸出的脈沖數(shù)）的誤差，當(dāng)N值越大，誤差越小。因此可以采用分辨率高的編碼器來降低這方面的影響。

三、試驗及結(jié)果分析

在田間進(jìn)行雙路與單路的對比試驗，采用縱向等間距（S=0.5m）排列的51個紅外信號作為位置信號。已知行進(jìn)輪的直徑為50cm，采用的編碼器為omron公司生產(chǎn)的E6B2-CWZ6C型編碼器，它的輸出脈沖數(shù)為360p/r，即車輪旋轉(zhuǎn)一周裝置前進(jìn)位移是1.57m。

結(jié)果如下表1：

（1）通過試驗數(shù)據(jù)可得出下列圖2

其中虛線、實線分別表示單、雙路測量數(shù)據(jù)波形。通過這個圖表可以直觀看出，雙路測量緩和了單路測量中出現(xiàn)的一些波峰。其中有一部分測量值小于實際值，應(yīng)該是在行進(jìn)中雙輪出現(xiàn)了滑移，在這種情況下，取小值會使測量結(jié)果偏離準(zhǔn)確值越遠(yuǎn)，但考慮到50個間距里出現(xiàn)這種情況的幾率只有4%，因此通過雙路測量、最優(yōu)值選擇的方法使結(jié)果接近了真實值的程度仍然是明顯的。

（2）通過下列單因素方差分析表2

因為F=13.67>F0.01（1，98）=6.93,因此認(rèn)為單路、雙路兩種方法測量差異極顯著

（3）通過下列方差分析box圖3(1為單路、2為雙路)同樣可以得出雙路測量比單路測量結(jié)果接近真實值

四、總結(jié)

本論文創(chuàng)新點在于改變了傳統(tǒng)五輪儀單路測量受地表情況影響較大的方法，采取了這種雙路同時測量并對結(jié)果最優(yōu)化選擇的方法使產(chǎn)生的誤差有效降低。通用一系列試驗為此論證提供了有力依據(jù)。由于此方法利用的是位置信號引發(fā)外部中斷啟停計數(shù)，只要檢測到被測物的定位信號，便能實現(xiàn)對測量物間距的非接觸實時測量。因此這種方法對實現(xiàn)地下種子粒間距的非接觸檢測具有積極的引導(dǎo)作用。