一、引言

五輪儀法是在被測車輛上安裝轉動靈活、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作第五輪）。車輛移動時，地面摩擦力可使附加的第五輪轉動。利用光電開關或者霍爾開關以及相應裝置，可以每轉產生若干脈沖。利用這些脈沖可以實現輪子速度及運行距離的檢測。傳統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、接觸壓力等都會影響測量結果，主要表現在兩個方面：一、由于地面松軟，輪子下陷，導致單輪受摩擦而轉動的有效直徑與實際直徑可能不一致。二、地面起伏不平導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行脈沖與弧長當量的標定來消除，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果造成的影響。

二、測量方法和應用算法

利用五輪儀將直線運動變為轉動的思路，將同等型號的旋轉編碼器分別安裝在行進裝置兩側的輪（五輪儀）上，經過特殊配件使之與轉動機構（車輪）同步旋轉。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，以免檢測中出現遺漏位置信號的現象，使間距測量出現可以避免的誤差。操作裝置上的控制面板來進行啟動外部信號的采集，將單片機系統采集到的位置信號作為外部中斷依據，用來控制對編碼器脈沖信號計數的啟停，將每次計數的結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。傳統的五輪儀均為單路測量，僅僅用一路的運行情況來決定結果，如果這路情況非常復雜，所反映的距離與實際位移存有偏差。考慮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出現尖峰或是凹坑而另一路平直，那么檢測出的結果肯定是第二路反映的距離短于第一路，對應輸出的脈沖數少于第一路的，同時大于或等于實際值所對應的脈沖數，那么選擇第二路的測量結果會更接近真實值；如果兩路在行進中均遇到了尖峰或凹坑，測量結果也會因為行進距離的不同而出現差異，雖然這種情況兩路測量也會產生很大的誤差，但我們仍可以確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，那么雙路與單路的測量結果不會有太大的差異，選擇哪一路誤差都不會太大。雙路測量的優勢在前兩種情況下體現的較為鮮明。

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進行比較，如果存在差異，保存小值；如果不存在差異，任取一值（稱為最優值選擇）作為最終轉換間距的數據（如圖1）；

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

為編碼器旋轉一圈輸出的總脈沖數，為第ni次中斷時的脈沖個數，r為傳動機構的外圍半徑，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計結構），會造成一路脈沖上升沿來時，另一路的并沒有到，在計數脈沖時兩路會存在1/N（N為編碼器一圈輸出的脈沖數）的誤差，當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、試驗及結果分析

在田間進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。已知行進輪的直徑為50cm，采用的編碼器為omron公司生產的E6B2-CWZ6C型編碼器，它的輸出脈沖數為360p/r，即車輪旋轉一周裝置前進位移是1.57m。

結果如下表1：

（1）通過試驗數據可得出下列圖2

其中虛線、實線分別表示單、雙路測量數據波形。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的一些波峰。其中有一部分測量值小于實際值，應該是在行進中雙輪出現了滑移，在這種情況下，取小值會使測量結果偏離準確值越遠，但考慮到50個間距里出現這種情況的幾率只有4%，因此通過雙路測量、最優值選擇的方法使結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果接近真實值

四、總結

本論文創新點在于改變了傳統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果最優化選擇的方法使產生的誤差有效降低。通用一系列試驗為此論證提供了有力依據。由于此方法利用的是位置信號引發外部中斷啟停計數，只要檢測到被測物的定位信號，便能實現對測量物間距的非接觸實時測量。因此這種方法對實現地下種子粒間距的非接觸檢測具有積極的引導作用。