基于GNSS姿態(tài)與電機(jī)編碼器的農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向角度測量系統(tǒng)研制

陳 云，何 艷

基于GNSS姿態(tài)與電機(jī)編碼器的農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向角度測量系統(tǒng)研制

陳 云1，何 艷2※

（1. 西安合眾思壯導(dǎo)航技術(shù)有限公司，西安 710065；2. 西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安 710121）

典型的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛系統(tǒng)需要在車輛轉(zhuǎn)向輪上安裝角度傳感器測量轉(zhuǎn)向角度，存在安裝不便與可靠性差問題。該研究提出一種基于GNSS模塊和電機(jī)編碼器組合的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過組合利用GNSS姿態(tài)測量值與運動模型得到轉(zhuǎn)向輪期望角度，利用電機(jī)轉(zhuǎn)向速度和全液壓轉(zhuǎn)向閥的傳遞模型推算轉(zhuǎn)向角度變化值，經(jīng)卡爾曼濾波融合解算得到車輛轉(zhuǎn)向輪的實時轉(zhuǎn)向角度。與霍爾式絕對角度傳感器對比的動態(tài)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在直線行駛時的測量標(biāo)準(zhǔn)方差小于0.91°，在轉(zhuǎn)向輪-10°～+10°區(qū)間，測量標(biāo)準(zhǔn)方差小于1.0°；直線自動駕駛作業(yè)時的導(dǎo)航誤差小于2.5 cm，曲線作業(yè)自動駕駛的導(dǎo)航誤差小于9.0 cm，滿足農(nóng)機(jī)自動調(diào)頭等場景應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；自動駕駛；衛(wèi)星導(dǎo)航；轉(zhuǎn)角測量；姿態(tài)測量；電機(jī)編碼器

0 引 言

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛系統(tǒng)可以節(jié)省人力、提高能效和土地利用率[1-2]等，在全球得到廣泛應(yīng)用，成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點[3-8]。轉(zhuǎn)向輪角度測量單元作為農(nóng)機(jī)自動駕駛的反饋輸入，是影響導(dǎo)航控制精度的重要因素之一。

目前農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)中采用的轉(zhuǎn)向輪角度測量方法主要有3類：一是采用電位計等位移式傳感器測量轉(zhuǎn)向油缸行程，間接獲取轉(zhuǎn)向角度[9]；二是采用電阻式、磁敏式、霍爾式等角度傳感器測量主銷轉(zhuǎn)角，計算得到車輪轉(zhuǎn)角；三是采用陀螺儀測量轉(zhuǎn)向輪的角速率，積分得到角度增量[10]。其中第一類方法的設(shè)備安裝復(fù)雜、可靠性差，目前已淘汰；第二類方法檢測精度高、但設(shè)備安裝復(fù)雜；第三類方法的設(shè)備安裝簡單、但檢測精度存在隨機(jī)漂移，累計誤差大等缺點，并且這3類設(shè)備均需要通過線纜連接農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制器。

1996年，O'Connor等[11]實現(xiàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)在右前輪上安裝電位計測量絕對角度。2014年，王鶴等[9]總結(jié)了第一類與第二類測量方法，并從模型上進(jìn)行優(yōu)化修正。2015年，高雷等[12]采用ADXRS 450測試角速率實現(xiàn)拖拉機(jī)自動駕駛的液壓控制。2017年，胡書鵬等[13]對比測試了位移式（第一類）及四連桿式（第二類）角度測量方案；2017年，繆存孝等[10]基于雙GNSS天線及單陀螺實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)角測量。2019年，張智剛等[14]提出了基于最小二乘的角度傳感器零位偏差估計。2020年，Qiao等[15]用改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）優(yōu)化角度中值。這些均是在第一、二、三類基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提升導(dǎo)航控制精度，但全部需要在轉(zhuǎn)向輪軸上安裝角度傳感器，并連接線纜至導(dǎo)航控制器，存在安裝困難及作業(yè)時防護(hù)性差等缺陷。

2018年以來，采用大扭矩伺服電機(jī)控制農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向的北斗農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)推向市場，替代了傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)[16]。本文針對慧農(nóng)EAS201北斗導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)的特點，研制了一種基于GNSS姿態(tài)測量和電機(jī)編碼器組合的轉(zhuǎn)向輪角度測量系統(tǒng)，利用GNSS模塊實時測量車輛位置、速度和姿態(tài)，并根據(jù)農(nóng)機(jī)運動學(xué)模型估算轉(zhuǎn)向輪角度期望值，利用電機(jī)轉(zhuǎn)向速度和全液壓轉(zhuǎn)向閥的傳遞模型推算轉(zhuǎn)向角度變化值，后經(jīng)卡爾曼濾波器融合解算得到農(nóng)機(jī)實時轉(zhuǎn)向輪角度。

1 自動駕駛系統(tǒng)

1.1 組成與工作原理

圖1為慧農(nóng)EAS201北斗農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，主要包括智能控制天線MC4、GNSS天線UA50B、顯示器ST5、外置電臺和電動方向盤EW1，系統(tǒng)支持連接便攜式基準(zhǔn)站、連續(xù)運行參考站（Continuous Operation of Reference Stations，CORS）或中國精度（Atlas）星基差分服務(wù)[17]以獲得高精度GNSS定位定向。

智能控制天線MC4通過CAN Bus與電動方向盤EW1通信，通過RS232與顯示器ST5通信，通過RS232與外置電臺連接。MC4通過CAN Bus發(fā)送轉(zhuǎn)向指令至EW1，EW1接收指令并輸出力矩控制轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)，實時控制轉(zhuǎn)向機(jī)油液分配，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)向油缸運動，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向控制。

MC4天線內(nèi)置Vega系列測向板卡V28及IMU芯片，可接收全星座全頻點GNSS信號，支持北斗精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP），其實時動態(tài)測量（Real Time Kinematic，RTK）水平定位精度8 mm，測速精度<0.1 m/s，航向精度0.08°（1 m天線距離），俯仰/橫滾精度0.2°，支持WiFi直連及Web參數(shù)配置，兼容NMEA0183，NM2K，ISO11783等。

電動方向盤EW1，轉(zhuǎn)速1～100 r/min，最大扭矩為13 N·m，額定扭矩≥6.5 N·m，靜摩擦力矩≤0.4 N·m，響應(yīng)延遲<0.02 s，測速分辨率0.012 5°/s，支持手動優(yōu)先，兼容ISO11783。

圖2為EAS201的系統(tǒng)安裝示意圖，天線MC4與UA50B前后安裝在車頂，基線平行于車輛中軸線，MC4天線可測量車輛速度、姿態(tài)角、經(jīng)緯度等信息。電動方向盤EW1安裝在原車方向盤轉(zhuǎn)向軸上，其內(nèi)置高精度的增量編碼器，可測量方向盤轉(zhuǎn)向軸的角速率。

1.2 轉(zhuǎn)向角度測量原理

根據(jù)圖3幾何關(guān)系有：