一种基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器技术方案

本发明专利技术公开一种基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器，(1)通过航向校正器用将双天线GNSS输出的航向信息进行校正得到车体航向信息

A steering angle estimator based on the two antenna GNSS automatic navigation system of agricultural machinery

The invention discloses a steering angle estimator based on the dual antenna GNSS automatic navigation system of agricultural machinery, (1) the vehicle body heading information is obtained by correcting the heading information output by the dual antenna GNSS with the heading corrector

【技术实现步骤摘要】
一种基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器
本专利技术属于农业机械自动导航领域，具体涉及一种基于单陀螺仪与状态观测理论的农业机械双天线GNSS自动导航系统转向角度估计器。
技术介绍
随着农业机械自动化水平的提高，农业机械自动导航技术应用越来越广泛，尤其是双天线GNSS自动导航系统在输出定位信息同时能够输出航向与俯仰两个车体姿态信息，避免了增加姿态传感器的成本，越来越受到青睐。前轮转向角度是农业机械自动导航技术必需的基本信息。针对农业机械前轮转向角度的获取问题，现有技术中有多种技术方案：如授权公告号为【CN101326094B】的专利技术专利公开一种基于转向组件角度及角速率传感器的车轮陀螺仪，用来估算一系统的至少两个部分之间相对坐标，该方案中采用两个陀螺仪，一个安装在车身上，一个安装在车轮上，采用卡尔曼滤波的方式对两个陀螺仪信息进行融合；而采用两个陀螺仪安装非常麻烦，对很多车辆来说是安装不上的，只具有理论基础，实用性较差；或者是采用安装霍尔式轴角传感器的方式，但是，由于农业机械转向机构的差异性，轴角传感器安装过程中往往存在安装困难，易于损坏等问题，限制了农业农机自动导航技术的发展。
技术实现思路
本专利技术利用状态观测理论提出一种农业机械双天线GNSS自动导航系统转向角度估计器，采用二阶状态观测器对通过陀螺仪和双天线GNSS所获得的信息进行融合，有效提高了角度估计的精度和鲁棒性。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器，包括航向矫正器、第一三阶状态观测器、量测角度计算器、陀螺仪信号处理单元、第二三阶状态观测器和二阶状态观测器；所述航向校正器用以将双天线GNSS输出的航向信息校正为农业机械车头方向在北-东-地坐标系下的车体航向信息j表示时刻；第一三阶状态观测器利用车体航向信息对车体航向角速率进行观测；量测角度计算器基于车辆的轴距L、车速V和车体航向角速率根据车辆动力学模型对车辆转向轮角θm(j)进行推算；所述陀螺仪信号处理单元用以对陀螺仪输出的角速度信号进行预处理，以输出滤波后的陀螺仪角速率信号ωg(j)；得到的陀螺仪角速率信号ωg(j)与车体航向角速率相减得到另一组车轮转向角速率ωs(j)，并输入第二三阶状态观测器；第二三阶状态观测器用以对转向角加速度进行观测；所述二阶状态观测器接收量测角度计算器得到的车辆转向轮角θm(j)与转向角加速度信息，以对车轮转向角θ(j)进行观测。进一步的，所述车辆转向轮角θm(j)通过以下方式获得：进一步的，所述二阶状态观测器利用和θm(j)对轮角转向角度θ(j)进行估计，并表示为：其中，k2θ，k2ω为二阶状态观测器系数，为j-1和j时刻转向角速度估计值，为j-1和j时刻转向角度估计值，Ts为采样时间间隔。进一步的，所述陀螺仪信号处理单元包括AD转换器和惯性滤波器，分别对应的对陀螺仪输出的角速率信号进行AD采样和惯性滤波，所述惯性滤波器的表达形式如下：ωg(j)＝k1ωg(j)+k2ωg(j-1)+k3ωg(j-2)(5)式中，k1，k2，k3满足条件：k1+k2+k3＝1。进一步的，当航向信息方向指示为车体左侧至车体右侧时，航向校正器则通过以下方式校正：当航向信息方向指示为车体右侧至车体左侧时，航向校正器则通过以下方式校正：其中，为双天线GNSS输出的航向信息。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术所述方案在双天线导航系统基础上只需使用一个陀螺仪，安装方便，成本低；采用三阶状态观测器实现对车体航向信息和陀螺仪角速率信号的微分运算，利用积分代替微分，避免了微分运算对误差的放大作用；并采用二阶状态观测器对通过陀螺仪和双天线GNSS所获得的信息进行融合，有效提高了角度估计的精度和鲁棒性，具有较高的实际应用和推广价值。附图说明图1为本专利技术实施例所述硬件安装结构原理图；图2为本专利技术实施例所述估计器的原理框图；图3为本专利技术实施例三阶状态观测器原理框图；图4为本专利技术实施例二阶状态观测器原理框图；图5为本专利技术实施例测试试验1情况下的测量角度与估计角度的对比曲线图；图6为图5中测量角度与估计角度的差值曲线示意图；图7为本专利技术实施例所述方案与霍尔传感器所得结果的追踪误差示意图。具体实施方式为了能够更清楚的理解本专利技术的上述目的和优点，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细地描述：为同时获取车辆的航向角和横滚角信息，农业机械导航系统的双天线通常垂直于车辆前进方向安装。本专利技术所述的转向角度估计器硬件安装如图1所示，陀螺仪1安装于前轮轴11上，根据具体需要可安装在左前轮轴或右前轮轴，为北-东-地坐标系下车体前进方向航向角，θ为待估计的车轮转向角，参考坐标系为车头方向X，车体右侧方向Y，指向地为Z。实施例，一种农业机械双天线GNSS自动导航系统转向角度估计器，如图2所示，陀螺仪输出的角速率信号经陀螺仪信号处理单元进行AD采样及惯性滤波后，输出滤波后的陀螺仪角速率信号ωg(j)；AD转换器对陀螺仪输出的角速率模拟信号进行采样完成模拟信号到数字信号的转换；惯性滤波器目的在于抑制陀螺仪信号中的随机干扰；航向校正器将双天线输出的航向信息校正为农业机械车头方向在北-东-地坐标系下的航向信息第一三阶状态观测器利用车体航向信息对车体航向角速率进行观测；量测角度计算器利用车辆的轴距L，车速V，车体航向角速率根据车辆动力学模型对车辆转向轮角θm(j)进行推算，并作为二阶状态观测器的量测信息；陀螺仪角速率信号ωg(j)与车体航向角速率相减得到另一组车轮转向角速率ωs(j)；第二三阶状态观测器对转向角加速度进行观测；最后通过二阶状态观测器根据利用动力学模型计算得到的车辆转向轮角θm(j)与转向角加速度信息对车轮转向角θ(j)进行观测，该系统设计鲁棒性高，能够获得精确的转向角。本实施例中，双天线GNSS板卡输出的航线信息是基于北-东-地参考坐标系的，当航向信息方向指示为车体左侧至车体右侧时，航向校正器实现的数学公式为：当航向信息指示为车体右侧至车体左侧时，航向校正器实现的数学公式为：另外，本实施例中，所述惯性滤波器的实现公式为：ωg(j)＝k1ωg(j)+k2ωg(j-1)+k3ωg(j-2)(5)式中k1，k2，k3需满足条件：k1+k2+k3＝1图3为三阶状态观测器的原理示意图，为便于描述，定义j时刻三阶状态观测器的输入量为I3θ(j)，其一阶导数二阶导数三阶状态观测器实现的数学公式为：图2中，第一三阶状态观测器的输入第二三阶状态观测器的输入I3θ(j)＝ωs(j)，积分器为数字积分器，实现数字积分，定义积分器输入为Ii(j)，输出为Io(j)采样时间间隔为Ts，公式描述为：Io(j)＝Io(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器，其特征在于，包括航向矫正器、第一三阶状态观测器、量测角度计算器、陀螺仪信号处理单元、第二三阶状态观测器和二阶状态观测器；/n所述航向校正器用以将双天线GNSS输出的航向信息校正为农业机械车头方向在北-东-地坐标系下的车体航向信息

【技术特征摘要】
1.基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器，其特征在于，包括航向矫正器、第一三阶状态观测器、量测角度计算器、陀螺仪信号处理单元、第二三阶状态观测器和二阶状态观测器；
所述航向校正器用以将双天线GNSS输出的航向信息校正为农业机械车头方向在北-东-地坐标系下的车体航向信息j表示时刻；第一三阶状态观测器利用车体航向信息对车体航向角速率进行观测；量测角度计算器基于车辆的轴距L、车速V和车体航向角速率根据车辆动力学模型对车辆转向轮角θm(j)进行推算；
所述陀螺仪信号处理单元用以对陀螺仪输出的角速度信号进行预处理，以输出滤波后的陀螺仪角速率信号ωg(j)；得到的陀螺仪角速率信号ωg(j)与车体航向角速率相减得到另一组车轮转向角速率ωs(j)，并输入第二三阶状态观测器；第二三阶状态观测器用以对转向角加速度进行观测；
所述二阶状态观测器接收量测角度计算器得到的车辆转向轮角θm(j)与转向角加速度信息，以对车轮转向角θ(j)进行观测。


2.根据权利要求1所述的基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器，其特征在于：所述车辆转向轮角θm(j)通过以下方式获得：





3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，员玉良，李新成，
申请(专利权)人：青岛农业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37