被动拖曳工具的自动控制制造技术

本发明专利技术描述了一种用于被动拖曳工具的自动控制系统。所述系统提供了一种用于使用对自动驾驶仪控制的拖拉机的微移输入的拖曳工具的最优控制的策略。如由GNSS接收器所测量的工具的路径跟踪误差始终被校正为零。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及用于诸如精确农业的应用的被动拖曳工具的控制。
技术介绍
美国的农场主经营超过2百万个农场，其大约覆盖10亿英亩土地且每年可产出数千亿美元的农作物。农场主每年在种子、肥料、化学品和燃料上花费数百亿美元。现代农场的经营较为复杂，精确性和效率可能对最终效益产生显著影响。根据USDA (美国农业部)的数据，最有效率的25%的美国玉米种植者花费大约I美元来种植一蒲式耳玉米，而效率最低的25%的种植者则花费3美元来种植相同量的玉米。农场主提高效率的一种方法就是在耕作、喷药和收割作业中避免不必要的重叠。换句话说，他们避免在相同的区域上使自己的拖拉机和设备驶过两次。以80英亩的田地和在拖拉机后被拖曳的44英尺宽的喷雾器为例，以一系列的重叠轨道将喷雾器拖过田地。如果相邻喷雾器轨道间的重叠从两英尺减少到四英寸，则能减少4英亩的喷雾。可通过使用基于全球定位系统(GPS)的转向系统来引导拖拉机而达到这样的精确性。诸如犁、松土机、圆盘、种植机、施肥机、条播机和其它设备的被动拖曳农具的精确控制还具有其它好处。它可以使机械在黑暗或充满灰尘的条件下的操作更加容易。操作者可以开得更快并减少驾驶压力。还可减少所使用的燃料和化学品的数量，从而节省金钱和保护环境。通过将重型设备保持在精确轨道上可避免土壤压实。GPS技术(以及基于如俄罗斯的GL0NASS和欧洲的GALILEO的其它全球导航卫星系统(GNSS)的系统)的进步使得能够非常准确地沿预定路径驾驶大型农用拖拉机。在首次工作一年后，拖拉机可返回至田地并遵循在一英寸之内的同样的轨迹。但是，被动拖曳工具的准确性并没有那么好。被动拖曳工具没有自己的转向致动器。被动拖曳工具通过挂接装置附接至拖拉机并且拖拉机拉动其通过土地。该工具可能会由于多种原因，包括不对称的负荷(例如一侧的土地比另一侧更难耕犁)或由于在斜坡上操作而导致的阻力，而偏离其预定路径。熟练的拖拉机操作者能够通过故意地操纵拖拉机离开期望路径来补偿偏离的工具，使得即使在拖拉机偏离工具时仍保持在路径上。然而，尽管操作者尽了最大的努力，该手动方法仍然是不精确的，其需要很长的时间和移动距离，并会导致操作者的疲劳。如果该“转离”的技术是自动化的且更精确时，则情况会更好。现代拖拉机往往配备有基于GPS (或者，更一般地是GNSS)的自动驾驶仪系统。这些系统能够使得沿期望路径以高准确性驾驶拖拉机。此外，通常这类系统接受偏移命令。例如，可命令系统在所编程的路径向左或向右特定英寸驾驶拖拉机。然后，拖拉机平行于所编程的路径但与其偏移地行使。这样的横向偏移称为“微移”。不同制造商提供各种各样的拖拉机和自动驾驶仪系统。这些中的每一种均使用自己的控制策略和实现。市场的竞争确保大部分的拖拉机-自动驾驶仪组合提供路径跟踪的准确性以及对落入相对较窄的参数范围内的微移命令的响应。尽管如此，在拖拉机-自动驾驶仪系统响应间的微小差异会影响被动工具控制系统的性能。需要一种控制系统，其可保证被动拖曳工具遵循其预定路径并尽可能快地校正其相对于该路径的偏离。该系统应与自动驾驶仪控制的拖拉机一致操作并包括一种用于测量拖拉机-自动驾驶仪系统响应的方式。这样的系统将使有意操纵拖拉机离开路径的累人且乏味的任务自动化，从而将工具保持在路径上并提高工具所遵循的实际路径的准确性。附图简述附图说明图1图示沿期望路径的带有挂接拖曳被动工具的拖拉机。图2A图示对拖拉机自动驾驶仪的阶跃偏移输入。图2B图示拖拉机对图2A的输入的响应，其中该输入包括拖拉机达到所要求偏移一半所需的时间t1/2。图3A示出用于拖拉机-挂接装置-工具系统的传统模型。图3B示出用于假想的拖拉机-挂接装置-工具系统的模型，与真实世界系统相t匕，在该系统中的子系统顺序已改变。图4示出用于被动拖曳工具的先进控制系统，其中该被动拖曳工具使用类似于Smith预测器的控制策略。图5图示对拖拉机自动驾驶仪的阶跃、脉冲、正弦和伪随机输入的实例。图6A图示对拖拉机自动驾驶仪的脉冲输入。图6B图示拖拉机对图6A的输入的响应。图1为用于引导被动工具的方法的流程图。图8为用于引导被动工具的方法的流程图。图9为用于引导被动工具的方法的流程图。具体实施例方式现在将描述一种用于被动工具的控制系统。该系统可通过以最佳方式指挥自动驾驶仪控制的拖拉机偏离路径而迫使被动拖曳的工具位于期望路径上。该系统缩短工具执行与预定路径的微移偏移所需的响应时间。该控制系统可通过测量自动驾驶仪控制的拖拉机对已知输入的响应来校准其内部拖拉机模型。被动拖曳工具的路径可能会由于包括工具上的不均衡负荷、斜坡地面或随机扰动的多种原因而偏离期望路径。在此所描述的控制系统的任务之一就是要通过加速工具对微移命令的响应而使工具与期望路径的偏离最小化。图1图示沿期望路径带有挂接拖曳被动工具的拖拉机。拖拉机100包括挂接点105，被动拖曳工具110被附接至该挂接点105。虚线115指示期望路径，拖拉机和工具要沿该路径移动。注意到在图1中，拖拉机和工具都不在期望路径上；而它们正机动以试图返回至该路径。如位于拖拉机的后轴中点处的参考点所表示的拖拉机100的位置由连接至天线120的GNSS接收器测量。类似地，被动拖曳工具110的位置由连接至天线125的GNSS接收器测量，其中天线125位于与挂接点相距L1的工具上的参考点处。拖拉机的轴距为Ltl且挂接点位于拖拉机后轴中点后距离为L2处。工具上的天线的位置为受控点；即使其遵循期望的工具路径的点。(当然，工具上的其它点也可受控制以作为替换。)当拖拉机将前进方向改为移向新的偏移时，挂接点开始在相反的方向移动。可通过闭型几何关系对这种逆反应建模。例如:挂接点相距期望路径的偏移与拖拉机的偏移通过:xh=xt_L2sin V相关联，其中Xh是挂接点的偏移，Xt是拖拉机的偏移且V是拖拉机的如进方向。用于测量拖拉机和工具位置的GNSS接收器可利用校正，如由卫星或地基增强系统(SBAS或GBAS)提供的校正。SBAS的实例包括美国联邦航空管理局的广域增强系统(FAAWAAS)、由欧洲航天局运营的欧洲地球同步导航覆盖系统(EGN0S)、由日本国土交通省运营的多功能卫星增强系统(MSAS)以及由商业企业运营的各种专有系统。GBAS的实例包括美国局域增强系统(LAAS)和各种欧洲差分GPS网络。可通过使用涉及位于已测量位置的附近基站的所谓实时动态(RTK)技术来测量GNSS的载波相位而实现甚至更高的准确性。例如，RTK允许厘米级的定位。在此所描述的先进控制系统不取决于拖拉机自动驾驶仪的详细知识。但是，控制系统包括测量自动驾驶仪控制的拖拉机对已知输入的响应的能力。来自响应测量的信息包括在控制系统的拖拉机模型当 中。图2A和2B给出了测量自动驾驶仪控制的拖拉机的响应的简单实例。图2A示出了对拖拉机自动驾驶仪的阶跃偏移输入；图2B示出了拖拉机对图2A输入的响应，包括使拖拉机达到所请求的偏移一半的所需的时间tl/2。在图2A中，所请求的偏移(相对于期望路径)与时间的图在时间t0突然从0变化至Ax。图2B显示出该请求的结果。拖拉机不能执行所请求的瞬时阶跃偏移。其实际轨迹由虚线205表示。在简单的拖拉机模型中，无需对由虚线205所表示的拖拉机响应的形状进行评估。恰恰相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.25 US 12/868,6261.一种方法，用于沿期望路径引导被动工具，其包括: 提供由具有微移输入的自动驾驶仪所引导的拖拉机； 引入对所述拖拉机的自动驾驶仪的测试输入； 提供被固定至所述工具的GNSS接收器； 经由挂接装置在所述拖拉机后面拖曳所述工具； 使用所述拖拉机-挂接装置-工具系统的模型来将反馈提供至将微移输入提供至所述自动驾驶仪控制的拖拉机以及至所述模型的控制系统；其中， 所述模型估计相对于所述路径的即时工具偏移； 布置所述模型内的拖拉机、挂接装置和工具元件，使得将来自所述控制系统的微移输入直接应用于所述工具元件； 所述模型的所述拖拉机元件包括从响应于所述测试输入的所述拖拉机的运动的测量获得的彳目息；且 所述控制系统的微移输入使在实际工具路径和所述期望路径之间的差异最小化。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述测试输入为阶跃偏移，且从所述拖拉机的运动的测量获得的信息为使所述拖...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·阿拉尔，J·W·皮克，B·A·斯特朗格尔，
申请(专利权)人：天宝导航有限公司，
类型：
国别省市：