BRPI0915864B1

BRPI0915864B1 - método e sistema de controle por giroscópio e gnss combinados

Info

Publication number: BRPI0915864B1
Application number: BRPI0915864A
Authority: BR
Inventors: a mcclure John; L Whitehead Micheal; J Feller Walter
Original assignee: Hemisphere Gps Llc
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2019-09-10
Also published as: CA2730403A1; US8265826B2; WO2010005945A1; US20080269988A1; AU2009268726B2; BRPI0915864A2; CA2730403C; AU2009268726A1

Abstract

método e sistema de controle por giroscópio e gnss combinados um sistema global de navegação por satélite (gnss) e um sistema de controle por giroscópio para controlar a direção de veículo compreendendo um receptor e antenas gnss em um espaçamento fixo para determinar uma posição de veículo, velocidade e pelo menos um dentre um ângulo de trajetória, um ângulo de inclinação e um ângulo de rolagem baseado nas diferenças da posição de fase de portadora. o ângulo de rolagem facilita a correção de erros de posição induzidos por movimento lateral resultantes do movimento das antenas e o veículo se move baseado em um desvio para o solo e para o ângulo de rolagem. o sistema também inclui um sistema de controle configurado para receber a posição do veículo, trajetória e pelo menos um dentre rolagem e inclinação, e configurado para gerar um comando de direção para um sistema de direção do veículo. o sistema inclui giroscópios para determinar mudança de atitude do sistema com relação a múltiplos eixos geométricos para integração com a informação de posicionamento derivada do gnss para determinar a posição do veículo, velocidade, velocidade angular, atitude e outras características de operação. um método de controle de veículo inclui as etapas de computar uma posição e uma trajetória para o veículo usando o posicionamento gnss e um giroscópio de velocidade para determinar a atitude do veículo, que é usado para gerar um comando de direção.

Description

MÉTODO E SISTEMA DE CONTROLE POR GIROSCÓPIO E GNSS COMBINADOS”

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A invenção refere-se, de modo geral, a sistemas de orientação automáticos e, mais especificamente, a um sensor baseado no sistema global de navegação por satélite (GNSS) para controle de direção de veículo.

[002] Maquinário móvel, tal como equipamento agrícola, máquinas de mineração a céu aberto, pulverizadores de culturas por aeroplano, e similares, todos se beneficiam dos produtos de pesquisa de alta precisão do sistema global de navegação por satélite (GNSS) e outros. No entanto, nos sistemas de posicionamento por satélite existentes (SATPS) para área paralela e de contorno orientada para agricultura de precisão, mineração e similares, a curvatura atual do terreno não pode ser levada em conta. Isto resulta em uma produção muito menos precisa devido à área paralela ou de contorno ser muito menos precisa. Naturalmente, a fim de fornecer áreas através de um campo (em agricultura, por exemplo), o sistema de orientação coleta posições do veículo na medida em que ele se move através do campo. Quando o veículo começa a próxima passagem através do campo, o sistema de orientação desvia as posições coletadas para a próxima passagem pela altura do equipamento (isto é, largura da área). O próximo conjunto de posições de áreas é usado para fornecer orientação ao operador de como ele ou ela conduz o veículo através do campo.

[003] A localização do veículo atual, quando comparada à localização de área desejada é fornecida ao

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2/35 operador do veículo ou a um sistema de direção de veículo. O SATPS fornece uma localização 3-D de recepção de sinal (por exemplo, a localização 3-D da antena). Se somente coordenadas 3-D são coletadas, as próximas computações de área assumem um desvio de terreno plano. No entanto, a posição de interesse é frequentemente diferente de onde o receptor de satélite (SR) está localizado desde que o SR seja colocado na localização para uma boa recepção de sinal, por exemplo, para um trator rebocando uma ferramenta, a melhor localização para o SR pode ser no topo da cabina. No entanto, a posição de interesse (POI) para fornecer orientação ao operador do trator pode ser a posição no solo abaixo do operador. Se o trator está em terreno plano, determinar este POI é um simples ajuste para contabilizar a altura da antena.

[004] No entanto, se o trator está em um terreno inclinado com uma inclinação variável, que é frequentemente o caso, o SATPS sozinho não pode determinar a inclinação do terreno de modo que o POI também não pode ser determinado. Este resultado é um erro de orientação porque POI é aproximado pelo ponto de recepção (POR), e esta aproximação piora à medida que a inclinação do terreno aumenta. Isto resulta em excursões de posições de trilha cruzada com relação à trilha terrestre do veículo que poderia contaminar qualquer tentativa de se orientar para uma área ou linha definida do campo. No terreno inclinado, este erro pode ser minimizado coletando a configuração de inclinação do veículo ao longo de cada passagem atual ou da passagem anterior. O desvio da área, assim, torna-se um vetor levando a inclinação do terreno em conta com o

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3/35 pressuposto de que a partir da primeira área para a próxima a inclinação do terreno não muda demais. Portanto, pode ser visto que existe uma necessidade de um sistema de navegação/orientação melhor para uso com um veículo baseado no solo que mede e leva em conta a inclinação do veículo.

[005] Vários sistemas de navegação para veículos baseados no solo são empregados, mas cada um inclui desvantagens particulares. Sistemas que usam radar Doppler encontrarão erros com o radar e latência. Similarmente, giroscópios, que podem fornecer medições de trajetória (heading), rolagem (roll) ou inclinação (pitch), podem ser implantados como parte de um pacote de navegação inerte, mas tendem a encontrar erros de deriva e enviesamentos e adicionalmente requerer algumas medições de atitude externas para inicialização e compensação de deriva. Os giroscópios têm boa características em curto prazo, mas características indesejáveis em longo prazo, especialmente os giroscópios de custo mais baixo tal como os baseados em um ressonador de vibração. Similarmente, os sistemas inertes empregando giroscópios e acelerômetros têm boas características em curto prazo, mas também sofrem de deriva. Vários sistemas incluem navegação utilizando GNSS; no entanto, estes sistemas também demonstram desvantagens. Computações de posições de GNSS existentes podem incluir atrasos, que podem ser especialmente problemáticos quando, por exemplo, a velocidade de GNSS é usada para derivar a trajetória do veículo. Como um resultado, a solução de posição (ou trajetória) fornecida por um receptor de GNSS diz a um usuário onde o veículo estava há pouco, mas não no tempo real. Sistemas de GNSS existentes não fornecem

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4/35 informação de trajetória de alta qualidade em velocidades mais baixas do veículo. Portanto, o que é necessário é um sistema de sensor de baixo custo para facilitar navegação na área do veículo que faz uso do comportamento desejável tanto de unidades de GNSS como de inércia enquanto eliminando ou reduzindo o comportamento não desejável. Especificamente, o que é necessário é um meio de empregar giroscópios de baixo custo (por exemplo, giroscópios micro eletromecânicos (MEM)) que demonstram ruído baixo muito bom em curto prazo e alta precisão enquanto removendo sua deriva inerente em longo prazo.

RESUMO DA INVENÇÃO [006] É descrito aqui, em uma modalidade exemplificativa, um sistema de sensor para controle de velocidade de veículo compreendendo: uma pluralidade de sistemas globais de navegação por satélite (GNSS) incluindo receptores e antenas em um espaçamento fixado para determinar a posição de um veículo, velocidade e pelo menos um de um ângulo de trajetória, um ângulo de inclinação e um ângulo de rolagem baseado nas diferenças de posição cinemática (RTK) em tempo real corrigido na fase de portadora. O ângulo de rolagem facilita a correção de erros de posição induzidos por movimento lateral resultantes de movimento da antena à medida que o veículo se move baseado em um desvio do solo e do ângulo de rolagem. O sistema também inclui um sistema de controle configurado para receber a posição do veículo, trajetória, e pelo menos um dentre rolagem, inclinação e desvio, e configurado para gerar um comando de direção a um sistema de direção de veículo.

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5/35 [007]

Também descrito no presente em outra modalidade exemplificativa é um método de computar uma posição de computar uma um veículo compreendendo: inicializar GNSS;

primeira posição de uma primeira antena GNSS no veículo;

computar uma segunda posição de uma segunda antena GNSS;

calcular uma trajetória como um vetor perpendicular a um vetor unindo a primeira posição e segunda posição, em um plano horizontal alinhado com veículo.

método também inclui computando um ângulo de rolagem do veículo como um arco-tangente de uma relação de diferenças em alturas da primeira antena GNSS e da segunda antena GNSS dividida por um espaçamento entre seus respectivos centros de fase e calcular uma posição atual no centro do veículo projetado para o solo usando o ângulo de rolagem computado e uma altura conhecida a partir do solo de pelo menos uma da primeira antena GNSS e da segunda antena GNSS.

[008] Adicionalmente descrito no presente em ainda outra modalidade exemplificativa é um método de controlar um veículo compreendendo: computar uma posição e uma trajetória para o veículo. Computar um comando de controle de direção baseado em um fator de proporcionalidade multiplicado por uma diferença em uma posição desejada versus uma posição atual, mais um segundo fator de proporcionalidade multiplicado por uma diferença em uma trajetória desejado versus uma trajetória atual, o segundo fator de proporcionalidade assegurando que quando o veículo alcança a posição desejada o veículo também é dirigido para a trajetória desejada e, deste modo, evitar cruzar uma trilha desejada. O método também inclui um

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6/35 algoritmo recursivo adaptativo para caracterizar a resposta do veículo e selecionar as características dinâmicas.

[009] O método adicionalmente inclui aplicar valores de controle selecionados para um mecanismo de controle de direção e medir as respostas do veículo no mesmo; calcular os tempos de resposta e características para o veículo baseado nas respostas; e calibrar os comandos de controle aplicando um comando de controle modificado baseado nas respostas para obter uma resposta desejada. Vários aspectos e aplicações alternativos na presente invenção são divulgadas no presente.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0010]	A	figura
ilustrativo de	um	veículo
exemplificativa;
[0011]	A	figura 2

bloco ilustrativo do veículo exemplificativa de um sistema de [0012] A figura 3 bloco ilustrativo de um sistema descreve um diagrama incluindo uma modalidade descreve um diagrama em incluindo uma modalidade sensor;

descreve um diagrama de de sensor de acordo com uma modalidade exemplificativa;

0013] figura 4 descreve um sistema de sensor ilustrativo de acordo com uma modalidade exemplificativa;

[0014] figura 5 descreve um fluxograma ilustrativo de um processo exemplificativa para determinar um comando de direção para um veículo de acordo com uma modalidade exemplificativa;

0015]

A figura 6 descreve um fluxograma ilustrativo de um processo exemplificativa para determinar

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7/35 um comando de direção com um sistema de sensor exemplificativa de acordo com uma modalidade alternativa;

[0016] A figura 7A descreve uma antena de múltiplos eixos geométricos e sistema de giroscópios incorporando um aspecto da presente invenção e incluindo duas antenas conectadas por um link rígido e giroscópios de desvio e de rolagem;

	[0017] A	figura 7B	descreve	o sistema em	uma
atitude	de desvio;
	[0018] A	figura 7C	descreve	o sistema em	uma
atitude	de rolagem;
	[0019] A	figura 8	descreve	uma aplicação	de
medição	do ângulo de	inclinação	(rolagem)	da invenção em um
veículo	agrícola;
	[0020] A	figura	9 descreve um aspecto
alternativo do sistema com	antena e	subsistemas	de

giroscópio montado tanto no veículo como na ferramenta, por

exemplo,	um pulverizador	com	bicos	de	pulverização
seletivamente controláveis; e
	[0021]	A figura	10	descreve	um	fluxograma	do
sistema	mostrado na	figura 9.
	DESCRIÇÃO	DETALHADA	DA	INVENÇÃO
	[0022]	Os sistemas	globais	de	navegação	por

satélite (GNSS) são amplamente definidos para incluir (U.S.) Galileo (proposto), GLONASS (Rússia), Beidou/Compass (China, proposto), IRNSS (Índia, proposto), QZSS (Japão, proposto) e outra tecnologia de posicionamento futuro usando sinais de satélites, com ou sem aumento de fontes terrestres. Os sistemas de navegação inertes (IINS) incluem sensores de giroscópio (giro), acelerômetros e tecnologias

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8/35 similares para fornecer saída correspondendo à inércia dos componentes em todos os eixos geométricos, isto é, seis graus de liberdade (direções positivas e negativas junto ao eixo transversal X, longitudinal Y e eixos longitudinais verticais Z). Desvio, inclinação e rolagem referem-se à rotação de componentes em movimento próximo aos eixos geométricos Z, X e Y. Tal terminologia incluirá as palavras especificamente mencionadas, derivados das mesmas e palavras de significado similar.

[0023] É descrito no presente, em uma modalidade exemplificativa, um sistema de sensor para orientação de veículo. O sistema de sensor utiliza uma pluralidade de antenas diferenciadas de fase de portadora GNSS para derivar informação de atitude, referido no presente como um sistema de atitude GNSS. Além do mais, o sistema de atitude GNSS pode, opcionalmente, ser combinado com um ou mais giroscópio de velocidade usado para medir as velocidades de giros, rolagem ou inclinação para outros erros de fatores de escala e inclinação calibrado dentro destes giroscópios. Em uma modalidade exemplificativa, os giros de velocidade e receptor de antena GNSS são integrados juntos com a mesma unidade para fornecer múltiplos mecanismos para caracterizar um movimento do veículo e posição para produzir um mecanismo de controle de direção de veículo robusto.

[0024] É sabido na técnica que uma posição pode ser prontamente determinada em milímetros ao usar uma fase de portadora de satélite de GNSS e, possivelmente, fases de portadora de outros satélites, tais como satélites WAAS. Quando realizado com duas antenas em um espaçamento

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9/35 fixo, uma rotação angular pode ser computada usando as diferenças de posição. Em uma modalidade exemplificativa, duas antenas colocadas no plano horizontal podem ser empregadas para computar uma trajetória (rotação próxima a um eixo Z vertical) a partir de um deslocamento de posição. Será apreciado que uma modalidade exemplificativa pode ser utilizada para computar não somente trajetória, mas tanto rolagem (rotação próximo a um eixo geométrico longitudinal) ou rolagem (rotação próximo a um eixo geométrico X lateral) dependendo da orientação das antenas com relação ao veículo. Informação de trajetória, combinada com posição, tanto corrigido diferencialmente (DGPS ou DGNSS) ou cinemática em tempo real corrigida de fase de portadora (RTK) fornece a informação de realimentação desejada para um controle apropriado da direção de veículo. A adição de um ou mais giroscópios de velocidade adicionalmente fornece medições independentes de dinâmicas e facilita o controle de direção do veículo.

A combinação de atitude de GNSS obtida de múltiplas antes com giroscópios facilita a calibragem do fator de escala giroscópio e erros de inclinação que estão presentes em giroscópios de baixo custo. Quando estes erros são removidos as velocidades do giroscópio são mais precisas e fornecem melhores saídas para orientação e controle. Além disso, os giroscópios podem agora eficazmente ser empregados para obter ângulos de rolagem, inclinação e trajetória com ajuste ocasional de atitude derivada de GNSS.

[0025] Os sistemas existentes para orientação de veículos podem empregar giroscópios separados, e sistemas de posicionamento de GNSS ou sistemas de atitude

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10/35 separados. No entanto, tais sistemas não fornecem um sensor de trajetória integrado baseado em GNSS como descrito no presente. Além do mais, os sistemas preferidos demonstram as limitações de suas respectivas tecnologias como mencionado anteriormente. As modalidades exemplificativas, como descritas no presente, eliminam os requisitos de sistemas existentes para outros meios para corrigir a rolagem do veículo. Além do mais, uma implementação de uma modalidade exemplificativa também fornece um meio de calcular a trajetória e a velocidade de troca de trajetória (razão de curva (turn rate)), relativamente preciso, tanto em curto prazo como em longo prazo.

[0026] Outro benefício obtido pelo incorporando um sensor de trajetória baseado em GNSS é a eliminação ou redução de deriva e enviesamentos resultantes de uma abordagem somente de giroscópio ou de outro sensor inerte. Adicionalmente outra vantagem é que a trajetória pode ser computada enquanto o veículo está parado ou movendo-se lentamente, que não é possível em uma abordagem baseada em antena única (GNSS) que requer um vetor de velocidade de veículo para trajetória em deriva. Isto pode ser muito importante em aplicações onde o veículo tem que voltar lentamente para se alinhar com outro caminho. Durante estes giros lentos, o giroscópio pode derivar para fora, mas, adicionando o uso de uma solução de GNSS de antena dupla, a orientação do giroscópio pode ser continuamente corrigida. Isto também permite a operação imediata de um veículo movendo-se lentamente após estar em descanso, em vez de requerer a inicialização do movimento. Adicionalmente outra vantagem de uma modalidade

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11/35 exemplificativa é que a combinação dos sensores acima mencionados fornece informação suficiente para um sistema de controle de realimentação a ser desenvolvido, que é autônomo e independente de um sensor de veículo ou sensores externos adicionais. Assim, tal sistema é prontamente mantido como independente do veículo e pode ser movido de um veículo para outro com mínimo esforço. Adicionalmente outra modalidade do sensor emprega sensores do sistema de satélite de navegação por satélite (GNSS) para fornecer informação de posicionamento preciso e confiável. Os sensores de GNSS incluem, mas não estão limitados a GNSS, Sistema de Navegação Global (GLONAS), Sistema de Aumento de Área Amplo (WAAS) e similares, bem como combinações incluindo pelo menos uma das acima.

[0027] Um exemplo de um GNSS é o Sistema de Posicionamento Global (GPS) estabelecido pelo governo dos US que emprega uma constelação de 24 ou mais satélites em órbitas bem definidas a uma altitude de aproximadamente 26.500 km. Estes satélites transmitem continuamente sinais de rádio de microondas de banda L em duas bandas de frequência, centralizadas a 1575,42 MHz e 1227,6 MHz, indicadas como L1 e L2, respectivamente. Estes sinais incluem padrões de temporização com relação ao relógio de precisão a bordo do satélite (que é mantido sincronizado por uma estação de solo) bem como uma mensagem de navegação dando as posições orbitais precisas dos satélites, um modelo de ionosfera e outra informação útil. Os receptores de GNSS processam os sinais de rádio, computando as faixas para os satélites de GNSS e triangulando estas faixas, o receptor de GNSS determina SUS posição e seu erro de

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12/35 relógio interno.

[0028] Nos sistemas de GNSS autônomos que determinam as coordenadas de posição da antena do receptor sem referência a um receptor de referência por perto, o processo de determinação da posição é sujeito a erros de um número de fontes. Estes incluem erros na referência de relógio de satélite de GNSS, a localização do satélite em órbita, erros de retardo da propagação induzidos pela ionosfera, e erros de refração da troposfera.

[0029] Para suportar os erros do sistema de GNSS autônomo, muitas aplicações de posicionamento têm feito uso de dados de receptores de GNSS múltiplos. Tipicamente, em tais aplicações, um receptor de referência, localizado em um sítio de referência tendo coordenadas conhecidas, recebe os sinais de satélite de GNSS simultaneamente com o recebimento de sinais por um receptor remoto. Dependendo da distância de separação entre os dois receptores de GNSS, muitos dos erros mencionados acima afetarão os sinais de satélite igualmente para os dois receptores. Tomando a diferença entre os sinais recebidos tanto no sítio de referência como na localização remota, os erros são eficazmente eliminados. Isto facilita uma determinação precisa das coordenadas do receptor remoto com relação às coordenadas do receptor de referência.

[0030] A técnica de diferenciar sinais de dois ou mais receptores de GNSS para melhorar a precisão é conhecida como GNSS diferencial (DGNSS ou DGPS). GNSS diferencial é bem conhecida e demonstra muitas formas. Em todas de DGNSS, as posições obtidas pelo receptor remoto do usuário total são relativas à(s) posição(ões) do(s)

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13/35 receptor(es) de referência. As aplicações de GNSS podem ser melhoradas e aprimoradas empregando uma série mais ampla de satélites tais como GNSS e WAAS. Por exemplo, ver o pedido de patente US 6.469.663 B1 comumente cedido para Whitehead et al. Intitulado Method and System for GNSS and WAAS Carrier Phase Measurements for Relative Positioning, datado de 22 de outubro de 2002, cuja descrição é incorporada à presente em sua totalidade. Adicionalmente, os múltiplos receptores de DGNSS são aprimorados utilizando um único receptor para realizar correções diferenciais. Por exemplo, ver patente US 6.397.147 B1 para Whitehead intitulada Posicionamento Relativo de GNSS Usando um Receptor de GNSS Único com Termos de Correção Gerados Internamente, datado de 28 de maio de 2002, cujas descrições são incorporadas ao presente em sua totalidade.

[0031] Com referência agora às figuras 1 a 4, um veículo ilustrativo 10 é descrito incluindo um sistema de sensor 20 de acordo com uma modalidade exemplificativa. Com referência também às figuras 2 e 3, diagramas de bloco do sistema de sensor 20 são descritos. O sistema de sensor 20 inclui, mas não está limitado a um sistema de atitude de GNSS 22, compreendendo pelo menos um receptor de GNSS 24 e uma antena 26. Os sistemas de receptor/antena GNSS compreendendo o sistema de atitude de GNSS 22 coopera com um sistema de receptor primário 22a e um sistema de receptor secundário 22b, com suas respectivas antenas 26a e 26b montadas com uma separação conhecida. O sistema de receptor primário 22a também pode ser indicado como um sistema de referência ou de receptor máster, enquanto o sistema de receptor 22b também pode ser indicado como um

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14/35 sistema de receptor remoto ou escravo. Também será apreciado que a seleção de um receptor como primário versus secundário não precisa ser de significância; ela simplesmente fornece um meio para distinção entre os sistemas, divisão de funcionalidade e definição de referências de medição para facilitar a descrição. Deveria ser apreciado que a nomenclatura pode ser transposta ou modificada sem impactar o escopo da divulgação ou das reivindicações.

[0032] O sistema de sensor 20 é opcionalmente configurado para ser montado em um compartimento único 28 para transportabilidade facilitada. Em uma modalidade exemplificativa, o compartimento 28 pode ser qualquer montagem rígida, instalação ou estrutura que faz com que as antenas 26 sejam mantidas em uma posição relativa substancialmente fixa com respeito uma à outra. Em uma modalidade exemplificativa, o compartimento 28 pode ser um suporte ou uma estrutura leve para facilitar a montagem de outros componentes e transportabilidade. Embora o fecho 28 que restringe a localização relativa das duas antenas 26a e 26b possa ter virtualmente qualquer posição e orientação no espaço, os dois respectivos receptores 24 (receptor de referência 24a e receptor remoto 24b) são configurados para facilitar comunicação um com o outro e resolver a informação de atitude a partir do centro da fase da antena de referência 26a para o centro da fase da antena remota 26b com um alto grau de precisão.

[0033] Outra modalidade adicionalmente emprega um sensor de GNSS 20 nas modalidades acima, aumentado com sensores suplementares inertes 30 tais como acelerômetros,

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15/35 giroscópios ou um sistema de referência de trajetória de atitude. Mais particularmente, em uma implementação de uma modalidade exemplificativa, um ou mais giroscópio(s) de velocidade são integrados com o sensor de GNSS 20.

[0034] Adicionalmente em outra modalidade exemplificativa, um giroscópio que mede a velocidade de rolagem também pode ser combinado com esta determinação de rolagem baseado em GNSS do sistema. Um giroscópio com velocidade de rolagem indicado 30b poderia fornecer informação de velocidade dinâmica em curto prazo para ganhar melhorias adicionais quando computando o balanço do veículo 10, particularmente quando viajando sobre de terreno irregular.

[0035] Será apreciado que para suplementar a modalidade divulgada no presente, os dados usados por cada receptor de GNSS 24 podem ser acoplados com os dados de sensores suplementares 50, incluindo, mas não limitados a, acelerômetros, giroscópios, sensores, compassos, sensores magnéticos, inclinômetros, e similares, bem como combinações incluindo pelo menos uma das acima. Acoplar os dados de GNSS com a informação de medição dos sensores suplementares 30 e/ou dados de correção para correção diferencial melhora a precisão do posicionamento, melhora as durações de inicialização e aprimora a capacidade de recuperar de paralisações de dados. Além do mais, tal acoplamento adicionalmente pode melhorar, por exemplo, reduzir a extensão de tempo requerida para resolver os dados de atitude precisos.

[0036] Será apreciado que embora não um requisito, a localização da antena de referência 26a pode

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16/35 ser considerada como uma distância fixada a partir da antena remota 26b. Esta restrição pode ser aplicada aos processos de determinação de azimute a fim de reduzir o tempo requerido para resolver um azimute preciso, adicionalmente que ambas as antenas 26a e 26b possam estar se movendo no espaço ou não em uma localização conhecida. A técnica de resolver a informação de atitude e informação de posição para o veículo 10 pode empregar técnicas de GNSS de fase de portadora com uma estação de referência de movimento. Adicionalmente, o uso de dados de sensores dinâmicos auxiliares ajuda a desenvolver uma solução de trajetória aplicando outras restrições, incluindo uma indicação aproximada da orientação da antena com relação ao campo de gravidade da Terra e/ou alinhamento ao campo magnético da Terra.

[0037] A produção de uma atitude precisa a partir do uso de dois ou mais sistemas de receptor e de antena GNSS 22 é estabelecida na arte e, portanto, não será apresentada no presente. O processamento é utilizado no presente como parte do processo requerido para implementar uma modalidade exemplificativa.

[0038] Com referência à figura 4, um mecanismo para assegurar uma orientação precisa do sistema de sensor 20 ao veículo 10 pode ser fornecido por uma base de montagem opcional 14, precisamente anexada ao compartimento 28. Uma instalação precisa assegura que substancialmente nenhum erro de alinhamento imperfeito está presente que possa de outro modo levar o sistema de sensor 20 a fornecer informação de trajetória errônea. A base de montagem 14 é configurada de tal modo que ela se ajusta seguramente com

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17/35 uma orientação determinável com relação ao veículo 10. Em uma modalidade exemplificativa, por exemplo, a base de montagem 14 é configurada para se ajustar planamente contra as superfícies de topo do veículo 10 para facilitar uma visão desimpedida aos satélites de GNSS.

[0039] Como o sistema de sensor 20 afixado e seguro no veículo 10, a alimentação e inicialização do sistema de sensor 20 são, portanto, executadas. Tal inicialização pode incluir, mas não está limitada a usar o sistema de controle 100 para realizar qualquer inicialização ou configuração que possam ser necessárias para uma instalação particular, incluindo a configuração de um arquivo log integral dentro de memória do sistema de sensor 20.

[0040] O sistema de sensor 20 adicionalmente pode incluir eletrônica e hardware associados adicionais. Por exemplo, o sistema de sensor 20 também pode incluir uma fonte de energia 32, por exemplo, bateria, ou outro meio de geração de energia, por exemplo, células fotovoltaicas e capacitores com capacidade ultra alta e similares. Além do mais, o sistema de sensor 20 adicionalmente pode incluir um sistema de controle 100. O sistema de controle 100 pode incluir, sem limitação, um controlador/computador 102, um monitor 104 e um dispositivo de entrada 106, tal como um teclado numérico ou teclado para operação do sistema de controle 100. O controlador 102 pode incluir, sem limitação, um computador ou processador, lógica, memória, armazenamento, registros, temporizador, interrupções, interfaces de sinal de entrada/saída, e interfaces de comunicação como requerido para realizar o processamento e

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18/35 as operações prescritas no presente. O controlador de preferência recebe entradas de vários sistemas e elementos sensores do sistema de sensor 20 (GNSS, inércia, etc.), e gera sinais de saída para controlar os mesmos e dirigir o veículo 10. Por exemplo, o controlador 102 pode receber tais entradas como o satélite de GNSS e dados e estado do receptor, dados de sistema inertes, e similares, a partir de vários sensores. Em uma modalidade exemplificativa, o sistema de controle 100 computa e emite um erro de cruzamento de trilha e/ou de direção referente à orientação atual, atitude e velocidade do veículo 10 bem como computar uma área desejada no solo. O sistema de controle 100 também permitirá ao operador configurar as várias configurações do sistema de sensor 20 e monitorar a recepção de sinal de GNSS e quaisquer outros sensores do sistema de sensor 10 auto-contidos. O sistema de controle 100, eletrônica, receptores 24, antenas 26 e quaisquer outros sensores, incluindo uma fonte de energia ótima, estão contidos dentro do compartimento 12 para facilidade de manipulação, transportabilidade e operação.

[0041] Com referência agora à figura 5, é fornecido um fluxograma descrevendo diagramaticamente uma metodologia exemplificativa para executar um processo de controle 200. Um processo de controle exemplificativa 200, tal como pode ser executado por um operador em conjunto com um sistema de controle 100, age na informação a partir do sistema de sensor 20 para emitir erro de cruzamento de trilha e/ou de direção baseado na posição 3-D corrigida, velocidade, trajetória, inclinação, velocidade de trajetória (graus por segundo), raio de curvatura e

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19/35 similares .

[0042] O sistema 22a computa sua posição, indicada p1 (x1, y1, Z1). Com referência agora ao bloco 220, o sistema de receptor e de antena 22b computa sua posição, indicada p2 (x2, y2, Z2). Com referência agora ao bloco 23, opcionalmente sistema(s) de receptor e de antena 22 adicionais computam suas respectivas posições, indicadas p3 (x3, y3, Z3), ... pn (xn, yn, Zn).

[0043] No bloco 240 do processo, empregando um cálculo geométrico, a trajetória é computada como o vetor perpendicular para o vetor unindo duas posições, no plano horiZontal (assumindo que eles estão alinhados com o veículo 10). Além do mais, no bloco 250 a rolagem do veículo 10 pode prontamente ser computado como o arcotangente da relação da diferença em alturas das duas antenas 26a e 26b dividida pelo espaço entre seus centros de fase (uma distância selecionada dentro do compartimento 12). Será apreciado que opcionalmente, se os sistemas de receptor e de antena adicionais são utiliZados e configurados para medições adicionais, os ângulos de inclinação e de rolagem também podem ser computados usando posicionamento diferencial similar ao modo para computar a trajetória. Portanto, na figura 5, opcionalmente no bloco 260 do processo, a inclinação e rolagem podem ser computadas.

[0044] Continuando com a figura 5, no bloco 270 do processo, usando o ângulo de rolagem computado e uma altura de antena conhecida (baseado na instalação em um dado veículo 10), a posição atual no centro do veículo 10 projetada para o solo pode ser calculada. Esta posição

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20/35 representa uma posição de solo verdadeira do veículo 10. Uma vez que a posição do solo é conhecida, o valor de erro representando a diferença entre onde o veículo deveria ser baseado em uma área ou trilha computada, e onde ele está atualmente, pode ser prontamente calculado como mostrado no bloco 280.

[0045] Opcionalmente, as velocidades de vetor do veículo 10 também são conhecidas ou prontamente computadas com base em um curso e trajetória existente o veículo 10. Estas velocidades do vetor podem ser prontamente utilizadas para tarefas de controle e instrumentação.

[0046]

Voltando agora à figura

6, em outra modalidade exemplificativa um processo de controle de direção 300 pode utilizar a informação acima mencionada a partir do sistema de sensor para dirigir o movimento do veículo.

No bloco

310 do processo, o controle de direção pode ser iniciado obtendo os erros computados a partir do processo

200. Voltando ao bloco 320, o processo de controle de direção 300 pode ser facilitado computando um comando de direção baseado no fator de proporcionalidade vezes a diferença na posição desejada versus a posição atual (erro de posição computado), mais um segundo fator de proporcionalidade vezes a diferença na trajetória desejado versus a trajetória atual (erro de trajetória). O segundo fator de proporcionalidade assegura que quando o veículo obtém a posição definida ele é atualmente dirigido para a trajetória correto, em vez de cruzar a rota. Tal abordagem melhorará dramaticamente a resposta e estabilidade de direção. No bloco 330 do processo, um comando de direção é

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21/35 gerado e dirigido ao veículo 10.

[0047] Além do mais, continuando com a figura

6, opcionalmente um algoritmo recursivo adaptativo também pode ser empregado para caracterizar a resposta do veículo e as características de dinâmica selecionadas. Em uma modalidade, o sistema de sensor 20 aplica os valores de controle selecionados ao mecanismo de controle de direção do veículo como descrito no bloco opcional 340 e bloco 330. O sistema de sensor 20 mede a resposta do veículo 10 como descrito no bloco 350 do processo e calcula os tempos de resposta e as características para o veículo. Por exemplo, um comando selecionado é aplicado e a proporcionalidade dos giros é medida devido à troca selecionada na direção. Voltando ao bloco 360 do processo, as respostas do veículo 10 são então utilizadas para calibrar os comandos de controle aplicando um comando de controle modificado para obter uma resposta desejada. Será apreciado que tal aspecto de auto-calibragem poderia ser simplesmente limitado pelas restrições do veículo para impedir excesso de tensão ou dano como descrito em 370.

[0048] Será apreciado que embora uma série particular de etapas ou procedimento seja descrita como parte do processo de alinhamento acima mencionado, nenhuma ordem das etapas seria necessariamente inserida a partir da ordem de apresentação. Por exemplo, o processo 200 inclui instalação e energia ou inicialização. Deveria ser evidente que energia e instalação podem ser potencialmente realizadas e executadas antecipadamente sem impactar a metodologia divulgada no presente ou no escopo das reivindicações.

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22/35 [0049] Deveria ser adicionalmente apreciado que embora uma funcionalidade de divisão exemplificativa seja fornecida, deveria ser aparente aos peritos na técnica que a divisão poderia ser diferente. Por exemplo, o controle do receptor primário 24a e do receptor secundário 24b, bem como a função do controlador 102, pode ser integrado em outras unidades. Os processos para determinar o alinhamento podem, para facilidade de implementação, ser integrado em um único receptor. Tais diferenças de configuração deveriam ser consideradas equivalentes dentro do escopo da presente descrição e reivindicações.

[0050] A invenção divulgada pode ser incorporada na forma de processos e aparelhos implementados em computador para a prática destes processos. A presente invenção pode também ser incorporada na forma de código de programa de computador contendo instruções incorporadas em meios tangíveis, tais como disquetes, CD-ROMs, unidades rígidas ou qualquer outro meio de armazenamento legível em computador 80 sendo que o computador torna-se um aparelho para praticar a invenção quando o código de programa de computador é carregado dentro e executado pelo computador. A presente invenção também pode ser incorporada na forma de código de programa de computador armazenado em um meio de armazenamento ou carregado dentro e/ou executado por um computador, por exemplo. A presente invenção também pode ser incorporada na forma de um sinal de dados 82 transmitidos por uma onda de portadora modulada ou não modulada, através do meio de transmissão, tal como fiação ou cabeamento elétrico, através de fibras óticas ou através de radiação eletromagnética. Quando o código de programa de

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23/35 computador é carregado dentro e executado por um computador, o computador torna-se um aparelho para praticar a invenção. Quando implementado em um microprocessador para fins gerais, os segmentos de código de programa de computador configuram o microprocessador para criar circuitos lógicos específicos.

[0051] A figura 7 mostra outro aspecto alternativo da invenção incluindo um sistema de antena GNSS e atitude de giroscópio 402 com as antenas 405, 406 separadas por um link rígido 407. Em uma aplicação ótica, o link rígido 407 é anexado ao veículo 10 e estende-se ao longo do eixo geométrico X (transversal) ou transversalmente com respeito à direção do veículo de viagem, que geralmente corresponde ao eixo geométrico Y (trajetória). Alternativamente, o veículo 10 por si mesmo pode fornecer o link rígido entre as antenas 405, 406, por exemplo, montando as antenas 405, 406 nos locais fixados predeterminados no teto da cabine do veículo com uma distância fixada predeterminada entre eles. Outra alternativa é fornecer um dispositivo de antena GNSS com as antenas, receptores e sensores (por exemplo, giroscópios (giros), acelerômetros e outros sensores) em um compartimento unitário contido, tal como o dispositivo 20 mostrado no compartimento 28 na figura 4. Independente da montagem da antena, a orientação do par de antenas e o link rígido 407 (ou veículo 10) são determinados com respeito a um sistema de coordenadas fixadas na Terra. Os eixos geométricos XYZ mostrados na figura 7A fornecem um exemplo para definir esta relação. Os giroscópios de rolagem e de desvio 430, 440 estão geralmente alinhados com os eixos

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24/35 geométricos Y e Z, trocas de atitude respectivamente para detectar e medir as do veículo 10 com respeito a estes eixos geométricos.

[0052]

Como o sistema 402 instalado em um veículo 10 (figura 8), as duas antenas 405, 406 pode fornecer orientação angular com respeito a dois eixos geométricos.

No exemplo mostrado, a orientação angular com respeito ao eixo geométrico Y (trajetória) corresponde à rolagem do veículo e com respeito ao eixo geométrico Z orientações corresponde ao são comumente agrícolas em que este é orientação preferido para desvio do veículo. Estas de interesse de veículos arranjo de montagem e de tal aplicação, a rolagem do veículo afeta mais adversamente o erro de cruzamento de trilha do veículo medido por GNSS. Medindo-se a rolagem do veículo, tais erros de cruzamento de trilha podem ser compensados ou eliminados. Tais erros de cruzamento de trilha induzidos por rolagem incluem erros de rolagem variáveis devido ao terreno irregular a erros de rolagem constantes devido a declives de morro.

Será apreciado que a adição de uma terceira antena fornece soluções de atitude de três eixos geométricos (XYZ) correspondentes a inclinação, rolagem e desvio. Naturalmente, quando se reorienta o sistema de duas antenas 402 pode-se fornecer outras soluções de atitude. Por exemplo, localizando a linha de base das antenas (alinhadas com o link rígido 407) no plano vertical junto ao eixo geométrico Y do veículo fornecerá atitudes de inclinação e de desvio.

0053]

A figura 7B mostra o sistema 402 em uma atitude ou condição de desvio em que o veículo 10 desvia de

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25/35 uma trajetória desejado junto ao eixo geométrico Y para uma trajetória atual por um ângulo de desvio θ_γ. Em outras palavras, o veículo girou (desviou) no sentido do relógio com respeito ao eixo geométrico Z. A figura 7C mostra o sistema 402 em uma atitude ou condição de rolagem em que o veículo 10 desviou do nível em um ângulo de inclinação ou de rolagem. Em outras palavras, o veículo girou (rolou) contra o sentido do relógio com respeito ao eixo geométrico Y.

0054] sistema

402 inclui giroscópios de rolagem e de desvio

430, 440 montados e orientados para detectar o movimento rotacional do veículo com respeito aos eixos geométricos Y e Z. O sistema 402 representa uma implementação de alça descendente com o veículo 10, antenas

405, 406 e giroscópios 430, 440 rigidamente conectados e movendo-se juntos. Um corpo é assim definido sistema de coordenadas fixado ao com os três eixos geométricos XYZ.

0055]

Em todas, mas nas mais extremas fazendas, o veículo relativamente pouco do poderia normalmente desviar-se nível e horizontal, geralmente menos do que 30^o nas operações mais agrícolas. Isto simplifica o processo de calibrar os giroscópios 430, 440 usando o sistema de atitude de GNS 402 consistindo de duas ou mais antenas 405, 406. Para simplicidade, é assumido que os eixos geométricos XYZ fixados ao corpo permanecem relativamente próximo do nível. Assim, o ângulo θγ de troca na trajetória (desvio) da figura 7B é aproximadamente medida pelo giroscópio de desvio fixado ao corpo 440, adicionalmente que possa haver alguma discrepância entre os eixos geométricos de rotação. Pressupostos similares podem

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26/35 ser feitos para o ângulo de rolagem 0r (figura 7C), que é aproximadamente medido pelo giroscópio de rolagem fixado ao corpo 430. Um pressuposto similar pode ser usado para medir os ângulos de atitude de inclinação ou de orientação com um giroscópio de inclinação.

[0056] Este pressuposto de simplificação permite que os giroscópios sejam desacoplados de outros durante a integração e evita a necessidade de se usar uma implementação de quatêrnio de alça descendente completo. Por exemplo, o desvio de trajetória é atribuído somente no giroscópio de desvio 440 (perturbações do eixo geométrico do giroscópio a partir do eixo geométrico de nível presumido são geralmente ignoradas). Similarmente, a rolagem do veículo é presumida ser medida completamente por um giroscópio de rolagem único 430. O rolagem e trajetória medidos por atitude de GNSS podem então calibrar os giroscópios 430, 440. Tais pressupostos de simplificação tendem a ser relativamente eficazes, particularmente para operações agrícolas em terreno de nível, relativamente plano. Alternativamente, uma implementação de giroscópio de alça descendente de seis graus livres com integração de quatêrnio pode ser empregado, mas tal solução normalmente poderia ser excessiva e representar um uso ineficaz de recursos de computação, a menos que um sistema de navegação inerte (INS) também estava sendo usado para fazer um backup de GNSS, por exemplo, no caso de perda de sinal de GNSS.

[0057] Para o fim de calibrar os giroscópios 430, 440, os ângulos medidos pelo sistema de atitude de GNSS 402 são usados como verdade em um estimador de filtro Kalman de erros de inclinação do giroscópio e de fator de

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27/35 escala. Durante um pequeno intervalo de tempo, T, a seguinte equação retém:

Qgiro T = A onde ΰ

'-'aifo ₌ leitura de giroscópio média sobre T = 1 / n &girc ⁿ (com n leituras tomadas no tempo T).

Oxsrtiads = mudança angular verdadeira durante intervalos T conforme medidos pelo sistema de atitude GNSS: A = erro de fator de escala de giroscópio

B = erro de inclinação de velocidade do giroscópio [0058] Um filtro de Kalman de dois estados é definido ter a base de velocidade de giroscópio e erro do fator de escala. O modelo de processo de Kalman é um Markov de primeira ordem:

° Wk ^σίΝ , onde o vetor de estado amplitudes de ruido e W é ruido é conhecido como um passeio ) projetista do filtro de Kalman escolhe Ca e Cb de acordo com o quanto rapidamente esperase que os erros de fator de inclinação e de escala variem (geralmente variações devido a dependências de temperatura de escala e inclinação em um giroscópio de custo baixo). Variações típicas, especialmente do fator de escala, são muito pequenas (A e B são quase constantes e Ca e Cb são escolhidos em conformidade. Os valores típicos para um

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28/35 giroscópio de baixo custo, usando um intervalo de tempo T são:

0.02T T σ_Α = 1200 ’ σ* = 1200 onde T é expresso em segundos e 1200 média 1200 segundos. Por exemplo, aqui um passeio aleatório é escolhido para causar uma deriva no fator de escala de 0,02 em 1200 segundos.

A equação de medição de Kalman é:

y = Hx+ v onde l^{7 —} e v é ruído de medição. O cálculo de ganho e propagação de covariância de Kalman é projetado de acordo com técnicas bem conhecidas.

[0059] Filtros de Kalman similares são implantados tanto nos canais de desvio como de rolagem (e/ou inclinação) . Os dispositivos de atitude de GNSS 20 fornecem um desvio e rolagem de referência que agem como as medições de Kalman possibilitando a calibragem da base de velocidade do giroscópio e erros de fator de escala. O dispositivo de GNSS fornece trajetória e rolagem, mesmo quando o veículo está estacionário ou viajando no sentido inverso. Isto fornece uma vantagem significativa sobre os sistemas de antena única que fornecem uma direção de veículo somente quando em movimento (isto é, vetor de velocidade). O dispositivo de atitude de múltiplas antenas 20 possibilita a calibragem contínua independente de se ou não e em que direção o veículo 10 está se movendo.

[0060] Os giroscópios calibrados 430, 440 são altamente vantajosos em um sistema de controle de direção

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29/35 de veículo. Alta precisão de trajetória e taxa da trajetória produzidas pelo giroscópio de desvio calibrado é uma realimentação muito precisa e instantânea para o controle de trocas de veículo em direção. A taxa angular produzida pelo giroscópio está pelo menos na ordem de magnitude mais precisa do que a taxa angular produzida pelos sistemas de GNSS puros, mesmo os com múltiplas antenas. O sistema 402 também é muito responsivo. O controle de realimentação exato de tal precisão e capacidade de resposta na trajetória para manter a estabilidade do loop ou taxa de trajetória de controle. É bem sabido que a realimentação de taxa em um loop de controle melhora a estabilidade.

Em um veículo agrícola, onde as dinâmicas do veículo não podem ser totalmente conhecidas ou modeladas, este aspecto é particularmente importante.

termo taxa permite um sistema de controle desenvolvido que é razoavelmente insensível veículo não modeladas. Uma trajetória e genérico a ser às dinâmicas de uma velocidade angular (rate-of-turn) de trajetória relativamente precisas podem ser calculadas para uso em um sistema de direção automático de veículo.

[0061] Outra vantagem do sistema 402 é que um giroscópio calibrado para medir o ângulo de inclinação pode fornecer a inclinação do veículo mais precisamente do que um sistema estando somente em sinais de posicionamento de GNSS. Esta vantagem é particularmente importante em auto direção de alta precisão, por exemplo, ao nível de centímetro. Erros na atitude de GNSS são eficazmente aumentados pela relação do espaçamento das antenas para a altura montada das antenas acima do solo, como ilustrado na

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30/35 figura 8, que mostra um sistema de atitude 402 compreendendo um par de antenas 405, 406 conectado por um link 407, como descrito acima. O sistema 402 é mostrado inclinado através de um ângulo de inclinação (rolagem) 0r. Uma linha de altura de antena imaginária perpendicular ao link rígido 407 é projetada para a posição de solo verdadeira do veículo 10 na figura 8 e forma o ângulo de rolagem com respeito ao eixo geométrico Z. O diferencial de altura relativo da antena pode ser projetado junto ao eixo geométrico Z vertical para um ponto de intercepção de solo e estabelece um erro de cruzamento de trilha (distância entre a posição de solo verdadeira do veículo e o ponto de intercepção de solo do eixo geométrico Z), em que os erros no diferencial de altura da antena são ampliados pela relação do comprimento do link rígido 407 para a altura da antena. O espaçamento das antenas 405, 406, que corresponde ao comprimento do link rígido 407, é tipicamente limitado pela largura do veículo 10, que pode ser relativamente alto, deste modo resultando em uma relação de altura grande de antena para espaçamento, por exemplo, cinco para um. Além disso, erros induzidos por ruído presentes nos diferenciais de altura de antena relativos a GNSS (por exemplo, ruído de fase de portadora, etc.) serão multiplicados por esta relação, que pode causar erros de direção, incluindo oscilações de direção, etc.

[0062] O sistema de atitude de GNSS 402 utiliza um giroscópio de rolagem (por exemplo, 430) para medir a taxa de troca do ângulo de rolagem em vez do ângulo de rolagem absoluto, cuja taxa de troca é integrada para computar o ângulo de rolagem absoluto. A constante de

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31/35 integração pode ser inicializada para o ângulo de rolagem derivado de GNSS e, então, subsequentemente dirigidos ao ângulo de rolagem de GNSS filtrando com filtro de Match ou filtro similar para alisar a fase de código contra a fase de veículo nos receptores de GNSS. Com relação a rolagem de veículo liso, estimativas podem, assim, ser obtidas com um giroscópio.

[0063]	Mais especificamente, em uma modalidade
exemplificativa,	a filtração é suplementada pela equação:
0filtro	(k) = Agiroscópio (k)+Ganho*[0gnss (k) - 0fíltro (k-1) -

Agiroscópio (k)]

Agiroscópio (k) = Ggirocópio k) ôgiroscópio (k-1) onde Qfiltro (k) é o ângulo de rolagem de saída desejável (no tempo k) alisado pelo ângulo de rolagem do giroscópio, mas dirigido ao ângulo de rolagem de GNSS. A rolagem de GNSS (no tempo k) é 0gnss(M enquanto a leitura bruta angular do giroscópio é Ogiroscópío(k) que é obtida integrando a taxa angular do giroscópio. A diferença na taxa integrada do giroscópio durante um intervalo de tempo (k-1 para k) é indicada Agiroscópio(k). A largura de banda do filtro e a ponderação do ângulo de rolagem de GNSS na solução são fixados pelo ganho de filtro (indicado Ganho). Um método para escolher o ganho é atribuir Ganho = T/τ, onde T é a extensão de tempo de época para época e τ é uma constante de tempo, tipicamente muito maior do que T. Quanto menor o Ganho, menos o ângulo de rolagem de GNSS é ponderado na solução. O ganho é escolhido para dar uma saída de rolagem de filtro lisa, dominada pelas características de ruído baixo do giroscópio, mas também

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32/35 mantendo alinhamento com a rolagem de GNSS. Uma vez que o giroscópio é calibrado em termos de sua escala e erros de inclinação pelos métodos descritos anteriormente, o ganho pode ser escolhido para ser muito pequeno (muito menos do que 1) e adicionalmente o ângulo de rolagem filtrado segue proximamente o ângulo de rolagem de GNSS, mas sem o ruído do ângulo de rolagem derivado de GNSS. Esquemas similares podem ser implementados para ângulos de inclinação e de trajetória, se necessários, todos com o benefício de direção melhorada se tais ângulos são usados na realimentação de controle de direção.

[0064] A figura 9 mostra um sistema de controle de GNSS e de giroscópio 502 compreendendo um aspecto alternativo da presente invenção em uma aplicação de trator e de equipamento agrícola com pulverizador 504. O veículo (por exemplo, um componente motriz ou trator) 10 é conectado a um componente e trabalho (por exemplo, um pulverizador) 506 por uma conexão articulada 508, que pode compreender uma conexão de língua e engate, ou um sistema de direção da ferramenta ou engate alimentado, tal como os mostrados nas Patentes US n° 6.865.465, n° 7.162.348 e n° 7.373.231, que são cedidas a um cessionário comum com as mesmas e incorporadas ao presente por referência.

[0065] O trator 10 e o pulverizador 506 montam o trator e a antena GNSS do pulverizador e os subsistemas de atitude do giroscópio 510, 512, respectivamente, que são similares ao sistema 402 descrito acima e fornecem as saídas de posição e de atitude derivadas de GNSS, suplementadas pela taxa derivada do giroscópio de saídas de rotação para integração pelo sistema de controle 502. O

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33/35 pulverizador 506 inclui um boom de pulverização 514 com múltiplos bicos 516 fornecendo padrões de pulverização 518, como mostrado, que cobrem eficazmente uma área 520. O sistema 502 pode ser programado para seletivamente controlar os bicos 516. Por exemplo, uma área sem pulverização 522 é mostrada na figura 9 e pode compreender, por exemplo, uma área previamente pulverizada ou uma área requerendo pulverização. Baseado na localização da área sem pulverização 522 em relação ao boom de pulverização 514, um ou mais dos bicos 516 pode ser seletivamente ativado/desativado. Alternativamente, controles seletivos podem ser fornecidos para outro equipamento, tal como plantadores agrícolas sendo eu as caixas com semente podem ser seletivamente ativadas/desativadas.

[0066] A figura 10 mostra alguns dos componentes principais do sistema 502, incluindo a antena GNSS e os subsistemas de atitude do giroscópio 510, 512 com antenas 405, 406 separadas por links rígidos 407, como descrito acima, e giroscópios inertes 514.

O trator e a ferramenta 10,

506 podem ser equipados com sistemas comparáveis incluindo receptores de

DGNSS

524, microprocessadores apropriados 526 e o giroscópio inerte

529. Sensores adicionais 528 podem incluir contra rodas, sensores de giros da rosa, acelerômetros, etc. Os componentes do sistema podem ser interconectados por uma conexão CAN 530. Alternativamente, os componentes podem ser interconectados com fio, por exemplo, com transmissores e receptores de RF.

[0067] Em operação, as funções descritas acima podem ser implementadas com o sistema 502, que tem a

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34/35 vantagem adicional de fornecer o posicionamento derivado de

GNSS e do giroscópio e sinais de atitude independentemente do trator e

da ferramenta

506. Tais sinais podem ser integrados por um ou ambos os microprocessadores 526. O trator pode ser automaticamente dirigido concordantemente, em que a ferramenta 506 é mantida no curso, com o aspecto adicional de controle automático seletivo dos bicos

516.

Por exemplo, a figura mostra o curso do trator levemente desviado do curso do pulverizador

516, cuja condição pode ser causada por um declive no campo esquerdo e direito para baixo. Tais condições de campo com declive geram atitudes de rolagem que podem ser compensadas pelo descrito acima. Por exemplo, o sistema

502 pode ajustar a saída a partir dos bicos de pulverização 516 para compensar tais condições de operação variáveis como terreno com declive, taxas de giros, deslizamento de pneu, capacidade de resposta do sistema e irregularidades do campo em que o material é aplicado uniformemente à inteira área de superfície do campo. Além do mais, o posicionamento derivado de GNSS e informação de trajetória podem ser comparados ao posicionamento e informação de trajetória atual derivados de outros sensores, incluindo giroscópios, para outra calibragem.

[0068]

Embora a descrição tenha sido feita com referência modalidades exemplificativas, será compreendido pelos peritos na técnica pertinente que várias trocas podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos sem sair do escopo da divulgação. Além disso, numerosas modificações podem ser feitas para adaptar os ensinamentos da divulgação a um

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35/35 objeto ou situação particular sem sair do escopo dos mesmos. Portanto, é pretendido que as reivindicações não sejam limitadas às modalidades particulares divulgadas como os melhores modos atualmente preferidos, contemplados para realizar os presentes ensinamentos, mas que as reivindicações possam cobrir todas as modalidades dentro do escopo e espírito verdadeiros da divulgação.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para controlar um veículo (10), incluindo um mecanismo de controle de direção, compreendendo as etapas de:

computar uma posição e uma trajetória para o veículo (10) usando um sistema de múltiplas antenas GNSS em combinação com um giroscópio de taxa;

computar um comando de controle de direção usando a posição e trajetória do veículo (10);

aplicar o comando de controle de direção ao mecanismo de direção do veículo (10);

prover o mecanismo de controle de direção do veículo (10) com um valor de controle que corresponde ao desempenho do veículo (10);

direcionar o veículo (10) com o mecanismo de controle de direção que utiliza o comando de controle de direção e o valor de controle;

o método caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

basear o comando de controle de direção em um primeiro fator de proporcionalidade multiplicado por uma diferença em uma posição desejada versus uma posição atual mais um segundo fator de proporcionalidade multiplicado por uma diferença em uma trajetória desejada versus uma trajetória atual;

garantir com o segundo fator de proporcionalidade que quando o veículo (10) alcançar a posição desejada, o veículo (10) seja também direcionado à trajetória desejada e, desse modo, evite cruzar uma trilha desejada;

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2/10 usar um algoritmo recursivo adaptativo para caracterizar a resposta do veículo (10) e as características dinâmicas selecionadas;

calcular tempos de resposta e características para o veículo (10) com base nas respostas; e calibrar o comando de controle de direção aplicando um comando de controle de direção modificado com base nas respostas para obter uma resposta desejada.

2. Método para controlar um veículo (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente as etapas de:

prover um sensor da velocidade de roda;

monitorar a velocidade da roda do veículo (10) com o sensor de roda;

prover um sensor de sentido de direção;

monitorar sentido da roda com o sensor de sentido da direção; e prover limites e auxílio em fechar os loops de monitoramento de controle adaptativo com os sensores de velocidade de roda e de direção.
3. Método para controlar um veículo (10), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente as etapas de:

comparar a velocidade baseada em GNSS, a trajetória baseada em GNSS e as saídas do giroscópio de taxa com a saída do sensor de velocidade de roda e com a

saída do sensor de sentido de direção; e usar comparações de saída para modelar derrapagem do veículo (10) e as condições atuais da taxa da direção para aumentar os loops de controle adaptativos.

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4. Método para controlar um veículo (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente as etapas de:

prover o veículo (10) com um pulverizador que inclui múltiplos bicos ou aplicadores de pulverização para aplicar material a uma superfície; e aplicar material usando a taxa de mudança da inclinação do terreno para ajustar taxas do bico ou aplicador de pulverização para compensar a inclinação do terreno.
5. Método para controlar um veículo (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente as etapas de:

variar as taxas de aplicação dos bicos ou dos aplicadores com base na razão de curva calculada pelos receptores de GNSS 24 e pelo giroscópio para aplicar os materiais em uma taxa desejada.
6. Método para controlar um veículo (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente as etapas de:

prover o veículo (10) com um veículo (10) de reboque e um implemento conectado ao veículo (10) de reboque por uma conexão articulada;

prover o implemento com um subsistema de atitude de implemento incluindo um receptor GNSS (24) e pelo menos duas antenas GNSS espaçadas em uma relação fixa predeterminada por um link rígido;

prover o subsistema de atitude de implemento com giroscópios de guinada e de rolagem adaptados para medir

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4/10 taxas de mudança da atitude de guinada e de rolo para o implemento ;

calcular os valores da atitude do implemento que incluem inclinação, retorno, trajetória, taxa de guinada e de rolagem com a saída do receptor GNSS (24) de implemento e dos giroscópios; e corrigir o trajeto do curso do implemento com o mecanismo de direção do veículo (10) usando os valores de atitude de implemento calculados.
7. Método para controlar um veículo (10), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente as etapas de:

prover o veículo (10) de reboque com um subsistema de atitude do veículo (10) de reboque incluindo um receptor GNSS (24) e pelo menos duas antenas GNSS espaçadas em uma relação fixa predeterminada por um link rígido;

prover o subsistema de atitude do veículo (10) de reboque com os giroscópios de guinada e de rolagem adaptados para medir taxas de mudança de atitude de guinada e de rolagem para o veículo (10);

calcular taxas de guinada e de rolagem para o veículo (10) de reboque com saída do receptor GNSS (24) de implemento e giroscópios;

prover o sistema de controle de direção com um controlador de microprocessador;

prover saída do veículo (10) de reboque e dos subsistemas de atitude de implemento para o controlador de microprocessador;

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5/10 computar comandos de direção pela integração das saídas do subsistema de atitude de implemento e do veículo (10) de reboque; e prover o veículo (10) de reboque e os comandos de direção integrados do implemento para o mecanismo de controle de direção.
8. Método para controlar um veículo (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente as etapas de:

computar posição e atitude do veículo (10) com o subsistema de atitude GNSS usando as diferenças de fase de portadora GNSS medidas;

prover um giroscópio de guinada (430, 440) conectado ao subsistema de atitude GNSS;

calibrar e inicializar o giroscópio de guinada (430, 440) com atitude derivada de GNSS;

configurar o giroscópio de guinada (430, 440) para derivar e prover uma saída incluindo um ângulo de guinada e uma taxa de ângulo de guinada de mudança e derivar e prover tal saída; e usar o ângulo de guinada e a taxa de ângulo de guinada das saídas da mudança do giroscópio de guinada (430, 440) para computar e emitir comandos de controle de direção ao sistema de direção do veículo (10) a partir da posição e da trajetória atuais à posição e à trajetória desejadas.
9. Sistema de sensor (20) para controlar um sistema de direção de veículo (10), o sistema de sensor (20) compreendendo:

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6/10 um subsistema de atitude de sensor global de navegação por satélite (GNSS) incluindo pelo menos um receptor e múltiplas antenas conectadas ao receptor ou receptores em um afastamento fixo, o subsistema de atitude GNSS computando posição e atitude do veículo (10) usando diferenças de fase de portadora GNSS;

um giroscópio de guinada (430, 440) conectado ao subsistema de atitude GNSS e configurado para derivar e prover saídas que incluem ângulos de guinada e taxas angulares de mudança;

o giroscópio de guinada (430, 440) sendo configurado para calibração e iniciação usando a atitude derivada de GNSS;

um subsistema de controle de direção conectado ao giroscópio de guinada (430, 440) e ao subsistema da atitude GNSS e usando o ângulo de guinada e a taxa de ângulo de guinada das saídas de mudança do giroscópio de guinada (430, 440) para computar e emitir os comandos de controle de direção ao sistema de direção do veículo (10) a partir da posição e da trajetória atuais para a posição e a trajetória desejadas;

o sistema caracterizado pelo fato de que o subsistema de controle de direção compreende um algoritmo recursivo adaptativo caracterizando a resposta do veículo (10) e as características dinâmicas selecionadas e sendo configurado para:

basear o comando de controle de direção em um primeiro fator de proporcionalidade multiplicado por uma diferença em uma posição desejada versus uma posição atual mais um segundo fator de proporcionalidade multiplicado por

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uma diferença em uma trajetória desejada versus uma trajetória atual; garantir com o segundo fator de proporcionalidade que quando o veículo (10) alcançar a

posição desejada, o veículo (10) seja também direcionado à trajetória desejada e, desse modo, evite cruzar uma trilha desejada;

calcular tempos de resposta e características para o veículo (10) com base nas respostas; e calibrar o comando de controle de direção aplicando um comando de controle de direção modificado com base nas respostas para obter uma resposta desejada.
10. Sistema de sensor (20), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

um sensor de velocidade de roda adaptado para prover uma saída que corresponde à velocidade da roda;

um sensor de sentido de direção adaptado para prover saída correspondendo ao sentido da roda; e o subsistema de controle de direção configurado para prover limites e para auxiliar o fechamento dos loops de monitoramento de controle adaptativo com a saída dos sensores de velocidade e sentido da roda.
11. Sistema de sensor (20), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o subsistema de controle de direção é configurado adicionalmente para:

comparar a velocidade baseada em GNSS, a trajetória baseada em GNSS e as saídas do giroscópio de

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8/10 taxa com a saída do sensor de velocidade da roda e a saída

do sensor de sentido da direção; usar as comparações e da saída para modelar derrapagem do veículo (10) e as condições de taxa da direção atuais para aumentar os loops de controle

adaptativos.
12. Sistema de sensor (20), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

uma função para controlar um pulverizador associado com o veículo (10) e incluindo múltiplos bicos ou aplicadores de pulverização para aplicar material a uma superfície; e a função de controle de pulverizador aplicando o material usando a taxa de mudança da inclinação do terreno para ajustar taxas do bico ou do aplicador de pulverização para compensar a inclinação do terreno.
13. Sistema de sensor (20), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

a função de controle de pulverizador variando as taxas de aplicação dos bicos ou dos aplicadores com base na razão de curva calculada pelo subsistema de atitude para aplicar os materiais em uma taxa desejada.
14. Sistema de sensor (20), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

o subsistema de atitude compreendendo um subsistema de atitude do veículo (10) de reboque associado com um veículo (10) de reboque;

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9/10 um subsistema de atitude de implemento associado com um implemento conectado ao veículo (10) de reboque por uma conexão articulada;

o subsistema de atitude de implemento incluindo um receptor GNSS (24) e pelo menos duas antenas GNSS montadas no implemento e espaçadas em uma relação fixa predeterminada por um link rígido;

o subsistema de atitude de implemento incluindo os giroscópios de guinada e de rolagem adaptados para medir as taxas de mudança de atitude de guinada e de rolagem para o implemento;

o subsistema de atitude de implemento adaptado para calcular a guinada e a rolagem para o implemento com a saída do receptor GNSS (24) de implemento e dos giroscópios; e o sistema de sensor (20) corrigindo o trajeto do curso do implemento com o mecanismo de direção do veículo.
15. Sistema de sensor, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

o subsistema de controle de direção incluindo um controlador do microprocessador;

os subsistemas de atitude de implemento e veículo (10) de reboque provendo a saída do controlador do microprocessador;

o controlador do microprocessador computando comandos de direção pela integração das saídas do subsistema de atitude de implemento e do veículo (10); e

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10/10 o controlador do microprocessador provendo os comandos de direção integrados do implemento e do veículo (10) para o mecanismo de controle de direção.
16. Sistema de sensor (20), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

um compartimento adaptado para a montagem em uma orientação fixa predeterminada no veículo (10); e um receptor GNSS (24), antenas e giroscópio sendo montados em ou no compartimento.