CN104603708A - 农用自动驾驶仪转向补偿 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种农用自动驾驶仪转向补偿，其在可转向轮牵引力丧失和/或过急弯时提供改进的转向控制。

Description

农用自动驾驶仪转向补偿

相关申请的交叉引用

本申请涉及2012年9月10日提交的名称为“农用自动驾驶仪转向补偿”的美国专利申请No.13/608,844并且要求该专利申请的优先权，该专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及农用自动驾驶仪系统的转向控制。

背景技术

由自动驾驶仪引导的农用车辆被认为是高效农田作业的必需品。与人相比，自动驾驶仪实施更精确的驾驶，并且永远不会变疲惫。自动驾驶仪提高了耕种、播种、喷药、收割以及其它作业的精度，并且降低了这些作业的成本。

农用自动驾驶仪从人类操作员手中接管了转向操纵的任务。农用自动驾驶仪可操作液压控制阀门以致动转向机构，或者可直接转动方向盘。农田拖拉机中使用的典型的自动驾驶仪通过操纵拖拉机的可转向前轮来沿着预编程路径引导该拖拉机。

如果可转向轮的牵引力(抓地力)丧失，则自动驾驶仪的性能下降。当车轮上的重量不足时、当车轮下方的地面湿或滑时，或者当在斜坡上作业时，可能会发生这种情况。如果拖拉机持续向坡下偏移或滑移，那么山坡作业会变得尤为令人苦恼。虽然增加重量能够改善牵引力，但是增加过多重量也会导致不希望的土壤压实。

即使在具有良好的牵引力的情况下，拖拉机有时也无法拐出如所期望那样急的转弯。举例来说，当拖拉机在田端掉头时，拖拉机经常无法借助单次、平滑的转向拐过急的转弯以便从一个作业行列(田垄)转移到与之相邻的另一个作业行列。环状掉头(Loopingturnaround)操作(钥匙孔式转向(key hole turn))或倒车浪费时间并且浪费可用的农田面积。

因此，与人类操作员相比，尽管自动驾驶仪能够在拖拉机(或其它农用车辆)的车轮的全范围内更快且更精确地操纵车轮的转向，但鉴于欠理想的牵引力或机械转向限制，自动驾驶仪不能保证始终精确地跟随预编程路径(沿着预编程路径前进)。需要一种能够克服这些问题而精确地引导拖拉机的拖拉机自动驾驶仪。

附图说明

图1是拖拉机的俯视图，其中示出了由自动驾驶仪监测到的各种参数。

图2是拖拉机自动驾驶仪系统的框图。

图3是向拖拉机驱动轮提供差动(differential)扭矩的系统的示意图。

图4示出了能够用最大实际转向角度跟随的路径和无法用最大实际转向角度跟随的路径。

具体实施方式

下文所述的农用自动驾驶仪转向补偿系统和方法使用差动(不同)驱动轮扭矩输入来增强常规转向。这使得即使当常规的转向能力因可转向轮的牵引力弱而减小时，农用自动驾驶仪也能够沿着期望的路径精确地引导车轮。另外，与通过操纵常规转向传动装置所实施的转向校正相比，差动扭矩允许自动驾驶仪实施更快的转向校正。最后，与单独采用轮转向相比，差动扭矩使得能够实现更急的转弯。

下文所述的系统和方法适用于广义的农用车辆。因此，为了方便起见，使用术语“拖拉机”来表示拖拉机、收割机、自行式喷洒机，等等。

图1是拖拉机的俯视图，其中示出了由自动驾驶仪监测到的各种参数。在图1中，拖拉机105被引导以便沿着预编程路径110移动。从该路径到拖拉机上的参考点107的垂直距离被称为轨迹横向误差(cross-track error)，XTE或ΔX。当参考点与路径重合时，ΔX＝0。前进方向(航向)误差Φ_ERROR是拖拉机的前进方向与预编程路径的方向之间的角度差。如果拖拉机的前进方向与路径平行，则Φ_ERROR＝0。转向角度α是拖拉机的前进方向与可转向轮之间的角度。当可转向轮笔直朝前时，α＝0。拖拉机105具有两个驱动轮120和122。

如下文所述，自动驾驶仪可独立地增大或减小各驱动轮上的扭矩。例如，为了辅助向前右转弯，可增大左轮120上的扭矩以促进左轮120的正转，并且减小右轮122上的扭矩以减缓右轮122正转。由此，自动驾驶仪控制驱动轮扭矩以便增强常规转向。

将差动轮扭矩控制对转向的影响概念化的一种方式是考虑有效转向角度。当在具有良好牵引力的路面(例如水平、干燥的公路)上行驶时，有效转向角度与实际转向角度α相同。然而，当拖拉机的可转向轮的牵引力降低时，有效转向角度可能不是操作员所预期或期望的角度。有效转向角度是这样的角度：如果实践中在良好的牵引条件下实现了这一角度，则其使得拖拉机轨迹具有与实际轨迹相同的曲率。有效转向角度可以小于α(例如，比预期更缓地转弯)或者大于α(例如，在可转向轮笔直向前的情况下滑移)。在使各驱动轮加速或减速的差动扭矩的辅助下，可以对有效转向角度进行控制。例如，当使有效转向角度大于α时，可以实现比正常转弯更急的转弯。因此，自动驾驶仪可以使用差动扭矩来增强常规转向，以此获得能使轨迹与期望路径的曲率相匹配的有效转向角度。

差动扭矩和由之产生的有效转向角度对于下述三个目的来说是有益的：i.减小前进方向误差和轨迹横向误差，ii.以比常规转向变化速率所允许的情况更快地改变车辆的前进方向，iii.使常规车轮转向在达到机械极限时还能转更急的弯(即，增大转弯曲率)。

自动驾驶仪采用将前进方向误差和轨迹横向误差最小化的控制系统。对测量出的误差进行数字滤波并且将校正信号施加到转向致动器上，以便朝向预编程路径来引导车辆。可以使用差动驱动轮扭矩作为附加的转向致动器来引导车辆。可在误差超过阈值时施加扭矩，或者可根据误差大小的函数来施加扭矩；例如，可以与误差成比例地施加扭矩。为了校正固有误差(例如，在山坡作业期间的下坡偏移(downhill drift))，可以与轨迹横向误差和/或前进方向误差的时间积分成比例地施加扭矩。作为选择，为了校正突发误差(例如，突发性滑移)，可以与轨迹横向误差和/或前进方向误差的时间微分成比例地施加扭矩。换句话说，可以用将相对于预编程路径的轨迹横向误差和/或前进方向误差最小化的比例-积分-微分(PID)反馈回路来控制辅助常规转向的差动扭矩的施加。

当自动驾驶仪依靠操纵可转向轮来改变车辆的前进方向时，改向加速度部分地受限于车轮能够以多快的速度改变转向角度α。例如，从极左转向到极右转向的过渡可能花费数秒钟。(α的改变速率可被称为转向变化速率)。当能够利用差动扭矩作为转向致动器时，可以比单独借助实际转向角度改变(actual steering anglechanges)更快地实现前进方向的改变。换句话说，有效转向角度可以比实际转向角度改变得更快。

作为转向致动器的差动扭矩使得转向角度改变得更快，但是这一操纵性能的提高的代价是转向所用的能量更多。简单的差动扭矩系统可以仅包括差动制动。制动实施得越频繁，保持拖拉机以期望的速度移动所需的能量就越多。更先进的差动扭矩系统可以经由电动机/发电机来增大和减小车轮扭矩。通过减慢内侧车轮而产生的能量可用于为外侧车轮增大扭矩。这比单独实施制动更加有效，但是不能消除差动扭矩系统所需要的能量。一般来说，多大程度及多么频繁地使用差动扭矩来增强常规的车轮转向取决于针对具体应用的系统调教。

拖拉机自动驾驶仪可以被接合，即，由自动驾驶仪主动地沿着路径引导拖拉机；或者被脱开，即，允许操作员进行手动转向控制。(为了安全，操作员一转动方向盘，大多数自动驾驶仪就自动脱开)。然而，即使在自动驾驶仪脱开时，在由方向盘的旋转所生成的手动转向命令被转换成液压转向阀的操作之前，可由自动驾驶仪来处理该手动转向命令。

转向轮可被转动直至其转向角度α达到机械极限。采用差动扭矩转向补偿的自动驾驶仪允许操作员手动转向比常规转向角度的机械极限所允许的弯更急的弯。当操作员将方向盘转动到超过常规转向极限时，自动驾驶仪向驱动轮施加扭矩以减慢转弯内侧的车轮(即，右转弯中的右轮)和/或加快转弯外侧的车轮。随着方向盘被转动为产生比实际转向角度更大的有效转向角度，所施加的差动扭矩的大小增加。

农用自动驾驶仪转向补偿系统包括全球导航卫星系统(GNSS)接收器(例如GPS接收器)、传感器、致动器和处理单元。图2是这种拖拉机自动驾驶仪系统的框图。在图2中，处理器模块205包括微处理器、存储器、显示器和数字信号滤波器。滤波器可以由微处理器中的软件来实现。GNSS接收器210向处理器提供位置信息、速度信息和时间信息。传感器215可以包括前进方向传感器、轮角度传感器、轮转速计、惯性测量单元(IMU)和/或方向盘传感器。致动器220可包括转向致动器、轮扭矩致动器和制动器致动器。下面对图2所示的功能性框图进行更详细的描述。

处理器模块205从传感器和GNSS接收器210接收数据。处理器模块205借助数字滤波器处理该数据以估计拖拉机的状态，即，拖拉机的位置、速度、姿态等。处理器模块经由例如转向致动器、轮扭矩致动器和制动器致动器等朝向期望的路径引导拖拉机。处理器可以应用反馈算法来减小拖拉机的估计状态与期望状态之间的误差，应用前馈算法来计划未来的拖拉机轨迹，或应用反馈算法和前馈算法两者。

可以使用GNSS天线和接收器210来估计拖拉机的位置和速度。GNSS接收器可以利用差分校正(例如，广域增强系统(WAAS)校正)和/或使用实时动态定位技术。

传感器215可以包括惯性测量单元(IMU)，该IMU提供前进方向以及俯仰角速度、侧倾角速度、横摆角速度。IMU的输出可以连同GNSS的输出一起经过卡尔曼滤波器，以便提供对拖拉机的状态的最佳估计。可利用电位计传感器来感测车轮的角度，或通过借助车轮及车辆的横摆角速度陀螺仪比较车轮与车辆的横摆角速度来感测车轮的角度。来自轮转速计的输出可用于检测车轮的滑移。

致动器220可以包括转动拖拉机中的方向盘的伺服电动机或者操作液压转向阀的致动器。制动器致动器独立地操纵拖拉机的各主驱动轮上的轮制动器。制动器是扭矩致动器的最简单的形式。当然，制动器只能减慢车轮的正向或反向旋转。

能够增大及减小扭矩的轮扭矩致动器的实例包括电动机/发电机。当电动机/发电机作为电动机来操作时，增大驱动轴上的扭矩；当电动机/发电机作为发电机来操作时，减小驱动轴上的扭矩。

图3是向拖拉机驱动轮提供差动扭矩的系统的示意图。在图3中，驱动轴305从发动机(未示出)向差速器齿轮箱310提供扭矩。来自差速器的扭矩然后被施加到车轮325和327上。制动器320和322以及可选的直流电动机/发电机315和317影响施加到车轮上的扭矩的大小。如果车轮325是拖拉机的右轮，则由制动器320施加的制动倾向于使拖拉机向右横摆。类似地，如果车轮327是拖拉机的左轮，则由经由电动机317增加的扭矩倾向于使拖拉机向右横摆。经由电动机317增加扭矩和经由电动机315减小扭矩增大了上述影响的大小。

当电动机/发电机从驱动轴减小扭矩时，其产生了电力。在配备有图3所示的电动机/发电机的车辆中，可通过将用作发电机的电动机/发电机的电输出连接至用作电动机的电动机/发电机的电输入，来将扭矩从一个车轮传递至另一个车轮。通过提供与车轮相连的各电动机/发电机之间的电连接，可从内侧车轮减小扭矩并将减下来的扭矩增加到外侧车轮。

由各独立的轮液压马达提供动力的拖拉机为差动扭矩驱动系统提供了附加的机会。自行式喷洒机例如使用多个独立的轮液压马达而免除了连续轴，并且因此具有高的离地间隙。可通过为每个轮液压马达设置独立的液压控制阀来对具有这类驱动系统的车辆作出改进。然后，自动驾驶仪控制液压阀致动器以便向每个车轮独立地施加扭矩。

图4示出了能够用最大实际转向角度跟随的路径和无法用最大实际转向角度跟随的路径。路径405表示采用常规转向能够实现的最急的转弯。通过从转弯内侧的车轮减小扭矩、通过向转弯外侧的车轮增加扭矩、或通过同时实施这两个操作，可以实现更急的转弯410。

施加在拖拉机的驱动轮上的差动扭矩有效地引入了附加的转向致动器，自动驾驶仪可使用该附加的转向致动器来沿着期望的路径引导拖拉机。可以使用这种有效的转向致动器来增强或补偿常规的转向致动器，从而提高自动驾驶仪的性能。具有转向补偿的自动驾驶仪与不具有转向补偿的自动驾驶仪相比可以更精确地跟随期望的路径，并且可以更快地从偏离路径的状态恢复。差动扭矩还使得拖拉机能够作出急转弯，这特别对于进行行列端部处的掉头操作是有用的。

提供对所公开的实施例的上述说明以使得任何本领域技术人员能够制造或实施本发明。对这些实施例的各种变型对于本领域的技术人员来说是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，说明书中所限定的原理可以应用到其它实施例中。因此，本发明并不限制于所示出的实施例，而是与说明书中所公开的原理和新颖特征相符的最宽的保护范围相对应。

说明书中所描述的全部元件、部分和步骤是优选地包括的。应该理解，对于本领域技术人员来说，这些元件、部分和步骤中的任何一者均可被其他元件、部分和步骤所代替或者被一起删除。

整体上来说，本申请至少披露了一种用在牵引力丧失、过急弯、或者可移动车辆偏离指定路径的情况下的自动驾驶仪转向补偿装置或系统。

构思

本申请至少披露了以下构思：

构思1.一种农用自动驾驶仪，包括：

位置传感器、速度传感器和前进方向传感器；

多个转向致动器和多个驱动轮扭矩致动器；以及，

微处理器和存储器，所述微处理器和所述存储器：

使用由所述位置传感器、所述速度传感器和所述前进方向传感器提供的数据以及数字滤波器来估计车辆的状态，并且，

使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器来朝向存储在所述存储器内的预编程路径引导所述车辆。

构思2.根据构思1所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮制动器。

构思3.根据构思1或2所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮电动机。

构思4.根据构思1或2所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮液压马达。

构思5.根据构思1至4中任一项所述的自动驾驶仪，其中，所述位置传感器和所述速度传感器包括全球导航卫星系统接收器。

构思6.根据构思1至5中任一项所述的自动驾驶仪，其中，所述微处理器采用控制所述驱动轮扭矩致动器的比例-积分-微分反馈回路。

构思7.一种沿着路径引导车辆的方法，包括：

提供自动驾驶仪系统，所述自动驾驶仪系统包括：

位置传感器、速度传感器和前进方向传感器；以及，

多个转向致动器和多个驱动轮扭矩致动器；

通过对所述位置传感器、所述速度传感器和所述前进方向传感器提供的数据进行数字滤波来估计所述车辆的状态；以及，

通过根据所述车辆的状态与预编程路径之间的前进方向误差和轨迹横向误差的函数操作所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器，来减小所述前进方向误差和所述轨迹横向误差。

构思8.根据构思7所述的方法，其中，所述前进方向误差和轨迹横向误差的函数与所述前进方向误差和轨迹横向误差的大小成正比。

构思9.根据构思7所述的方法，其中，所述前进方向误差和轨迹横向误差的函数是所述前进方向误差和轨迹横向误差的时间积分。

构思10.根据构思7所述的方法，其中，所述前进方向误差和轨迹横向误差的函数是所述前进方向误差和轨迹横向误差的时间微分。

构思11.根据构思7至10中任一项所述的方法，其中所述前进方向误差和轨迹横向误差的函数包括误差阈值。

构思12.一种农用自动驾驶仪，包括：

方向盘传感器；

多个转向致动器和多个驱动轮扭矩致动器；以及，

微处理器和存储器，所述微处理器和所述存储器：

使用由所述方向盘传感器提供的数据以及数字滤波器来估计期望转向角度，

当所述期望转向角度小于或等于实际转向角度时，使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器实现与所述期望转向角度相等的有效转向角度，并且，

当所述期望转向角度大于所述实际转向角度时，使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器实现比所述实际转向角度大的有效转向角度。

构思13.根据构思12所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮制动器。

构思14.根据构思12或13所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮电动机。

构思15.根据构思12或13所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮液压马达。

构思16.一种用于辅助农用车辆操作员的方法，包括：提供自动驾驶仪系统，所述自动驾驶仪系统包括：

方向盘传感器；以及，

多个转向致动器和多个驱动轮扭矩致动器；

使用由所述方向盘传感器提供的数据和数字滤波器来估计期望转向角度；

当所述期望转向角度小于或等于实际转向角度时，使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器实现与所述期望转向角度相等的有效转向角度；以及，

当所述期望转向角度大于所述实际转向角度时，使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器实现比所述实际转向角度大的有效转向角度。

Claims (16)

1.一种农用自动驾驶仪，包括：

位置传感器、速度传感器和前进方向传感器；

多个转向致动器和多个驱动轮扭矩致动器；以及，

微处理器和存储器，所述微处理器和所述存储器：

使用由所述位置传感器、速度传感器和前进方向传感器提供的数据以及数字滤波器来估计车辆的状态，并且，

使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器来朝向存储在所述存储器内的预编程路径引导所述车辆。

2.根据权利要求1所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮制动器。

3.根据权利要求1所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮电动机。

4.根据权利要求1所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮液压马达。

5.根据权利要求1所述的自动驾驶仪，其中，所述位置传感器和所述速度传感器包括全球导航卫星系统接收器。

6.根据权利要求1所述的自动驾驶仪，其中，所述微处理器采用控制所述驱动轮扭矩致动器的比例-积分-微分反馈回路。

7.一种沿着路径引导车辆的方法，包括：

提供自动驾驶仪系统，所述自动驾驶仪系统包括：

位置传感器、速度传感器和前进方向传感器；以及，

多个转向致动器和多个驱动轮扭矩致动器；

通过对所述位置传感器、速度传感器和前进方向传感器提供的数据进行数字滤波来估计所述车辆的状态；以及，

通过根据所述车辆的状态与预编程路径之间的前进方向误差和轨迹横向误差的函数操作所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器，来减小所述前进方向误差和所述轨迹横向误差。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述前进方向误差和轨迹横向误差的函数与所述前进方向误差和轨迹横向误差的大小成正比。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述前进方向误差和轨迹横向误差的函数是所述前进方向误差和轨迹横向误差的时间积分。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述前进方向误差和轨迹横向误差的函数是所述前进方向误差和轨迹横向误差的时间微分。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述前进方向误差和轨迹横向误差的函数包括误差阈值。

12.一种农用自动驾驶仪，包括：

方向盘传感器；

多个转向致动器和多个驱动轮扭矩致动器；以及，

微处理器和存储器，所述微处理器和所述存储器：

使用由所述方向盘传感器提供的数据以及数字滤波器来估计期望转向角度，

当所述期望转向角度小于或等于实际转向角度时，使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器实现与所述期望转向角度相等的有效转向角度，并且，

当所述期望转向角度大于所述实际转向角度时，使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器实现比所述实际转向角度大的有效转向角度。

13.根据权利要求12所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮制动器。

14.根据权利要求12所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮电动机。

15.根据权利要求12所述的自动驾驶仪，其中，所述驱动轮扭矩致动器包括各自的驱动轮液压马达。

16.一种用于辅助农用车辆操作员的方法，包括：

提供自动驾驶仪系统，所述自动驾驶仪系统包括：

方向盘传感器；以及，

多个转向致动器和多个驱动轮扭矩致动器；

使用由所述方向盘传感器提供的数据和数字滤波器来估计期望转向角度；

当所述期望转向角度小于或等于实际转向角度时，使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器实现与所述期望转向角度相等的有效转向角度；以及，

当所述期望转向角度大于所述实际转向角度时，使用所述转向致动器和所述驱动轮扭矩致动器实现比所述实际转向角度大的有效转向角度。