CN105716619A - 一种基于gps-rtk技术的无人割草车室外导航与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GPS?RTK技术的无人割草车室外导航与控制方法，属于移动车辆导航与控制技术领域。本发明的基于GPS?RTK技术的无人车室外导航控制方法，通过建立GPS?RTK基准站和移动站方式，获取厘米级定位数据，极大提高了无人车导航实时性及精度。将实时位置信息与规划路径的对比计算获得合理的无人车循迹算法。同时，四驱前轮转向式运动模型的建立，简化了无人割草车的控制难度。

Description

一种基于GPS-RTK技术的无人割草车室外导航与控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于GPS-RTK技术的无人割草车室外导航与控制方法，属于移动车辆导航与控制技术领域。

背景技术

无人割草车是一种大型草场使用的除草车。无人割草车是一种新型的智能化车辆，也可以称之为轮式移动机器人。在移动机器人相关技术中，导航技术及控制技术是其核心内容，导航是指无人车通过传感器感知周边环境和自身状态，实现面向目标的自主运动。导航主要解决三个方面的问题：1)通过一定的检测手段获取无人车在空间中的位置、方向以及所处环境的信息；2)用一定的算法对所获取信息进行处理并建立环境模型；3)寻找一条最优或者近似的无碰路径，实现移动机器人安全移动的路径规划。目前主要的无人车导航技术有：视觉导航技术、磁导航技术、惯性导航技术、卫星导航技术和声光导航技术。视觉导航技术主要指通过视频图像采集周边环境信息包括交通信号灯、道路标示线和障碍物等，其具有信号探测范围宽、获取信息完整等优点，但视频图像处理算法复杂、计算量大，实时性较差。同时图像采集设备收外界光照、天气影响大，环境适应性差。磁导航主要是指埋线导航，通过在道路中间铺设通电导线，参数稳定的磁场，同时在无人车底部安装磁感应装置，从而获取路径信息。磁导航技术实现简单、抗干扰性好，不受光照、气候等外界条件影响，导航精度高；但道路铺设导线成本高、维护麻烦，目前主要适用于小范围的室内机器人导航。

惯性导航技术利用惯性传感器不间断采集载体的瞬时加速度和旋转角速度，通过计算获得无人车位置信息。具有独立导航性、短期精度高、全天候工作和较强抗干扰性等优点，但惯性导航误差随时间积累，长时间使用导航精度降低。卫星导航指通过现有的全球定位系统(包括美国GPS、俄罗斯GLONASS和中国北斗等)直接获取无人车实时位置信息的方式。具有全天候、全球性、三维定位精度高、快速等优点，但高达建筑物、树木和隧道灯会遮蔽导航信号，引起导航信息中断。声光导航主要指采用激光扫描仪、超声波雷达和红外传感器等获取目标距离、方位、高度、速度和形状等参数，并与地图进行匹配求得当前车辆位置和姿态。适合在室内、短距离内使用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述常用的导航定位精度低、实时性差的缺点，建立一种适合在空旷的室外场所采用的精确的定位方式，为无人割草车实现高精度、实时导航服务。通过建立无人割草车运动模型，来降低四驱车控制难度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

RTK(Real time kinematic)实时动态差分法是一种新的GPS测量方法，基于载波相位观测值得实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的位置坐标，并达到厘米级的定位精度。对于专用于室外的无人割草车而言GPS-RTK导航技术是无论是在定位精度和实时性上来讲都是较佳的选择。

一种基于GPS-RTK技术的无人割草车室外导航与控制方法：

建立GPS-RTK工作站，包括基准站和移动站；

基准站和移动站同时接受同一时间、统一GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值；

然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给移动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后移动站准确的实时经纬度信息，通过米制换算以及坐标系转换得到无人车精确的二维位置坐标D(x,y)；

移动站采用双天线GPS接收机，便可以获得移动站的姿态信息，包括航向、俯仰角；

无人车为四驱前轮转向轮式移动平台，无人车的四轮由四个独立的减速直流伺服电机及相应驱动控制器组成，采用电子差速方式控制无人车俩前轮转向角度；

根据无人割草车相关机械参数：轴距L、轮距C和车轮直径R；建立车辆运动模型，得到四驱电机输出转速函数N_n＝f(v，r)，以及两前轮转角函数θ_n＝f(r)；

根据已知的规划路径离散化为n个点D_n＝(x_n，y_n，δ_n)与GPS-RTK获得的无人车当前位置D＝Cx，y，δ)进行实施匹配计算；

采用逐点逼近式方法，输出无人车运行参数，即各驱动电机转速和前轮转角。

本发明的有益效果：

本发明的基于GPS-RTK技术的无人车室外导航控制方法，通过建立GPS-RTK基准站和移动站方式，获取厘米级定位数据，极大提高了无人车导航实时性及精度。将实时位置信息与规划路径的对比计算获得合理的无人车循迹算法。同时，四驱前轮转向式运动模型的建立，简化了无人割草车的控制难度。

附图说明

图1为本发明无人割草车GPS-RTK建设方案简图；

图2为本发明无人割草机四驱前轮转向运动模型简图。

具体实施方式

下面结合附图1、2对本发明进行详细描述：

(1)GPS-RTK建设方案如图1所示，基准站由一台GPS接收机和无线电台发送机组成，将其固定在高处，并实时将基站的坐标信息通过无线电台发送给移动站；

移动站由一台双天线GPS接收机和无线电台接收机组成置于无人车车顶，1号卫星天线置于车后轮轴中心，2号卫星天线置于车前轮轴中心处；1号天线点指向2号天线的方向即为无人割草车航向角δ；

(2)、无人割草车上GPS接收机输出的数据格式为GPRMC数据，包括位置、航向和速度等信息；定位数据输出更新频率设定为20Hz；

(3)、GPRMC数据位置信息为WGS-84经纬坐标，通过如下公式将其转换为大地坐标：

$\left\{\begin{array}{c}X=(N+H)\cos B\cos L\\ Y=(N+H)\cos B\sin L\\ Z=\left(N\right(1-e^2)+H)\sin B\\ N=\mathrm{\α}/{(1-e^2{\sin }^{2}B)}^{1/2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

L为大地纬度，B为大地经度，H为大地高度，α、e分别为大地坐标系对应椭球的长半轴和第一偏心率，其中a＝6378245,e＝1/298.3；

(4)、将基准站处位置(x₀，y₀)定义为无人割草车坐标系原点，从而获得新的无人割草车实时坐标(x，y，δ)，其中x＝X-X₀，y＝Y-y₀；

(5)、根据无人割草车运动模型(如图2)，在给定无人割草车运行速度v，转向半径r情况下计算获得各行走电机转速N_nl和两转向舵机角度θ_n，计算公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_1=\frac{60\·i\·v}{\mathrm{\π}\·R}\·\frac{\sqrt{{(\sqrt{r^2-L^2}-\frac{C}{2})}^2+L^2}}{r}\\ N_2=\frac{60\·i\·v}{\mathrm{\π}\·R}\·\frac{\sqrt{{(\sqrt{r^2-L^2}+\frac{C}{2})}^2+L^2}}{r}\\ N_3=\frac{60\·i\·v}{\mathrm{\π}\·R}\·\frac{\sqrt{r^2-L^2}-\frac{C}{2}}{r}\\ N_4=\frac{60\·i\·v}{\mathrm{\π}\·R}\·\frac{\sqrt{r^2-L^2}+\frac{C}{2}}{r}\\ {\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\frac{L}{\sqrt{r^2+L^2}-\frac{C}{2}}\\ {\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\frac{L}{\sqrt{r^2+L^2}+\frac{C}{2}}\\ r=\frac{L}{\sin \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中i为减速电机减速比，当无人车直线行走时 $N_1=N_2=N_2=N_4=\frac{60\·i\·v}{\mathrm{\π}\·R},$ θ₁＝θ₂＝0°，r＝∞；

(6)、无人割草车循迹采用点逼近式方法，无人割草车实时位置为D＝(x，y，δ)，当前目标点为D_n＝(x_n，y_n，δ_n)，计算方向偏差Δδ_n＝δ_n-δ，位置距离偏差垂直距离偏差 $\begin{array}{c}{\mathrm{\Δy}}_n=\\ \sqrt{{(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2}\·{\mathrm{sin\Δ\δ}}_n\end{array}$ (当D在D_n点顺时针侧时取正值)；

那么无人割草车从实时位置点向目标点逼近时所需要控制的转向角度 $\mathrm{\θ}=\mathrm{\γ}\·{\mathrm{\Δ\δ}}_n\·\frac{{\mathrm{\ΔD}}_n-{\mathrm{\Δy}}_n}{{\mathrm{\ΔD}}_n}$ (γ为自定义系数)；

(7)、不断计算无人车实时位置与目标点位置各项偏差值，获得实时输出转向角度θ，可以看出当无人车不断向目标点逼近时θ会逐渐减小到0°；

当无人车与目标点D_n之间距离偏差ΔD_n变大，而与下一个目标点之间距离偏差ΔD_n+1变小时，即认为无人车已经越过目标点D_n＝(x_n，y_n，δ_n)，转而将D_n+1＝(x_n+1，y_n+1，δ_n+1)作为目标点。

Claims (1)

1.一种基于GPS-RTK技术的无人割草车室外导航与控制方法，其特征在于：

建立GPS-RTK工作站，包括基准站和移动站；

基准站和移动站同时接受同一时间、统一GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值；

然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给移动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后移动站准确的实时经纬度信息，通过米制换算以及坐标系转换得到无人车精确的二维位置坐标D(x，y)；

移动站采用双天线GPS接收机，便可以获得移动站的姿态信息，包括航向、俯仰角；

无人车为四驱前轮转向轮式移动平台，无人车的四轮由四个独立的减速直流伺服电机及相应驱动控制器组成，采用电子差速方式控制无人车俩前轮转向角度；

根据无人割草车相关机械参数：轴距L、轮距C和车轮直径R；建立车辆运动模型，得到四驱电机输出转速函数N_n＝f(v，r)，以及两前轮转角函数θ_n＝f(r)；

根据已知的规划路径离散化为n个点D_n＝(x_n，y_n，δ_n)与GPS-RTK获得的无人车当前位置D＝(x，y，δ)进行实施匹配计算；

采用逐点逼近式方法，输出无人车运行参数，即各驱动电机转速和前轮转角。