CN106643800A - 航向角误差校准方法及自动导航驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开航向角误差校准方法及自动导航驾驶系统。该方法包括该方法包括如下步骤：S1、将车辆置于平坦地面上，确保前轮转向为中位，在车辆行驶过程中，采集车辆的航向角；S2、根据θ＝(α+β)/2‑γ获得原始航向角误差，其中，α和β分别为在行驶过程中采集的航向角且该两个位置点之间的直线距离为预设值，γ为所述两个位置点构成的线段的航向角；S3、计算多个原始航向角误差的平均值得到航向角误差。本发明校准简单且能确保校准精度。

Description

航向角误差校准方法及自动导航驾驶系统

技术领域

本发明涉及天线安装误差的校准方法，尤其涉及校准航向角误差的方法，还涉及地形补偿方法及地形补偿系统。

背景技术

精准农业中使用的自动导航驾驶系统包括基准站、接收机、惯导系统和控制器。基准站向移动站发送差分数据。接收机基于差分数据获得拖拉机的实时位置。惯导系统获得拖拉机的姿态数据。控制器处理所述姿态数据和实时位置得到拖拉机运行线路。

但随着技术的发展，出现了在拖拉机顶部安装双天线以测量拖拉机姿态的方式，这种方式可以替代惯导系统。这种方式通过在拖拉机的车顶安装主天线和从天线，由于安装有误差，安装误差将使得基于主天线和从天线的信号得到的航向角存在偏差，所以，急需一种校准双天线系统的航向角安装误差的方法，而且，该方法操作简便，校准精度高。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种安装双天线引起的航向角误差的校准方法，该方法操作简便。

本发明还提供一种自动导航驾驶系统，该系统基于所述航向角误差校准方法实现，使得车辆能在精准的路径上行驶。

为解决上述问题，本发明提供一种航向角误差校准方法，用于校准在车辆顶部安装有主天线和从天线引起的航向角误差。该方法包括如下步骤：S1、将车辆置于平坦地面上，确保车辆的前轮转向为中位，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角；S2、根据θ＝(α+β)/2-γ获得原始航向角误差，其中，α和β分别为行驶过程中采集的航向角且采集这两个航向角的位置点之间的直线距离为预设值，γ为所述两个位置点构成的线段的航向角；S3、计算多个原始航向角误差的平均值得到航向角误差。

在一种实施方式种，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角具体为：在所述行驶轨迹的一个位置点和与该位置点相隔预定值的另一位置点采集车辆的航向角；或者，在所述行驶轨迹的首段和尾段采集航向角。

在一种实施方式种，所述车辆行驶速度至少1m/s。

在一种实施方式中，所述预设值至少为30米。

本发明还公开一种控制器，该控制器包括接收模块、处理模块和输出模块，其中，所述接收模块接收航向角；所述处理模块基于航向角和航向角误差获得车辆控制指令，其中，所述航向角误差采用如下步骤获得：S1、将车辆置于平坦地面上，确保车辆的前轮转向为中位，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角；S2、根据θ＝(α+β)/2-γ获得原始航向角误差，其中，α和β分别为在行驶轨迹上直线距离为预设值的两个位置点采集的航向角，γ为所述两个位置点构成的线段的航向角；S3、计算多个原始航向角误差的平均值得到航向角误差。

在一种实施方式种，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角具体为：在所述行驶轨迹的一个位置点和与该位置点相隔预定值的另一位置点采集车辆的航向角；或者，在所述行驶轨迹的首段和尾段采集航向角。

在一种实施方式种，所述车辆行驶速度至少1m/s。

在一种实施方式中，所述预设值至少为30米。

本发明还公开一种自动导航驾驶系统，该系统包括设置在车辆顶部的主天线和从天线、接收机和控制器。所述接收机基于主天线和从天线接收的卫星信号获得车辆的航向角；所述控制器基于所述航向角和航向角误差产生控制车辆行驶的指令，其中，所述航向角误差采用如下方法获得：S1、将车辆置于平坦地面上，确保车辆的前轮转向为中位，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角；S2、根据θ＝(α+β)/2-γ获得原始航向角误差，其中，α和β分别为在行驶轨迹上直线距离为预设值的两个位置点采集的航向角，γ为所述两个位置点构成的线段的航向角；S3、计算多个原始航向角误差的平均值得到航向角误差。

在一种实施方式种，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角具体为：在所述行驶轨迹的一个位置点和与该位置点相隔预定值的另一位置点采集车辆的航向角；或者，在所述行驶轨迹的首段和尾段采集航向角。

在一种实施方式种，所述车辆行驶速度至少1m/s。

在一种实施方式中，所述预设值至少为30米。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在车辆的前轮转向为中位的前提下使车辆行驶，在行驶过程中采集航向角并根据θ＝(α+β)/2-γ计算原始航向角误差，对原始航向角误差平均就得到最终的航向角误差，这样，只需要确保车辆的前轮转向为中位即可完成航向角误差的校准，操作简单。

2、由于在所述行驶轨迹的位置点和与该位置点相隔预设距离的另一位置采集车辆的航向角；或者，在所述行驶轨迹的首段和尾段采集航向角，这样，不仅运算量小，而且能确保航向角误差的校准精度。

3、由于所述车辆行驶速度为1m/s，30秒后至少行驶30米，如果RTK的定位误差为5cm，则，两点的最大误差为0.096°；60秒后至少行驶60米以上，如果RTK的定位误差为5cm，可以算出两点的航向误差最大为0.048°，所以，精度高；在对原始航向角误差求平均值后，校准精度更高，可以满足要求。

4、由于所述预设值至少为30米，这样，公式中γ的计算精度高而使得本发明获得航向角误差精度高，再由于双天线在测量航向且基线长为1m时的测量精度为0.2°，在上述情况下，公式中γ的计算精度高而使得本发明获得航向角误差精度最差为0.3°，所以，本发明是一种操作简单且能确保校准精度的方法。

附图说明

图1是本发明中航向角误差校准方法第一种车辆运行轨迹的示意图；

图2是本发本发明航向角误差校准方法另一种车辆行驶轨迹的示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

本发明的技术人员在研发自动导航驾驶系统过程中，将主天线和从天线安装于车辆顶部且使得主天线和从天线的连线沿着车辆的横轴方向，在安装过程中，人工安装将导致误差，这种误差导致航向角出现误差，进而，使得车辆不会按照预设的线路行驶，比如，在精准农业中，这种误差将使得拖拉机偏移预定的路线，影响作业效果。为了校准安装主天线和从天线引起的航向角误差，本发明提出了校准航向角误差的方法。

请参阅图1和图2，本实施例的航向角误差校准方法主要步骤如下：

S1、将车辆置于平坦地面上，确保车辆的前轮转向为中位，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角。

在该步骤中，保证拖拉机前轮转向为中位即可就确保车辆的行驶轨迹是曲率比较小的圆弧，当然，最为理想的行驶轨迹是直线，现实中很难满足，所以，本发明使得车辆行驶轨迹是曲率比较小的圆弧，以此来代替直线。

在该步骤中，车辆(拖拉机)行驶速度至少是1m/s，这样，30秒后行驶的路程至少为30米，如果RTK的定位误差为5cm，则，可以算出该两位置点的航向误差最大为0.096°；60秒后至少行驶60米，如果RTK的精度带来的定位误差约为5cm，可以算出两点的航向误差最大为0.048°，所以，行驶速度至少1m/s可以确保校验精度高；在对原始航向角误差求平均值后，校准精度更高，可以满足要求。另外，行驶速度至少为1m/s还可以保证采集速度快，很快能将数据采集完成。

为了提高计算的航向角误差的精度，在行驶过程中采集车辆的航向角有如下两种方式(如何采集航向角及航向角如何计算得到属于现有技术，本发明仅对采集方式说明如下)。第一种方式如下：

所述行驶轨迹的一个位置点和与该位置点相预定值的另一位置点采集车辆的航向角，图1仅仅示意出7个位置点(A、a1、a12、a13、a14、a15、B)，以该7个点为例说明第一种采集方式如下：行驶轨迹上的位置点A采集航向角，又在位置点A+30米采集航向角；位置点a1采集航向角，又在位置点a1+30米采集航向角；在位置点a2采集航向角，又在位置点a2+30米采集航向角；在位置点a3采集航向角，又在位置点a3+30米处采集航向角……，在B处采集航向角，以此类推。这种方式确保了数据的成对出现，提高了计算航向角误差的精度，基于本实施例的启示，技术人员可以理解，预定值至少为30米，这样，可以确保数据成对出现，步骤S2的公式中γ的计算精度高而使得本发明获得航向角误差精度为0.096°，精度高。当然，预定值也可以是其他值，只要能满足公式2中α和β的要求即可。

第二种方式，在所述行驶轨迹的首段和尾段采集航向角，首段和尾段根据需要的数据个数确定，以确保计算精度和运算量小为目的。比如，需要前后20个位置点的航向角，按照前述1m/s的速度，首段就是自起点开始20米的行驶轨迹，尾段是轨迹上某点至终点的行驶轨迹是20米，图2示意出首段和尾段各5个位置点。

S2、根据θ＝(α+β)/2-γ获得航向角误差，其中，α和β分别为在行驶轨迹上直线距离为预设值的两个位置点采集的航向角，γ为所述两个位置点构成的线段的航向角。

在该步骤中，直线距离为预设值的两个位置点构成的线段就可以求得一个航向角，比如，图1所示AB仅是一种一种组合，如果a11和a15的直线距离为预设值，也可以用来计算航向角。图2首段和尾段分别示意出5个位置点，则，共有5种组合，AB也仅是其中一种组合；所述预设值根据精度需要而设定，预设值越大，精度越高，在本发明中，为了使得校准精度在0.3度之内，所述预设值至少为30米，比如，30、35、40、50、60、80、120等，这样，公式中γ的计算精度高而使得本发明获得航向角误差精度高。当预设值为30米时，如果RTK定位误差为5cm，则，可以算出两点的航向误差最大为0.096°；预设值为60米时，如果RTK的精度带来的定位误差约为5cm，可以算出两点的航向误差最大为0.048°，所以，本发明是一种操作简单且能确保校准精度的方法。

请参阅图1，以AB为例说明上述公式的推导过程如下：

图1中拖拉机从A点行驶至B点，其中，θ为安装主天线和从天线导致的航向角误差，是我们需要校准的角度。角α1为拖拉机在位置点A的实际航向，角β1为拖拉机在位置点B的实际航向，那么，在位置点A采集到的航向角α＝α1+θ(公式1)，在位置点B采集到的航向角β＝β1+θ(公式2)，线段AB的航向角可以通过点A和点B的坐标计算出来，记为γ。根据几何关系有如下公式：

δ＝γ-β1 (3)

δ＝α1-γ (4)

根据上述公式3和公式4，α1+β1＝2γ(公式5)，而根据公式1和公式2，有α+β＝α1+β1+2θ(公式6)，所以，有α+β＝2γ+2θ，由此，

θ＝(α+β)/2-γ (7)

通过上述公式7对于前后各20个位置点的情况，将直线距离为所述预设值的两个位置点的航向角作为上述α和β并将该两个点的构成的线段计算航向角γ，由此，可以得到多个航向角误差，为方便后面叙述，将此航向角误差称为原始航向角误差。

S3、计算多个原始航向角误差的平均值得到最终的航向角误差。

将步骤S2中计算得到的多个原始航向角误差进行平均就得到最终的航向角误差，以图2为例，假如前后各5个位置点构成5种组合计算得到5个原始航向角误差，将这5个原始航向角误差进行平均就得到最终的航向角误差。

以上述航向角误差校准方法的技术思路为基础，本发明还可以提供一种控制器，该控制器包括接收模块、处理模块和输出模块。所述接收模块接收航向角。所述处理模块基于航向角、航向角误差和来自角度传感器的角度信号获得车辆控制指令，其中，所述航向角误差采用如下步骤获得：S1、将车辆置于平坦地面上，确保车辆的行驶轨迹是圆弧，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角；S2、根据θ＝(α+β)/2-γ获得航向角误差，其中，α和β分别为在行驶轨迹上直线距离为预设值的两个位置点采集的航向角，γ为所述两个位置点构成的线段的航向角；S3、计算多个航向角误差的平均值得到最终的航向角误差，所述处理模块还基于航向角、航向角误差和来自角度传感器的角度信号产生车辆控制指令。所述输出模块输出所述车辆控制指令。

以上述航向角误差校准方法的技术思路为基础，本发明还公开一种自动导航驾驶系统，该驾驶系统与现有自动导航驾驶系统的区别在于：该自动导航驾驶系统的控制器基于航向角、航向角误差和来自角度传感器的角度信号产生控制车辆行驶的指令，具体的，在控制器接收到接收机的航向角后，将该航向角与航向角误差相减以得到实际航向角，并基于该实际航向角和来自角度传感器的角度信号产生控制车辆行驶的指令。如何产生指令属于现有技术，如何获得航向角误差如前所述，在此不再赘述。这种自动导航驾驶系统可以安装于精准农业的拖拉机上，当在拖拉机上安装主天线和从天线后，利用前述航向角误差校准方法得到航向角误差，并将航向角误差存储于控制器内，在拖拉机进行作业时，拖拉机会通过接收机(也可以称为移动站)获得车辆的航向角，将该航向角与预先存储的航向角误差相减得到实际的航向角，基于该航向角和来自角度传感器的角度信号产生控制指令以使得车辆按照预设线路行驶，比如，沿着直线行驶，提高作业精度。

另外，本发明适用于安装有主天线、从天线以及惯导系统的拖拉机。

Claims (10)

1.航向角误差校准方法，用于校准在车辆顶部安装有主天线和从天线引起的航向角误差，其特征是：该方法包括如下步骤：

S1、将车辆置于平坦地面上，确保前轮转向为中位，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角；

S2、根据θ＝(α+β)/2-γ获得原始航向角误差，其中，α和β分别行驶过程中采集的航向角且采集这两个航向角的位置点之间的直线距离为预设值，γ为所述两个位置点构成的线段的航向角；

S3、计算多个原始航向角误差的平均值得到航向角误差。

2.根据权利要求1所述的航向角误差校准方法，其特征是：在车辆行驶过程中采集车辆的航向角具体为：在所述行驶轨迹的一个位置点和与该位置点相隔预定值的另一位置点采集车辆的航向角；或者，在所述行驶轨迹的首段和尾段采集航向角。

3.根据权利要求1所述航向角误差校准方法，其特征是：所述车辆行驶速度至少1m/s。

4.根据权利要求1所述航向角误差校准方法，其特征是：所述预设值至少为30米。

5.控制器，其特征是：该控制器包括接收模块、处理模块和输出模块，其中，

所述接收模块接收航向角；

所述处理模块基于航向角、航向角误差和来自角度传感器的角度信号获得车辆控制指令，其中，所述航向角误差采用步骤1至4中任何1项所述的方法获得；

所述输出模块输出所述车辆控制指令。

6.自动导航驾驶系统，该系统包括安装于车辆的角度传感器、设置在车辆顶部的主天线和从天线、接收机和控制器，其中，

所述接收机基于所述主天线和从天线接收的卫星信号计算车辆的航向角；

其特征是：所述控制器基于所述航向角、航向角误差和来自所述角度传感器的角度信号产生控制车辆行驶的指令，其中，所述航向角误差采用如下方法获得：

S1、将车辆置于平坦地面上，确保车辆的前轮转向为中位，在车辆行驶过程中采集车辆的航向角；

S2、根据θ＝(α+β)/2-γ获得原始航向角误差，其中，α和β分别为行驶轨迹上直线距离为预设值的两个位置点采集的航向角，γ为所述两个位置点构成的线段的航向角；

S3、计算多个原始航向角误差的平均值得到航向角误差。

7.根据权利要求6所述的自动导航驾驶系统，其特征是：在车辆行驶过程中采集车辆的航向角具体为：在所述行驶轨迹的一个位置点和与该位置点相隔预定值的另一位置点采集车辆的航向角；或者，在所述行驶轨迹的首段和尾段采集航向角。

8.根据权利要求6所述的自动导航驾驶系统，其特征是：所述车辆行驶速度至少1m/s。

9.根据权利要求6所述航向角误差校准方法，其特征是：所述预设值至少为30米。

10.车辆，包括液压阀和自动导航驾驶系统，其特征是，所述自动导航驾驶系统是权利要求6至9中任何一项所述的自动导航驾驶系统，所述液压阀接收所述控制车辆行驶的指令以驱动车辆行驶。