CN107046820A - 一种基于双天线gnss的平地机控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能农业机械领域，更具体地涉及一种基于双天线GNSS的平地机控制系统及其控制方法，所述安装于平地铲的平地机控制系统包括双天线GNSS系统、用于检测平地铲辅助横向倾斜角度的加速度传感器、平地控制器、平地铲液压阀组以及用于保持相关高度以及倾角的调节油缸，所述双天线GNSS系统包括主天线、从天线、发送实时差分信息的GNSS RTK基准系统以及用于接收信息的GNSS接收模块，主天线、从天线与GNSS接收模块电连接；主天线、从天线以及加速度传感器将相关信息发送至GNSS接收模块，GNSS接收模块传输至平地控制器，平地控制器接收到相关信息并发送命令至平地铲液压阀组，平地铲液压阀组对平地铲进行调节高度以及倾角，调节油缸对平地铲进行调节高度以及倾角进行保持。
Description
技术领域
本发明涉及智能农业机械领域，更具体地涉及一种基于双天线GNSS的平地机控制系统及其控制方法。
背景技术
我国淡水资源匮乏，仅占全球水资源的6％，农业灌溉用水量大，约占全国用水量的62％。传统农业生产主要采用大水漫浸灌溉方式，由于农田田面平整度差，使得灌水用水量大、利用率低。农田精准平地可以改善田面平整度，直接提高灌溉效率和效果，从而达到增加水稻产量，节约灌溉用水。
现有农田精准平地技术主要有激光平地机技术和基于GNSS平地技术。由于激光发射器的有效作业半径为300m，因此激光平地技术无满足大面积田块平整的需要，此外，随着激光平地机作业半径的增大，误差也随之增大。而目前GNSS平地技术采用单台GNSS天线，其进行平地铲自动调平时则需高精度倾角传感器，其成本高难以广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双天线GNSS的平地机控制系统及其控制方法，这样设计通过平地机控制系统设计可快捷方便地对平地铲进行倾斜角度和高度的控制调节，且精准度高，自动调节，可以实现大面积的田地平整度操作的可能，节省了时间，提高了效率；且不需要用高精度的倾角传感器，降低了生产成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于双天线GNSS的平地机控制系统，所述安装于平地铲的平地机控制系统包括双天线GNSS系统、用于检测平地铲辅助横向倾斜角度的加速度传感器、平地控制器、平地铲液压阀组以及用于保持相关高度以及倾角的调节油缸，所述双天线GNSS系统包括主天线、从天线、发送实时差分信息的GNSS RTK基准系统以及用于接收信息的GNSS接收模块，主天线、从天线与GNSS接收模块电连接；
主天线和从天线将相关信息发送至GNSS接收模块，GNSS接收模块以及加速度传感器传输至平地控制器，平地控制器接收到相关信息进行处理并发送平地铲高度调节和倾角调节命令至平地铲液压阀组，平地铲液压阀组驱动调节油缸对平地铲进行调节高度以及倾角进行保持。
本发明基于双天线GNSS的平地机控制系统，主天线和从天线将相关信息发送至GNSS接收模块，GNSS接收模块以及加速度传感器传输至平地控制器，平地控制器接收到相关信息进行处理并发送平地铲高度调节和倾角调节命令至平地铲液压阀组，平地铲液压阀组驱动调节油缸对平地铲进行调节高度以及倾角进行保持；这样设计通过平地机控制系统设计可快捷方便地对平地铲进行倾斜角度和高度的控制调节，且精准度高，自动调节，可以实现大面积的田地平整度操作的可能，节省了时间，提高了效率；且不需要用高精度的倾角传感器，降低了生产成本。
优选地，所述平地铲液压阀组包括平地铲高程液压阀组和平地铲调平液压阀组。优选地，所述调节油缸包括高程调节油缸和调平调节油缸。这样设置通过平地控制器控制信号控制驱动高程调节油缸控制平地铲保持用户设定的高度；通过平地控制器控制信号控制驱动调平调节油缸控制平地铲保持用户设定的倾斜角度(一般角度为零度，即保持平地铲水平)。平地铲高度自动控制和自动调平控制使平地铲达到农田精细平整的目的。
优选地，所述主天线、从天线安装于平地铲不同位置处。优选地，所述主天线安装于平地铲中部，从天线安装于平地铲端部。这样设置，可以通过主天线和从天线的倾斜角度获得平地铲的第一倾斜角。
本发明还提供了一种基于双天线GNSS的平地机控制系统的控制方法，步骤如下：
(a)所述GNSS RTK基准系统通过电台向GNSS接收模块发送实时差分信息，如无GNSS-RTK差分信息，GNSS接收模块将提供提示信息；
(b)在步骤(a)之后主天线和从天线向GNSS接收模块传输卫星信号，通过对主天线和从天线接收的信息进行解算获得主天线的定位位置和从天线指向主天线的倾角数据；主天线的位置数据中高度数据即为平地铲高度信息；倾角数据经滑动滤波后得到平地铲横向第一倾斜角θGNSS；加速度传感器向平地控制器传输表示平地铲横向第二倾斜角信息的加速度aacc；
(c)在步骤(b)之后，GNSS接收模块向平地控制器传输信息，平地控制器接收GNSS接收模块的平地铲高度信息、第一倾斜角θGNSS信息和第二倾斜角的加速度aacc信息，并进行信息算法运算；
(d)在步骤(c)之后，平地控制器根据信息算法运算后得出平地铲高度值，根据期望高度值输出驱动信号控制平地铲高程液压阀组进行平地铲升降；当平地铲高于期望高度时控制平地铲下降至期望高度，当平地铲低于期望高度时控制平地铲上升至期望高度；
(e)在步骤(d)之后，平地控制器根据信息算法运算后得出倾斜角信息，自动调平控制以用户设定的倾斜角度(一般为绝对“0”度，即保持平地铲水平)为期望角度输出控制信息控制平地铲调平液压阀组进行平地铲倾角调节控制；当平地铲倾斜时控制调节平地铲保持水平；
(f)在步骤(e)之后，高程调节油缸对调节后的平地铲高度进行保持，调平调节油缸对调节后的平地铲水平度进行保持。
优选地，所述GNSS接收模块从主天线的定位数据进行加权递推平均滤波处理测出平地铲高度信息。
优选地，所述GNSS接收模块对第一倾斜角θGNSS信息和第二倾斜角的加速度aacc进行如下信息融合处理：
(i)第二倾斜角的加速度aacc信息转化为平地铲第二倾斜角θacc＝arcsinaacc/g，aacc为加速度传感器输出加速度值，g为重力加速度。
(ii)平地控制器根据GNSS接收模块输出的主天线定位数据对平地机转弯过程中向心加速度进行消除：由GNSS接收模块输出的主天线经度和纬度数据识别圆周运动并获得圆周运动半径，以及从GNSS接收模块输出的速度数据中获得圆周运动的速度，计算得到向心加速度an＝v2/r，从而获得去除向心加速度影响的平地铲倾斜角度(去除向心加速度的第二加速度)θan＝arcsin(aacc-an)/g。
(iii)GNSS输出的信息串中三维位置因子PDOP≤N1时，平地铲倾斜角θ直接采用GNSS输出的第一倾角信息θGNSS，即θ＝θGNSS；GNSS输出的信息串中三维位置因子N1＜PDOP≤N2时，平地铲倾斜角θ采用GNSS的第一倾角θGNSS和去除向心加速度影响的平地铲倾斜角度θan按比例融合得到平地铲倾斜角θ，即θ＝p*θGNSS+(1-p)*θan，其中0＜p＜1；GNSS输出的信息串中三维位置因子PDOP＞N2时，平地铲倾斜角θ采用去除向心加速度影响的平地铲倾斜角θan，即θ＝θan。其中N1和N2根据GNSS信号质量进行选择，且0＜N1＜N2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种基于双天线GNSS的平地机控制系统及其控制方法的设置，采用双天线GNSS系统组成平地机控制系统，主天线安装于平地铲中间，从天线安装于平地铲一端，主天线的高度信息作为平地铲高度信息，从天线指向主天线的倾角作为平地铲第一倾斜角度，通过平地控制器驱动控制平地铲高程液压阀组和平地铲调平液压阀组实时调节平地铲高度和水平倾角，实现农田的精细平整。基于GNSS的平地技术区别于激光平地技术不受激光传输距离限制，作业范围大、效率高，更适用于大面积田间作业和丘陵地区稻田作业；
另外，本发明为提高双天线GNSS倾角测量精度，采用加速度传感器辅助测量平地铲倾角，通过GNSS定位数据(GNSS接收模块输出的主线所在经纬度信息)识别平地机是否进行圆周运动对加速度计的向心加速度影响进行消除，并与GNSS的倾角信息进行融合，获得准确稳定的平地铲倾斜角度信息。
附图说明
图1为基于双天线GNSS的平地机控制系统示意图。
图2为GNSS轨迹识别向心加速度示意图。
图3为基于双天线GNSS的平地机控制系统的控制方法流程图。
图4为基于双天线GNSS的平地机控制系统安装拖拉机后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1至4所示为一种基于双天线GNSS的平地机控制系统及其控制方法的第一实施例，所述安装于平地铲6的平地机控制系统包括双天线GNSS系统1、用于检测平地铲辅助横向倾斜角度的加速度传感器2、平地控制器3、平地铲液压阀组4以及用于保持相关高度以及倾角的调节油缸5，所述双天线GNSS系统1包括主天线11、从天线12、发送实时差分信息的GNSS RTK基准系统13以及用于接收信息的GNSS接收模块14，主天线11、从天线12与GNSS接收模块14电连接；
主天线11和从天线12将相关信息发送至GNSS接收模块14，GNSS接收模块14以及加速度传感器2将相关信息传输至平地控制器3，平地控制器3接收到相关信息进行处理从而发送平地铲高度调节和倾角调节命令至平地铲液压阀组4，平地铲液压阀组4驱动调节油缸5对平地铲进行调节高度以及倾角进行保持。
具体地，所述平地铲液压阀组4包括平地铲高程液压阀组41和平地铲调平液压阀组42。其中，所述调节油缸5包括高程调节油缸51和调平调节油缸52。这样设置通过平地控制器3控制信号控制驱动高程调节油缸51控制平地铲保持用户设定的高度；通过平地控制器控制信号控制驱动调平调节油缸52控制平地铲保持用户设定的倾斜角度(一般角度为零度，即保持平地铲水平)。平地铲高度自动控制和自动调平控制使平地铲达到农田精细平整的目的。
其中，所述主天线11、从天线12安装于平地铲不同位置处。另外，所述主天线11安装于平地铲中部，从天线12安装于平地铲端部。这样设置，可以通过主天线11和从天线12的倾斜角度获得平地铲的第一倾斜角。
本发明还一种根据所述基于双天线GNSS的平地机控制系统的控制方法，步骤如下：
(a)所述GNSS RTK基准系统13通过电台向GNSS接收模块14发送实时差分信息，如无GNSS-RTK差分信息，GNSS接收模块将提供提示信息；
(b)在步骤(a)之后，主天线11和从天线12向GNSS接收模块14传输卫星信号，通过对主天线11和从天线12接收的信息进行解算获得主天线的定位位置和从天线11指向主天线12的倾角数据；主天线11的位置数据中高度数据即为平地铲高度信息；倾角数据经滑动滤波后即得到平地铲横向第一倾斜角θGNSS；加速度传感器2向平地控制器3传输表示平地铲横向第二倾斜角信息的加速度aacc；
(c)在步骤(b)之后，GNSS接收模块14向平地控制器3传输信息，平地控制器3接收GNSS接收模块14的平地铲高度信息、第一倾斜角θGNSS信息和第二倾斜角的加速度aacc信息，并进行信息算法运算；
(d)在步骤(c)之后，平地控制器3根据信息算法运算后得出平地铲高度值，根据期望高度值输出驱动信号控制平地铲高程液压阀组41进行平地铲升降控制；当平地铲高于期望高度时控制平地铲下降至期望高度，当平地铲低于期望高度时控制平地铲上升至期望高度；
(e)在步骤(d)之后，平地控制器3根据信息算法运算后得出倾斜角信息，自动调平控制以平地铲绝对“0”度为期望角度输出控制信息控制平地铲调平液压阀组42进行平地铲倾角调节控制；当平地铲倾斜时控制调节平地铲保持水平；
(f)在步骤(e)之后，高程调节油缸51对调节后的平地铲高度进行保持，调平调节油缸52对调节后的平地铲水平度进行保持。
其中，所述GNSS接收模块14从主天线11的定位数据进行加权递推平均滤波处理测出平地铲高度信息。
另外，所述GNSS接收模块14对第一倾斜角信息和第二倾斜角进行如下信息融合处理：
(i)第二倾斜角的加速度aacc信息转化为平地铲第二倾斜角θacc＝arcsinaacc/g，aacc为加速度传感器输出加速度值，g为重力加速度；
(ii)平地控制器3根据GNSS接收模块14输出的主天线定位数据对平地机转弯过程中向心加速度进行消除：由GNSS接收模块14输出的主天线经度和纬度数据定位数据识别圆周运动并获得圆周运动半径，以及从GNSS接收模块14输出的速度数据中获得圆周运动的速度，计算得到向心加速度an＝v2/r，获得去除向心加速度影响的平地铲倾斜角度θ＝arcsin(aacc-an)/g；
(iii)当GNSS输出的信息串中三维位置因子PDOP≤N1时，平地铲倾斜角θ直接采用GNSS输出的第一倾角信息θGNSS，即θ＝θGNSS；当GNSS输出的信息串中三维位置因子N1＜PDOP≤N2时，平地铲倾斜角采用GNSS的第一倾角θGNSS和去除向心加速度影响的平地铲倾斜角度θan按比例融合得到平地铲倾斜角θ，即θ＝p*θGNSS+(1-p)*θan，其中0＜p＜1，；当GNSS输出的信息串中三维位置因子PDOP＞N2时，平地铲倾斜角θ采用去除向心加速度影响的平地铲倾斜角θan，即θ＝θan；其中N1和N2根据GNSS信号质量进行选择，且0＜N1＜N2。
如图4所示为本发明的基于双天线GNSS的平地机控制系统安装于机器设备上的示意图，本实施例中的机器设备为拖拉机7。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于双天线GNSS的平地机控制系统，其特征在于，所述安装于平地铲的平地机控制系统包括双天线GNSS系统(1)、用于检测平地铲辅助横向倾斜角度的加速度传感器(2)、平地控制器(3)、平地铲液压阀组(4)以及用于保持相关高度以及倾角的调节油缸(5)，所述双天线GNSS系统(1)包括主天线(11)、从天线(12)、发送实时差分信息的GNSS RTK基准系统(13)以及用于接收信息的GNSS接收模块(14)，主天线(11)、从天线(12)与GNSS接收模块(14)电连接；
主天线(11)和从天线(12)将相关信息发送至GNSS接收模块(14)，GNSS接收模块(14)以及加速度传感器(2)将相关信息传输至平地控制器(3)，平地控制器(3)接收到相关信息进行处理从而发送平地铲高度调节和倾角调节命令至平地铲液压阀组(4)，平地铲液压阀组(4)驱动调节油缸(5)对平地铲进行调节高度以及倾角进行保持。
2.根据权利要求1所述的基于双天线GNSS的平地机控制系统，其特征在于，所述平地铲液压阀组(4)包括平地铲高程液压阀组(41)和平地铲调平液压阀组(42)。
3.根据权利要求2所述的基于双天线GNSS的平地机控制系统，其特征在于，所述调节油缸(5)包括高程调节油缸(51)和调平调节油缸(52)。
4.根据权利要求1所述的基于双天线GNSS的平地机控制系统，其特征在于，所述主天线(11)、从天线(12)安装于平地铲不同位置处。
5.根据权利要求4所述的基于双天线GNSS的平地机控制系统，其特征在于，所述主天线(11)安装于平地铲中部，从天线(12)安装于平地铲端部。
6.一种根据权利要求3所述基于双天线GNSS的平地机控制系统的控制方法，其特征在于，步骤如下：
(a)所述GNSS RTK基准系统(13)通过电台向GNSS接收模块(14)发送实时差分信息，如无GNSS-RTK差分信息，GNSS接收模块将提供提示信息；
(b)在步骤(a)之后，主天线(11)向GNSS接收模块(14)传输定位数据，GNSS接收模块(14)从主天线(11)的定位数据测出平地铲高度信息；从天线(12)向GNSS接收模块(14)传输从天线(12)指向主天线(11)的位置关系数据，GNSS接收模块(14)从位置关系数据经滑动滤波后测出平地铲横向第一倾斜角θGNSS；加速度传感器(2)向平地控制器(3)传输表示平地铲横向第二倾斜角信息的加速度aacc；
(c)在步骤(b)之后，GNSS接收模块(14)向平地控制器(3)传输信息，平地控制器(3)接收GNSS接收模块(14)的平地铲高度信息、第一倾斜角θGNSS信息和第二倾斜角的加速度aacc信息，并进行信息算法运算；
(d)在步骤(c)之后，平地控制器(3)根据信息算法运算后得出平地铲高度值，根据期望高度值输出驱动信号控制平地铲高程液压阀组(41)进行平地铲升降控制；当平地铲高于期望高度时控制平地铲下降至期望高度，当平地铲低于期望高度时控制平地铲上升至期望高度；
(e)在步骤(d)之后，平地控制器(3)根据信息算法运算后得出倾斜角信息，自动调平控制以平地铲绝对“0”度为期望角度输出控制信息控制平地铲调平液压阀组(42)进行平地铲倾角调节控制；当平地铲倾斜时控制调节平地铲保持水平；
(f)在步骤(e)之后，高程调节油缸(51)对调节后的平地铲高度进行保持，调平调节油缸(52)对调节后的平地铲水平度进行保持。
7.根据权利要求6所述基于双天线GNSS的平地机控制系统的控制方法，其特征在于，所述GNSS接收模块(14)从主天线(11)的定位数据进行加权递推平均滤波处理测出平地铲高度信息。
8.根据权利要求7所述基于双天线GNSS的平地机控制系统的控制方法，其特征在于，所述GNSS接收模块(14)对第一倾斜角θGNSS信息和第二倾斜角的加速度aacc进行如下信息融合处理：
(i)第二倾斜角的加速度aacc信息转化为平地铲第二倾斜角θacc＝arcsinaacc/g，aacc为加速度传感器输出加速度值，g为重力加速度；
(ii)平地控制器(3)根据GNSS接收模块(14)输出的主天线定位数据对平地机转弯过程中向心加速度进行消除：由GNSS接收模块(14)输出的主天线经度和纬度数据定位数据识别圆周运动并获得圆周运动半径，以及从GNSS接收模块(14)输出的速度数据中获得圆周运动的速度，计算得到向心加速度an＝v2/r，获得去除向心加速度影响的平地铲倾斜角度θ＝arcsin(aacc-an)/g；
(iii)当GNSS输出的信息串中三维位置因子PDOP≤N1时，平地铲倾斜角θ直接采用GNSS输出的第一倾角信息θGNSS，即θ＝θGNSS；当GNSS输出的信息串中三维位置因子N1＜PDOP≤N2时，平地铲倾斜角采用GNSS的第一倾角θGNSS和去除向心加速度影响的平地铲倾斜角度θan按比例融合得到平地铲倾斜角θ，即θ＝p*θGNSS+(1-p)*θan，其中0＜p＜1，；当GNSS输出的信息串中三维位置因子PDOP＞N2时，平地铲倾斜角θ采用去除向心加速度影响的平地铲倾斜角θan，即θ＝θan；其中N1和N2根据GNSS信号质量进行选择，且0＜N1＜N2。
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