CN107063241B - 基于双gnss天线及单轴mems陀螺的前轮测角系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于双GNSS天线及单轴MEMS陀螺的前轮测角系统，主要由能安装于车辆车轮的单轴MEMS陀螺，能安装于车体两侧的两个GNSS接收机以及导航控制计算机组成。利用单轴MEMS陀螺和两个GNSS接收机对系统的每个部分测量一组运动信息数据，对每部分的运动数据进行信息处理获得主体的运动姿态信息和主体与转动机构之间的相对角运动信息；GNSS天线和单轴MEMS陀螺完成各运动部分数据的采集，导航控制计算机对GNSS天线解算的速度进行杆臂误差补偿后代入卡尔曼滤波器模型，估计得到车轮相对于主体的转动角度。本发明采用的双GNSS天线系统能够消除或降低大气层误差，电离层误差；本发明采用单轴MEMS陀螺采集系统的运动信息，降低了系统成本，简化了系统安装过程。
Description
技术领域
本发明属于导航控制和位置跟踪领域，特别涉及一种MEMS惯性测量器件与卫星定位系统组合导航测角的方法。
技术背景
由自动驾驶仪控制的农用车辆是高效、精准农田作业的必要设备。与人力作业相比，自动驾驶仪控制的车辆能够完成更精准的驾驶，并且重复作业时不会感到疲惫。因此，自动驾驶农用车辆能够有效地提高农田作业效率，减少作业成本。
在自动驾驶系统中，车轮相对于车辆主体的转动角度是进行车辆控制必不可少的信息。现有的自动驾驶系统中采用的机械式角度传感器虽然能够提供符合要求的角度信息，但安装、检修及更换过程复杂，耗费时间和人力。 中国专利申请号200680045195.5中所述的使用惯性测量单元（IMU）作为角度传感器，通过算法计算车轮转动角度，但系统在车辆主体和车轮上分别安装惯性测量器件，增加了系统成本，并且惯性器件受车体振动影响较大，GPS天线解算速度与实际计算速度之间存在杆臂误差，使得系统精度受到影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，克服现有技术的不足，本发明提出了一种廉价、简单的双GNSS系统及单MEMS陀螺组成的系统，完成自动驾驶系统中车轮相对于主体转角的测量问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术解决方案是：
基于双GNSS天线及单轴MEMS陀螺的前轮测角系统，其主要由能安装于车辆车轮的单轴MEMS陀螺，能安装于车体两侧的两个GNSS接收机以及导航控制计算机组成；利用单轴MEMS陀螺和两个GNSS接收机对系统的每个部分测量一组运动信息数据，对每部分的运动数据进行信息处理获得主体的运动姿态信息和主体与转动机构之间的相对角运动信息。
GNSS天线和单轴MEMS陀螺完成各运动部分数据的采集，导航控制计算机对GNSS天线解算的速度进行杆臂误差补偿后代入卡尔曼滤波器模型，估计得到车轮相对于主体的转动角度。
所述两个GNSS接收机以一定距离安装在车体两侧，安装位置之间的直线垂直于车辆车头到车尾的中轴线；所述惯性测量器件采用单轴MEMS陀螺，安装在车轮上，敏感轴垂直于地面。
所述运动信息数据包括：双GNSS天线系统测量系统主体的运动线速度，航向角信息，经纬度信息等，运动部分MEMS陀螺测量相关子系统的转动角速度。
所述信息处理包括对双GNSS天线系统输出主体的运动速率、航向角及经纬度等信息的处理；运动子系统安装的MEMS陀螺进行数据处理后积分获得转动角度信息，并与双GNSS输出信息进行组合卡尔曼滤波进行校正，输出高精度的转角信息。
进一步地，所述双GNSS接收机定位采用伪距相对差分进行定位运算，保证两个GNSS接收机观测到同一组卫星，这样将两个GNSS接收机的定位数据进行差分运算，可以去除或降低大气层误差，电离层误差，卫星轨道误差等共有误差，输出精度较高的系统运动速度、航向角及经纬度等信息。
进一步地，所述利用单轴MEMS陀螺进行数据测量的处理，是陀螺数据与双GNSS航向角度微分得到的角速度相减得到运动子系统相对于主体的转动角速率的处理，通过对处理后的相对转动角速率进行积分得到相对转动角度；然后通过主体运动与相对转角之间的运动模型，建立卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程，选取航向角输入为量测量，对相对转角误差进行估计，并对相对转角输出结果进行校正。
进一步地，所述测量计算时需要的速度信息是车辆固定轮轴的速度，而GNSS天线与固定轮轴之间存在杆臂，当车辆转向时，由于杆臂的存在造成GNSS天线测量的速度与所需速度之间有杆臂引起的速度误差，因此需要对杆臂误差进行补偿。
与现有发明相比，本发明的主要优点在于：
1）本发明采用的双GNSS天线系统能够消除或降低大气层误差，电离层误差，卫星轨道误差等共有误差，输出精度较高的系统运动速度信息。并通过相应的算法输出系统主体的航向、横滚等信息，比惯导系统输出的姿态信息有更高的精度，为导航控制提供保障。
2）本发明采用单轴MEMS陀螺采集系统的运动信息，降低了系统成本，简化了系统安装过程。同时，车辆主体的姿态和运动信息由双GNSS天线系统获得，降低了车辆运动过程中振动对数据的影响，提高了系统角度输出的精度。
3）补偿了GNSS天线速度中的杆臂引起的速度误差，提高了卡尔曼滤波器的输入精度，进而提高最终输出的角度结果精度。
附图说明
图1为本发明可应用于的车辆简化结构示意图。
图2 为本发明车轮相对转角数据处理原理框图。
具体实施方式
如图1所示，该发明专利的一项实例的结构主要包括：安装在车辆主体两侧的GNSS天线（1）和GNSS天线（2），安装在前轮结构上的单轴MEMS陀螺（3），以及相应的硬件电路和导航计算机。GNSS天线（1）和（2）分别安装在车体两侧，安装位置之间基线垂直于车头到车尾的中轴线；双天线系统负责接收主体运动的速度、位置等信息，并通过双GNSS定姿算法计算出载体的航向角。单轴MEMS陀螺3安装在车轮转向部件上，随车轮转动，敏感轴垂直于地面，测量车轮转动角速率。
图2所示的是在本发明专利中前轮转角的精确估计结果的数据处理框图。
对于各传感器采集到的信息进行处理，对单轴MEMS陀螺（3）采集角速度进行积分可得车轮在惯性系内的转动角度，用此结果减去双GNSS系统（1,2）解算的车体航向角度变化可得车轮相对于车辆主体的角度；由于陀螺零偏，积分结果存在随时间积累的误差，需要通过卡尔曼滤波器进行滤波处理，对转向角进行估计得到精确结果。
卡尔曼滤波器的状态量为转向角计算误差和陀螺零偏，陀螺零偏为一阶马尔科夫过程；观测量选择为通过车辆运动学所计算的车轮相对于主体的转动角度与积分计算的转向角度之差；通过上述模型估计出角度计算的误差，对角度进行校正。
GNSS天线（1）和GNSS天线（2）组成的双天线系统接收卫星信号，通过解算得到车辆主体的前向运动线速度、运动航向角、车辆横滚角度等信息。对双GNSS系统输出的航向角信息进行微分可以得到车头的转向角速度；
单轴MEMS陀螺（3）测量数据为车辆车轮在惯性系内的转向速度，包括车头的转向速度和车轮相对于车辆主体的相对转动速度。导航控制计算机将上述传感器的信息进行分析处理，通过相应的算法计算得到车辆车轮相对于主体的转动角度。
由于车辆运动学计算车辆车轮转角时，需要的速度是车辆固定轮轴的速度，但GNSS天线安装位置与固定轴之间存在杆臂，车辆转动时引起速度误差，所以需要补偿GNSS天线到固定轴之间的杆臂引起的速度误差。
车轮上安装的单轴MEMS陀螺的输出角速率为航向角变化速率/>和前轮转动速率 />：
通过对前轮安装的单轴MEMS陀螺输出结果进行积分得到前轮的转动角度，为航向角变化角度，/>为前轮相对车辆主体转动角度。
通过对陀螺数据积分结果与双天线系统输出的航向角变化角度作差得到转动角度。同时，利用双天线系统实时差分系统输出的速度和轴距等信息计算得前轮的绝对转向角。主体航向角变化速率/>与前轮绝对转向角 />之间关系可表示为：
其中，为车辆轴距，/>为航向角变化速率，可由双天线系统输出的航向角数据实时微分得到。速度/>在计算时需要进行杆臂误差补偿，GNSS天线（1）与固定轴中心的杆臂，由双GNSS系统输出的车辆航向角及横滚角信息微分得到车辆在相应方向上的角速率/>和角速率/>，考虑实际工作条件，车辆行驶过程中俯仰角的变化忽略不计。车辆载体系到导航系（地理系）之间的坐标转换矩阵为：
车辆转动角速率：；
则由杆臂造成的速度误差。
将GNSS天线测量的速度按照运动航向角方向分解到正东和正北两个方向，即，则经过杆臂误差补偿的速度为/>。最后将速度在航向角方向上合成得到最终的速度信息/>。
通过上述过程所描述的各个参数，建立系统方程，通过卡尔曼滤波器，对角度进行最优估计，得到精度较高的车轮转动角度信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.基于双GNSS天线及单轴MEMS陀螺的前轮测角系统，其特征是：其由能安装于车辆车轮的单轴MEMS陀螺，能安装于车体两侧的两个GNSS接收机以及导航控制计算机组成；利用单轴MEMS陀螺和两个GNSS接收机对系统的每个部分测量一组运动信息数据，对每部分的运动信息数据进行信息处理获得主体的运动姿态信息和主体与转动机构之间的相对角运动信息；所述运动信息数据包括双GNSS天线系统测量系统主体的运动线速度，航向角信息，经纬度信息，运动部分MEMS陀螺测量相关子系统的转动角速度；GNSS天线和单轴MEMS陀螺完成各运动部分数据的采集，导航控制计算机对GNSS天线解算的速度进行杆臂误差补偿后代入卡尔曼滤波器模型，估计得到车轮相对于主体的转动角度，具体为：
单轴MEMS陀螺测量数据为车辆车轮在惯性系内的转向速度，包括车头的转向速度和车轮相对于车辆主体的相对转动速度，即车轮上安装的单轴MEMS陀螺的输出角速率为主体航向角变化速率/>和前轮转动速率 />：
；
通过对前轮安装的单轴MEMS陀螺输出结果进行积分得到前轮的转动角度，/>为航向角变化角度，/>为前轮相对车辆主体转动角度；
双GNSS天线系统接收卫星信号，得到车辆主体的前向运动线速度、航向角变化角度、车辆横滚角度信息；
通过对陀螺数据积分结果与双天线系统输出的航向角变化角度/>作差得到前轮相对车辆主体转动角度 />；
同时，利用双GNSS天线系统得到前轮的绝对转向角，主体航向角变化速率与前轮绝对转向角/>之间关系可表示为：
；
其中 为车辆轴距， />为主体航向角变化速率，由双天线系统输出的航向角数据实时微分得到；速度/>在计算时需要进行杆臂误差补偿，具体为：
GNSS天线与固定轴中心的杆臂 ，由双GNSS系统输出的车辆航向角及横滚角信息微分得到车辆主体航向角变化速率 />和角速率 />，车辆行驶过程中俯仰角的变化忽略不计，车辆载体系到导航系间的坐标转换矩阵为：
；
车辆转动角速率；
则由杆臂造成的速度误差；
将GNSS天线测量的速度按照运动航向角方向分解到正东和正北两个方向，即，则经过杆臂误差补偿的速度为；
将速度在航向角方向上合成得到最终的速度信息；主体航向角变化速率/>与前轮绝对转向角 />之间关系中使用的是经过杆臂误差补偿的速度/>；
最后，卡尔曼滤波器通过前轮绝对转向角与积分计算的前轮相对车辆主体转动角度/>之差；计出角度计算的误差，对角度进行校正。
2.根据权利要求1所述的基于双GNSS天线及单轴MEMS陀螺的前轮测角系统，其特征是：所述两个GNSS接收机安装在车体两侧，安装位置之间的直线垂直于车辆车头到车尾的中轴线；单轴MEMS陀螺，安装在车轮上，敏感轴垂直于地面。
3.根据权利要求1所述的基于双GNSS天线及单轴MEMS陀螺的前轮测角系统，其特征是：所述信息处理包括对双GNSS天线系统输出主体的运动速率、航向角及经纬度的信息处理；运动子系统安装的MEMS陀螺进行数据处理后积分获得转动角度信息，并与双GNSS输出信息进行组合卡尔曼滤波进行校正，输出高精度的转角信息。
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