CN107783539A - 基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，包括北斗卫星移动站接收机、北斗卫星基准站接收机、角位移传感器、车载控制器、卫星天线、电控方向盘。电控方向盘通过花键与农机的转向轴连接，控制器控制电控方向盘转动同时带动转向轴转动，转向轴带动导向轮转动，实现对农机前进方向的控制。该装置的操控方法包括如下几个步骤：S1)路径及参数设置；S2)位置及姿态计算；S3）计算目标转向角度；S4）计算导向轮转动角；S5）角度换算；S6)过程重复。本发明通过电控方向盘，使农机自动驾驶装置出故障的概率会大大降低。本发明完全模拟真人驾驶，从而完全避免以往液压控制导向轮转动的时候容易发生突变打死导向轮的情况。

Description

基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置及其操控方法

技术领域

本发明涉及车辆自动控制系统，尤其是基于北斗高精度卫星导航的农机无人驾驶与自动驾驶的装置及操控方法。

背景技术

自动驾驶车辆是一种典型的四轮移动机器人，涉及众多交叉学科知识，是当代计算机科学、模式识别、控制技术的高度结合和发展的产物，其利用功能不一的传感器来感知车辆状态，并根据规划好的路径，控制车辆的速度和转向，从而使车辆能够安全地在道路上自主驾驶。

无人驾驶车辆技术的迅速发展和广泛应用将给人们的日常生活带来深远影响和巨大的利益。积极研究和发展无人驾驶车辆技术，对于我国在激烈的国际竞争中取得有利地位具有重要意义。

目前国内农机自动驾驶的相关研究存在的问题有两点。第一：需要改装液压油路，会给农机带来故障隐患。第二：由于直接控制液压油缸，会出现突然打死导向轮的情况，有可能发生安全事故。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种四轮载具自动驾驶装置，通过安装电控方向盘实现控制转向轴来控制导向轮转动，从而实现对农机的自动驾驶控制；在安装的过程中避免对农机的油路进行改装，直接在方向盘位置安装电控方向盘，从而防止破坏农机的原有设备；本装置完全模拟真人操作方向盘，避免了突然打死导向轮的情况发生，避免了安全事故隐患。

本发明还提供了该装置的操控方法，先设置农机理想路径到控制器，控制器将根据理想路径控制电控方向盘带动农机转向轴转动从而驱动导向轮，实现对农机的自动驾驶控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，包括北斗卫星移动站接收机、北斗卫星基准站接收机、角位移传感器、车载控制器、卫星天线。

北斗卫星移动站接收机与北斗卫星基准站接收机通过无线网络连接，北斗卫星移动站接收机与车载控制器通过数据线缆连接。

还包括电控方向盘，所述电控方向盘与车载控制器通过数据与电源线缆连接，角位移传感器与电控方向盘通过数据线缆连接。

电控方向盘通过花键与农机的转向轴连接，控制器控制电控方向盘转动同时带动转向轴转动，转向轴带动导向轮转动，实现对农机前进方向的控制。

所述角位移传感器安装在任意一个导向轮转轴上，导向轮受方向盘控制，并且与转轴成同轴转动，使得角位移传感器能反应导向轮的真实转角，用于获取导向轮的角度变化。

将两个卫星天线分别安装在四轮载具的前端左右两侧的机架上，并且与四轮载具的前向呈近似90度的夹角，并且将卫星天线的电缆连接到北斗卫星移动站接收机。

所述北斗卫星移动站接收机包括两个卫星天线、一个接收机主板、一个无线接收天线。

北斗卫星移动站接收机的两个卫星天线用于计算安装有两个卫星天线的四轮载具的横滚角度以及四轮载具的前向与正北方向的夹角。

北斗卫星移动站接收机用于获取载波相位观测值并且通过无线接收天线获取北斗卫星基准站接收机发送的载波相位观测值，之后通过载波相位差分算法计算北斗卫星移动站接收机的高精度位置。

所述北斗卫星基准站接收机包括一个卫星天线、一个接收机主板、一个无线发射天线。

北斗卫星基准站接收机用于获取载波相位观测值并将其获取的载波相位观测值通过无线发射天线发送给北斗卫星移动站接收机。

所述车载控制器为带有显示屏的车载工控机。

所述车载控制器能够根据北斗卫星移动站接收机提供的两个卫星天线的位置来计算当前四轮载具的位置与姿态，同时计算与目标路径的相位误差。

基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置的操控方法，包括如下几个步骤：

S1)路径及参数设置：通过车载控制器设置四轮载具的各项参数，包括北斗卫星移动站接收机的两个卫星天线的安装位置、四轮载具轴距、四轮载具轮距和四轮载具的车轮极限角度、方向盘与转向轮的传动比，然后规划理想路径；

S2)位置及姿态计算：根据北斗卫星移动站接收机提供的高精度的经纬度数据进行投影计算，获取当前位置的平面坐标，并且根据设置好的各项参数计算四轮载具此时的位置和姿态；

S3）计算目标转向角度：通过比较此时四轮载具位置与理想路径的横向误差与航向误差，计算获得当前需要四轮载具的转向角度为目标转向角度，记为γ；

S4）计算导向轮转动角：通过读取角位移传感器的数据，得到导向轮此时的角度θ，则导向轮还需要转动的角度为γ-θ，记为Δθ；

S5）角度换算：将导向轮还需要转动的角度Δθ换算成为电控方向盘的转动圈数，同时控制方向盘转动相应的圈数；

S6)过程重复：系统自动检测并重复步骤2-5，使农机会逐渐逼近理想路径，之后会按照规划好的理想路径进行行驶，从而实现对农机的自动驾驶控制。

本发明的有益效果是，

从装置的安装上通过安装电控方向盘，实现控制转向轴来控制导向轮转动，避免以往液压自动驾驶装置需要对农机液压驱动油路进行大量改装的复杂工作，农机自动驾驶装置出故障的概率会大大降低。

从控制方法上，本发明由电控方向盘通过农机转向轴控制导向轮转动，完全模拟真人驾驶，从而完全避免了以往液压控制导向轮转动的时候容易发生突变打死导向轮的情况。

附图说明

图1示出本发明的四轮载具自动驾驶装置结构示意图。

具体实施方式

尽管将结合实例来描述本发明，但应理解，这些实例并未将本发明局限。相反，本发明意欲涵盖包括在由所附权利要求书限定的本发明的各种替代、修改和等效方案。此外，在以下本发明的详细描述中，阐述了许多具体的细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对本技术领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体的细节的情况下实践本发明。众所周知的方法、程序、部件、电路都没有进行详细描述，为避免不必要的混淆本发明的诸多方面。

如图1所示为本装置的结构示意图，两个卫星天线（4,5）需要分别安装在四轮农机的左右两侧，且用电缆与北斗卫星移动站接收机同时连接。

角位移传感器（2），安装在导向轮的转动轴上，且与转动轴保持同轴转动，用来测量导向轮的真是转角值。角位移传感器通过角位移传感器连接电缆（3）与控制器相连接。

电控方向盘（6）与车载控制器（1）相连接，用来执行控制器发出的控制导向轮转动的指令。

车载控制器内含软件系统，包括四轮载具参数设置系统、自动驾驶动作参数设置系统。四轮载具参数设置系统用于对不同四轮载具的类型和尺寸进行模型匹配；自动驾驶动作参数设置系统用于对不同四轮载具的控制方式进行动作性能匹配。

本发明自动驾驶装置的具体操作步骤如下：

步骤1：通过北斗卫星移动站接收机对接收到的导航信号进行捕获跟踪和定位解算，并获得高精度的伪距与载波相位观测数据，之后与从北斗卫星基准站接收机上通过无线传输过来的数据做差分解算，得到北斗卫星移动站接收机自身的精确位置和姿态信息。

步骤2：测量双天线在农机上的安装位置，包括双天线的安装高度、双天线之间的距离、双天线连接线到农机前轴的距离、农机的前后轴距、农机的导向轮左右轮距。将这些值测量完成之后输入到控制器中，此时控制器会根据这些测量值生成具体的车辆模型来模拟真实农机的姿态。

步骤3：测量农机的导向轮的最大、最小转角，计算导向轮居中时的角度，同时将这些值输入到控制器中，控制器将按照这些值对系统进行设定，防止出现控制错误。

步骤4：规划农机将要行驶的理想路径并且将其输入到控制器中。控制器获取到来自北斗卫星移动站接收机的位置、速度、姿态信息，通过这些信息来计算农机的实时位置，同时将该位置与设定好的路径进行对比。

步骤5：控制器通过对农机位置与理想路径的横向误差和航向误差，计算得到导向轮的目标角度γ，该角度即为农机逼近理想路径时导向轮需要转向的最佳角度。

步骤6：控制器通过读取角位移传感器的数据会实时获取当前导向轮的角度值θ，已知目前需要转向的最佳角度为γ，则导向轮还需要转动的角度为γ-θ，记为Δθ。

步骤7：控制器将导向轮还需要转动的角度Δθ通过方向盘与导向轮转动的比例关系换算成为电控方向盘的转动圈数，之后控制器控制电控方向盘转动相应的圈数。

步骤8：由于电控方向盘与农机的转向轴相连接，当电控方向盘转动时会带动农机的转向轴转动，同时转向轴会带动导向轮转动，使农机向着指定方向运动。

重复步骤4-7，农机会逐渐逼近理想路径，之后会按照规划好的理想路径进行行驶，从而实现对农机的自动驾驶控制。

Claims (8)

1.基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，包括北斗卫星移动站接收机、北斗卫星基准站接收机、角位移传感器、车载控制器、卫星天线；所述北斗卫星移动站接收机与北斗卫星基准站接收机通过无线网络连接，所述北斗卫星移动站接收机与车载控制器通过数据线缆连接，其特征是：还包括电控方向盘，所述电控方向盘与车载控制器通过数据与电源线缆连接，角位移传感器与电控方向盘通过数据线缆连接；电控方向盘通过花键与农机的转向轴连接，控制器控制电控方向盘转动同时带动转向轴转动，转向轴带动导向轮转动，实现对农机前进方向的控制。

2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，其特征是：所述角位移传感器安装在任意一个导向轮转轴上，导向轮受方向盘控制，并且与转轴成同轴转动，使得角位移传感器能反应导向轮的真实转角，用于获取导向轮的角度变化。

3.根据权利要求1所述的基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，其特征是：将两个卫星天线分别安装在四轮载具的前端左右两侧的机架上，并且与四轮载具的前向呈近似90度的夹角，并且将卫星天线的电缆连接到北斗卫星移动站接收机。

4.根据权利要求1所述的基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，其特征是：所述北斗卫星移动站接收机包括两个卫星天线、一个接收机主板、一个无线接收天线；北斗卫星移动站接收机的两个卫星天线用于计算安装有两个卫星天线的四轮载具的横滚角度以及四轮载具的前向与正北方向的夹角。

5.根据权利要求1或4所述的基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，其特征是：北斗卫星移动站接收机用于获取载波相位观测值并且通过无线接收天线获取北斗卫星基准站接收机发送的载波相位观测值，之后通过载波相位差分算法计算北斗卫星移动站接收机的高精度位置。

6.根据权利要求1所述的基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，其特征是：所述北斗卫星基准站接收机包括一个卫星天线、一个接收机主板、一个无线发射天线；北斗卫星基准站接收机用于获取载波相位观测值并将其获取的载波相位观测值通过无线发射天线发送给北斗卫星移动站接收机。

7.根据权利要求1所述的基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置，其特征是：所述车载控制器为带有显示屏的车载工控机；所述车载控制器能够根据北斗卫星移动站接收机提供的两个卫星天线的位置来计算当前四轮载具的位置与姿态，同时计算与目标路径的相位误差。

8.基于北斗卫星导航的四轮载具自动驾驶装置的操控方法，其特征是包括如下几个步骤：

S1)路径及参数设置：通过车载控制器设置四轮载具的各项参数，包括北斗卫星移动站接收机的两个卫星天线的安装位置、四轮载具轴距、四轮载具轮距和四轮载具的车轮极限角度、方向盘与转向轮的传动比，然后规划理想路径；

S2)位置及姿态计算：根据北斗卫星移动站接收机提供的高精度的经纬度数据进行投影计算，获取当前位置的平面坐标，并且根据设置好的各项参数计算四轮载具此时的位置和姿态；

S3）计算目标转向角度：通过比较此时四轮载具位置与理想路径的横向误差与航向误差，计算获得当前需要四轮载具的转向角度为目标转向角度，记为γ；

S4）计算导向轮转动角：通过读取角位移传感器的数据，得到导向轮此时的角度θ，则导向轮还需要转动的角度为γ-θ，记为Δθ；

S5）角度换算：将导向轮还需要转动的角度Δθ换算成为电控方向盘的转动圈数，同时控制方向盘转动相应的圈数；

S6)过程重复：系统自动检测并重复步骤2-5，使农机会逐渐逼近理想路径，之后会按照规划好的理想路径进行行驶，从而实现对农机的自动驾驶控制。