CN108657269A - 一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备，包括导航控制器、触摸显示装置、电机控制方向盘和机械限位开关，导航控制器用于接收差分信号，经过处理后将定位信息和相应的数据发送给触摸显示装置，所述电机控制方向盘包括方向盘电机和驱动装置，驱动装置控制方向盘电机相对转动，进而驱动车轮转动；机械限位开关用于检测车轮转角是否转动到最大位置，反馈限位触发信号给方向盘电机驱动器，本发明对现有的农业机械自动驾驶设备转向系统控制功能进行改进，取消掉前轮角度编码器，使用外接机械限位开关和电控方向盘电机自带的编码器(增量式、绝对式)实现前轮转角的位置反馈。通过控制方向盘电机增量式运动实现农业机械转向控制。

Description

一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备及方法

技术领域

本发明涉及自动驾驶控制领域，具体涉及到一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备及方法。

背景技术

随着信息技术的发展以及自动化水平的不断提高。高新技术与农业机械设备的结合越来越紧密。为适应现代农业的规模化、精确化发展等要求，农业生产机械的机械化和自动化越来越重要。

自动驾驶农业设备，将先进的实时定位技术、自动驾驶技术、定量实施等技术和农业设备相融合。对作业场地等实施精准作业，精准测量等操作。提高农业生产力和生产效率，降低对于作业人员的操作要求，实现高效，优质和可持续发展的农业作业。

现有的农业机械辅助自动驾驶控制系统中，车辆转向系统的控制采用连接在前轮的角度反馈装置进行位置反馈，然后结合定位控制输出进行转角的控制。专利号为CN105911985 A的中国发明专利公开了一种基于北斗导航的农业机械自动驾驶装置。该套装置通过外接角度反馈装置检测农机转向角，并将转向角信号传输给显示器装置。然后将转角信息传送给转向驱动控制器，转向驱动控制器控制方向盘转动，实现按照预定轨迹的运动。但是该自动驾驶装置使用的外接角度反馈装置，增大了系统生产成本，同时整套系统使用过程中，角度反馈装置传动部件跟随前轮动作，动作频繁后容易出现螺丝松动、连接部件松动等问题，进而导致角度数据反馈出现异常，为此，角度反馈装置重新安装后还需要定期进行角度校准。降低系统可靠性的同时也增加了设备维护成本。

发明内容

为了解决上述的缺陷，本发明提供了一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备及方法，本发明对现有的农业机械自动驾驶设备转向系统控制功能进行改进，取消掉前轮角度编码器，使用外接机械限位开关和电控方向盘电机自带的编码器(增量式、绝对式)实现前轮转角的位置反馈。通过控制方向盘电机增量式运动实现农业机械转向控制。

本发明提供了一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备，包括导航控制器、触摸显示装置、电机控制方向盘和机械限位开关，所述导航控制器用于接收差分信号，经过处理后将定位信息和相应的数据发送给触摸显示装置，所述电机控制方向盘包括方向盘电机和驱动装置，所述驱动装置控制方向盘电机相对转动，进而驱动车轮转动；所述机械限位开关用于检测车轮转角是否转动到最大位置，反馈限位触发信号给方向盘电机驱动器。

上述的自动驾驶设备，其中，还包括测量接收装置和电台接收装置，所述导航控制器通过测量接收装置和电台接收装置接收差分信号。

上述的自动驾驶设备，其中，所述方向盘电机设有编码器，用于实时反馈电机转动位置和速度。

本发明的另一面，一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶方法，包括以下步骤：

步骤(1)：安装机械限位开关，使得车轮转动到相应的位置时，能够触发机械开关；

步骤(2)：死区校准；

步骤(3)：建立前轮角度和电机角度对应关系Ratio(x)；

步骤(4)：根据上述建立的关系Ratio(x)，计算出机械限位触发时电机Position0对应的角度Angle0值；

步骤(5)：建立前轮角度变化增量与方向盘电机转角增量关系K：方向盘转角增量和前轮转角增量按比例关系近似；

步骤(6)：通过导航控制装置下发指令到方向盘电机驱动装置。

上述的自动驾驶方法，其中，所述步骤(1)的具体步骤为：安装机械限位开关到车轮轴处，使得车轮转动到最大位置的时候，能够触发机械开关。

上述的自动驾驶方法，其中，所述步骤(2)具体包括：控制方向盘电机执行“搜零”操作，车轮转动触发机械限位后，信号直接传输给电机驱动单元，记录触发时的电机位置信息Position0；然后控制方向盘电机反向运动，反向运动的时候，记录机械限位恢复时的电机位置信息，使用前后两个电机位置数据计算出死区区间Deadrange。

上述的自动驾驶方法，其中，所述步骤(3)具体包括：根据两轮车辆模型，控制农机转动过程中，可以根据两轮车辆动力学模型计算，结合农机运行速度、航向角信息、电机位置信息建立起前轮转角与电机相对运动距离对应关系。

上述的自动驾驶方法，其中，所述步骤(5)具体包括：农机静止情况下，手动或者自动控制使方向盘向机械限位反方向打死，记录电机位置Position1以及转换后的前轮角度值Angle1；根据公式计算比例关系K；方向盘电机使用自带编码器反馈位置，校准出死区区间范围以及对应关系Ratio(x)，前轮角度变化增量与方向盘电机转角增量关系K后，即使转向系统硬件重启、编码器位置信息重置，死区区间大小以及Ratio(x)，比例关系K并不会改变，此时，需要再次控制方向盘电机执行“搜零”运动触发机械限位找一个参考基准位Angle0以及机械限位触发时的电机位置Pos0’，按照平移的方式即可确定实际前轮角度信息。

上述的自动驾驶方法，其中，所述步骤(6)具体包括：农机自动驾驶的时候，接收用户通过触摸显示装置设定的运动轨迹信息，通过接收装置接收参考站的差分信号，然后导航控制装置根据差分信号得到定位信息，根据当前位置和目标位置计算出车轮转动参数，下发给方向盘电机驱动装置，电机驱动器控制方向盘电机增量运动，实现车轮按目标角度、速度转动，从而实现农机自动辅助驾驶。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对现有农机辅助驾驶设备角度反馈装置现有问题，设计了一种不用外接角度反馈装置，仅仅外接一个机械限位开关的农机自动驾驶电控转向控制方法。降低系统生产成本、维护成本，实现了农机自动驾驶高精度作业控制的同时也提高系统可靠性。

(2)本发明对现有的农业机械自动驾驶设备转向系统控制功能进行改进，取消掉前轮角度编码器，使用外接机械限位开关和电控方向盘电机自带的编码器(增量式、绝对式)实现前轮转角的位置反馈。通过控制方向盘电机增量式运动实现农业机械转向控制。

(3)本发明实现的取消外接角度编码器农机自动驾驶方式，降低了设备成本的同时，实现了农机自动驾驶功能；本发明车轮转角信息是电控方向盘电机编码器信息转换后结果，只有一个编码器，数据可靠性高。避免多个编码器数据读取延时等造成最终计算的偏差；以及本发明通过机械限位触发信号作为车轮转角参考位，安装方便，对于原始车辆改动较小。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备结构示意图；

图2是本发明一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备转向控制流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图1-图2所示，本发明提供了一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备，包括导航控制器2、触摸显示装置1、电机控制方向盘4、测量接收装置3和电台接收装置5、机械限位开关6。其中导航控制器2用于接收差分信号，经过处理后将定位信息和其他数据发送给触摸显示装置。电机控制方向盘包括方向盘电机和驱动装置，其中驱动装置控制电机相对转动，进而驱动车轮转动；同时，电机自带编码器(相对式，绝对式)能够实时反馈电机转动位置，速度等信息；机械限位开关装置：用于检测车轮转角是否转动到最大位置，反馈限位触发信号给方向盘电机驱动器。本发明使用方向盘电机自带编码器和机械限位开关信号来确定车轮转动的角度信息，建立方向盘电机转动角度增量与前轮转动角度增量关系，通过控制方向盘电机增量运动进行车轮转向控制。也就是说，方向盘电机根据导航控制装置下发的车辆运动信息，以机械限位开关触发时的位置为基准位置，进行增量运动。

在本发明中，机械限位开关6通过机械限位线连接到方向盘电机驱动端。方向盘电机驱动端接收机械限位触发和恢复信号。进一步优选，机械限位安装于车轮连接轴处，前轮转动过程中会触发机械限位。正常使用前，系统启动时通过机械限位获取前轮转角基准参考位。校准的时候通过机械限位信号触发和恢复辅助计算死区区间范围。

在本发明中，方向盘和转向驱动电机通过套筒安装在一起，电机通过套筒或者法兰盘固定在转向机构上。使用过程中，通过电机的转动带动转向机构的转动，实现车轮转角的变化。电机驱动装置和电机可以做成一体式，也可以做成分体式。电机驱动装置接收机械限位触发信号，实时记录电机运动过程中的位置信息。以及通过控制方向盘电机运动于死区之外，根据农机转动速度、航向角信息以及电机位置信息，建立起前轮转动角度和电机位置对应关系。进一步，车辆前轮转动角度和电机位置关系建立后，计算出机械限位触发时的前轮转角基准位置。

本发明车轮转角信息是电控方向盘电机编码器信息转换后结果，只有一个编码器，数据可靠性高。避免多个编码器数据读取延时等造成最终计算的偏差；以及本发明通过机械限位触发信号作为车轮转角参考位，安装方便，对于原始车辆改动较小。

参照图2所示，本发明还提供了一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶方法，包括以下步骤：

步骤(1)：安装机械限位开关到车轮轴处，使得车轮转动到最大位置的时候，能够触发机械开关；

步骤(2)：死区校准：控制方向盘电机执行“搜零”操作，车轮转动触发机械限位后，信号直接传输给电机驱动单元，记录触发时的电机位置信息Position0。然后控制方向盘电机反向运动。反向运动的时候，记录机械限位恢复时的电机位置信息。使用前后两个电机位置数据计算出死区区间Deadrange。校准后的使用过程中，系统启动后方向盘电机需要“搜零”以机械限位位置作为前轮参考位置。

步骤(3)：建立前轮角度和电机角度对应关系Ratio(x)：根据两轮车辆模型，控制农机转动过程中，可以根据两轮车辆动力学模型计算，结合农机运行速度、航向角信息、电机位置信息等建立起前轮转角与电机相对运动距离对应关系；

步骤(4)：根据建立的关系Ratio(x)，计算出机械限位触发时电机Position0对应的角度Angle0值；

步骤(5)：建立前轮角度变化增量与方向盘电机转角增量关系K：方向盘转角增量和前轮转角增量按比例关系近似。农机静止情况下，手动或者自动控制使方向盘向机械限位反方向打死，记录电机位置Position1以及转换后的前轮角度值Angle1。根据公式计算比例关系K；方向盘电机使用自带编码器反馈位置，校准出死区区间范围以及对应关系Ratio(x)，前轮角度变化增量与方向盘电机转角增量关系K后，即使转向系统硬件重启、编码器位置信息重置，死区区间大小以及Ratio(x)，比例关系K并不会改变，此时，需要再次控制方向盘电机执行“搜零”运动触发机械限位找一个参考基准位Angle0以及机械限位触发时的电机位置Pos0’，按照平移的方式即可确定实际前轮角度信息；

步骤(6)：农机自动驾驶的时候，接收用户通过触摸显示装置设定的运动轨迹信息。通过接收装置接收参考站的差分信号。导航控制装置根据差分信号得到定位信息，根据当前位置和目标位置计算出车轮转动参数，下发给方向盘电机驱动装置，电机驱动器控制方向盘电机增量运动，实现车轮按目标角度、速度等转动。实现农机自动辅助驾驶。

以下提供本发明的具体实施方式

安装过程：

本发明转向控制系统由车辆方向盘、力矩电机、套筒和车辆转向轴几部分组成。方向盘通过套筒固定在空心电机上，而电机通过套筒或者法兰盘固定在转向机构上。其中力矩电机和驱动器一体化设计，安装方便，节省安装空间，也减小了对于转向机构的要求。

在右前轮或者左前轮轴连接杆处安装机械限位开关，安装时候确保车辆前轮打死的时候，机械限位开关触发，机械开关信号线连接到电机驱动端。

导航控制装置以及触摸显示装置放置于车辆内部，电台接收装置置于车辆顶部。

控制过程：

参照图2所示转向控制流程，进行转向控制时，需要判断是否执行过校准，校准成功后，确认基准位置，控制方向盘电机执行“搜零”操作，搜零成功过后，即可确认前轮转角基准位置Angle及对应的电机位置Position2。确认后，即可根据接收的前轮转角增量值，转换成电机需要运动的角度增量K*Delta，下发给电机驱动器控制电机进行增量式运动。而通过Ratio(Position2–Position1)得出实时的前轮角度信息。

校准时参照图2所示校准部分流程。机械限位用作车轮参考位置和辅助进行死区计算。电机持续控制下，电机反向运动需要进行死区补偿。可以通过控制方向盘往单一方向打死，然后反向运动方式，根据电机位置偏差确定死区区间Deadrange。方向盘电机连续运动过程中，反向运动时需要进行死区补偿。

农机导航自动驾驶转向系统使用之前还需要建立前轮转角与电机相对运动距离对应关系。可以根据两轮车辆动力学模型计算，结合农机运行速度、航向角信息、电机位置信息等建立起前轮转角与电机相对运动距离对应关系。具体步骤如下：车辆运动过程中，可以通过手动或者自动控制将方向盘向左打死，控制农机车身转动一周，记录运动过程中农机运行速度、航向角信息、电机位置等信息。然后控制方向盘电机向右打死，控制车身转动一周，同样记录数据信息。再控制车辆直行一段距离的方式进行操作，根据记录的航向角，车辆行驶速度，电机相对位置信息等拟合出前轮转角和方向盘电机位置之间对应关系Ratio(x)。拟合出对应关系之后，反算出机械限位开关触发时候电机的位置对应的实际前轮转角值Angle。根据上述得出前轮角度变化增量与方向盘电机转角增量关系K。得出Deadrange,，Ratio(x)，K后即可以控制方向盘电机进行增量式转向控制。

参照图2流程进行转向控制，仅仅在机械限位开关硬件重新装配，转向结构发生变更等情况下才需要再次进行校准操作。

用户操作：

导航控制装置用于接收卫星导航参考站的差分信号，根据差分信号确定农机设备定位信息。同时将获取的车辆数据一起传送传送给触摸显示装置进行显示。

用户通过触摸显示装置设置的车辆运动轨迹，结合导航控制装置、方向盘转向控制装置等实现车辆的反馈控制，通过不断的方向盘转向调节，实现车辆按预定轨迹运行。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备，其特征在于，包括导航控制器、触摸显示装置、电机控制方向盘和机械限位开关，所述导航控制器用于接收差分信号，经过处理后将定位信息和相应的数据发送给触摸显示装置，所述电机控制方向盘包括方向盘电机和驱动装置，所述驱动装置控制方向盘电机相对转动，进而驱动车轮转动；所述机械限位开关用于检测车轮转角是否转动到最大位置，反馈限位触发信号给方向盘电机驱动器。

2.如权利要求1所述的一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备，其特征在于，还包括测量接收装置和电台接收装置，所述导航控制器通过测量接收装置和电台接收装置接收差分信号。

3.如权利要求1所述的一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶设备，其特征在于，所述方向盘电机设有编码器，用于实时反馈电机转动位置和速度。

4.一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：安装机械限位开关，使得车轮转动到相应的位置时，能够触发机械开关；

步骤(2)：死区校准；

步骤(3)：建立前轮角度和电机角度对应关系Ratio(x)；

步骤(4)：根据上述建立的关系Ratio(x)，计算出机械限位触发时电机Position0对应的角度Angle0值；

步骤(5)：建立前轮角度变化增量与方向盘电机转角增量关系K：方向盘转角增量和前轮转角增量按比例关系近似；

步骤(6)：通过导航控制装置下发指令到方向盘电机驱动装置。

5.如权利要求4所述的一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤为：安装机械限位开关到车轮轴处，使得车轮转动到最大位置的时候，能够触发机械开关。

6.如权利要求5所述的一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：控制方向盘电机执行“搜零”操作，车轮转动触发机械限位后，信号直接传输给电机驱动单元，记录触发时的电机位置信息Position0；然后控制方向盘电机反向运动，反向运动的时候，记录机械限位恢复时的电机位置信息，使用前后两个电机位置数据计算出死区区间Deadrange。

7.如权利要求6所述的一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：根据两轮车辆模型，控制农机转动过程中，可以根据两轮车辆动力学模型计算，结合农机运行速度、航向角信息、电机位置信息建立起前轮转角与电机相对运动距离对应关系。

8.如权利要求7所述的一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：农机静止情况下，手动或者自动控制使方向盘向机械限位反方向打死，记录电机位置Position1以及转换后的前轮角度值Angle1；根据公式计算比例关系K；方向盘电机使用自带编码器反馈位置，校准出死区区间范围以及对应关系Ratio(x)，前轮角度变化增量与方向盘电机转角增量关系K后，即使转向系统硬件重启、编码器位置信息重置，死区区间大小以及Ratio(x)，比例关系K并不会改变，此时，需要再次控制方向盘电机执行“搜零”运动触发机械限位找一个参考基准位Angle0以及机械限位触发时的电机位置Pos0’，按照平移的方式即可确定实际前轮角度信息。

9.如权利要求8所述的一种农业机械方向盘电机驱动自动驾驶方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：农机自动驾驶的时候，接收用户通过触摸显示装置设定的运动轨迹信息，通过接收装置接收参考站的差分信号，然后导航控制装置根据差分信号得到定位信息，根据当前位置和目标位置计算出车轮转动参数，下发给方向盘电机驱动装置，电机驱动器控制方向盘电机增量运动，实现车轮按目标角度、速度转动，从而实现农机自动辅助驾驶。