CN108762323B - 一种农业机械角度编码器和电动方向盘位置自动校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农业机械角度编码器和电动方向盘位置自动校准系统，包括导航控制装置、触摸显示装置、电机控制方向盘和角度编码器装置，所述导航控制装置用于接收差分信号，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，所述角度编码器装置用于反馈前轮转角数据信息给导航控制装置，本发明农业机械经过自动校准后，即可使用电控方向盘控制车辆进行转向控制。实际测试验证，校准数据精度高，校准操作简单，在不同设备上有较强适用性。

Description

一种农业机械角度编码器和电动方向盘位置自动校准方法

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角度编码器和电动方向盘位置自动校准系统及方法。

背景技术

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。对于采用电控方向盘驱动转向的自动驾驶设备，在使用之前，需要将角度反馈装置反馈的位置信息转换成前轮转角角度信息。然后再进行电控方向盘位置校准，

计算出死区区间，建立起前轮转角和方向盘相对运动位置的对应关系。

现有的转角位置校准方法多为人为手动校准的方式，由驾驶员驾驶农业设备按照预定的左转向轨迹和右转向轨迹多次运动，运动过程中记录位置信息，根据记录的位置信息和预设的左转向轨迹和右转向轨迹进行拟合。

采用现有常规的前轮转角位置校准方法操作复杂，要求驾驶员控制设备按照预定轨迹运动，如果操作异常，需要重新进行校准。校准过程复杂，校准时间很长。

现有的前轮转角信息和电控方向盘位置信息多采用试凑法的方式建立对应关系，人为根据经验设置死区区间范围以及前轮转角和电控方向盘转角对应关系。然后控制农业机械进行反复运动来修正校正数据。

采用试凑法建立前轮转角信息和电控方向盘位置对应关系，精度较差，执行效率低，对于操作人员的要求很高，在不同的农业设备上需要不断试凑发现规律，过程复杂。

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角度编码器和电动方向盘位置自动校准系统及方法，本发明农业机械经过自动校准后，即可使用电控方向盘控制车辆进行转向控制。实际测试验证，校准数据精度高，校准操作简单，在不同设备上有较强适用性。

本发明提供了一种农业机械角度编码器和电动方向盘位置自动校准系统，包括导航控制装置、触摸显示装置、电机控制方向盘和角度编码器装置，所述导航控制装置用于接收差分信号，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，所述角度编码器装置用于反馈前轮转角数据信息给导航控制装置。

上述的系统，其中，还包括电台接收装置，所述导航控制器通过电台接收装置接收差分信号。

上述的系统，其中，所述角度编码器装置安装于前轮轴连接杆处。

上述的系统，其中，所述方向盘电机自带编码器能够实时反馈转动位置，速度信息。

上述的系统，其中，所述驱动装置用于接收导航控制装置下发的命令信息，驱动方向盘电机进行增量式运动，以此来带动转向轴运动。

本发明的另一面，一种农业机械角度编码器和电动方向盘位置自动校准方法，包括以下步骤：

步骤(1)：农机运动过程中，自动控制方向盘逆时针转动到前轮打死，控制车身转动一周，实时获取前轮角度反馈装置记录的位置信息及农机运动信息；

步骤(2)：农机运动过程中，自动控制方向盘顺时针转动到前轮打死，控制车身转动一周，实时获取前轮角度反馈装置记录的位置信息及农机运动信息；

步骤(3)：根据步骤(1)和步骤(2)记录的前轮转角原始数据以及航向角的数据信息，拟合出前轮实际转角与编码器反馈原始值之间的关系 Ratio1；

步骤(4)：根据步骤(3)计算出的Ratio1值，农机运动过程中，根据前轮转角位置，控制方向盘电机低速转动的同时，使得前轮角度反馈装置原始值计算的前轮角度处于Range范围内；

步骤(5)：控制农机前行一段距离后，根据步骤(1)、(2)、(4) 获取的前轮反馈装置原始数据信息以及车身航向角数据计算出精确的前轮转角与编码器反馈原始值之间的关系Ratio2；

步骤(6)：车辆静止情况下，控制方向盘电机自动低速逆时针运动，检测前轮转角反馈装置原始值是否变化；

步骤(7)：控制方向盘电机低速运动至前轮转角大于20°位置，然后反向控制方向盘电机低速运动至小于-20°位置；

步骤(8)：根据记录的前轮转角信息以及方向盘电机编码器信息，建立方向盘电机转角增量与前轮转角增量对应关系Ratio3；

步骤(9)：控制方向盘电机增量式定位运动一段距离，目的时使得方向盘电机运动出死区区间，记录当前车辆转角位置信息Start Position，然后采用增量式定位运动方式，分别控制方向盘电机运动到计算后的-15°，-10°， -5°，0°，5°，10°，15°位置。

上述的方法，其中，所述步骤(1)、步骤(2)中农机运动信息包括农机航向角和农机实时速度信息。

上述的方法，其中，所述步骤(6)中：变化时，记录方向盘电机编码器反馈的位置信息Position1，然后再控制方向盘电机顺时针运动，直至前轮转角反馈装置原始值再次变化，记录方向盘电机编码器反馈的位置信息 Position2，位置差值绝对值即为死区区间范围Deadrange，并重复几次，求取死区区间计算结果平均值

上述的方法，其中，所述步骤(9)中：每次增量运动到位置后，分别记录对应的前轮转角实际值Wheel Position，确定实际反馈Wheel Position和目标值偏差是否超过检测阈值，如果超过则数据计算失败，需要重复以上步骤重新校准，如果小于检测阈值，则计算数据有效。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对现有农机自动驾驶系统使用前需要进行机械角度编码器校准和电动方向盘位置校准。为了解决现有手动驾驶进行前轮角度编码器校准以及试凑法建立前轮转角和电控方向盘位置对应关系操作复杂，校准数据偏差较大，执行效率低的问题。本发明实施例提供了一种前轮转向角编码器自动校准以及自动建立前轮转角和电控方向盘位置方法。农业机械经过自动校准后，即可使用电控方向盘控制车辆进行转向控制。实际测试验证，校准数据精度高，校准操作简单，在不同设备上有较强适用性。

(2)本发明角度编码器自动校准采用的在粗校准基础上，在农机前轮频繁运动区域进行精校准的方式，精确的校准出角度编码器和前轮角度对应关系，在不同农业设备上有适用性；本发明自动控制电动方向盘运行，结合前轮转角信息以及电动方向盘反馈的电机角度信息，拟合出精确的电动方向盘转角增量与前轮转角增量对应关系以及死区区间，自动校准流程便捷，校准数据准确，节省校准时间；以及农业机械经过自动校准后，农机运行于不同车速下，使用电控方向盘进行转向控制精度较高，方向盘低速抖动较小。

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是本发明中农业机械角度编码器自动校准流程图；

图2是本发明中农业机械方向盘电机位置自动校准流程图。

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角度编码器和电动方向盘位置自动校准系统，包括导航控制装置、触摸显示装置、电机控制方向盘、电台接收装置、角度编码器装置，导航控制装置通过电台接收装置用于接收差分信号，经过处理后将定位信息和其他数据发送给触摸显示装置，其中电机控制方向盘装置包括方向盘电机和驱动装置，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)能够实时反馈转动位置，速度等信息；方向盘电机和驱动装置一体化设计或者分体式设计。驱动装置用于接收导航控制装置下发的命令信息，驱动方向盘电机进行增量式运动，以此来带动转向轴运动。角度编码器装置：安装于前轮轴连接杆处，用于反馈前轮转角数据信息给导航控制装置。

本发明还提供了一种农业机械角度编码器和电动方向盘位置自动校准方法，本发明使用的技术方案是：先进行前轮角度编码器自动校准，然后进行前轮角度编码器精校准。再进行电动方向盘死区区间和方向盘转角与车轮转角对应关系校准，具体包括以下步骤：

步骤(1)：农机运动过程中，自动控制方向盘逆时针转动到前轮打死，控制车身转动一周，实时获取前轮角度反馈装置记录的位置信息以及农机航向角，农机实时速度等信息；

步骤(2)：农机运动过程中，自动控制方向盘顺时针转动到前轮打死，控制车身转动一周，实时获取前轮角度反馈装置记录的位置信息以及农机航向角，农机实时速度等信息。

步骤(3)：根据步骤1和2记录的较少的前轮转角原始数据以及航向角等数据信息，粗略拟合出前轮实际转角与编码器反馈原始值之间的关系 Ratio1；为了精确计算角度反馈装置和前轮转角的对应关系，需要在方向盘频繁运动区域多采集数据信息，根据实际控制经验，确定频繁运动区域区间范围Range。控制车辆前轮转角处于Range范围内，“直行”一段距离。

步骤(4)：根据步骤3计算出的Ratio1值，农机运动过程中，根据前轮转角位置，控制方向盘电机低速转动的同时，使得前轮角度反馈装置原始值计算的前轮角度处于Range范围内。运动过程中周期性获取前轮反馈装置获取的原始数据信息、农机航向角，农机实时运行速度等信息；

步骤(5)：控制农机前行50m距离后，根据步骤1，2，4获取的前轮反馈装置原始数据信息以及车身航向角数据计算出精确的前轮转角与编码器反馈原始值之间的关系Ratio2。前轮转角与编码器反馈原始值之间对应关系确定后，再进行前轮转角和方向盘转角自动校准和方向盘电机运动死区自动校准；

步骤(6)：车辆静止情况下，控制方向盘电机自动低速逆时针运动，检测前轮转角反馈装置原始值是否变化。变化时，记录方向盘电机编码器反馈的位置信息Position1，然后再控制方向盘电机顺时针运动，直至前轮转角反馈装置原始值再次变化，记录方向盘电机编码器反馈的位置信息Position2，位置差值绝对值即为死区区间范围Deadrange。重复几次，求取死区区间计算结果平均值

步骤(7)：控制方向盘电机低速运动至前轮转角大于20°位置，然后反向控制方向盘电机低速运动至小于-20°位置。运动过程中需要实时记录转换后的前轮转角以及方向盘电机编码器位置信息；

步骤(8)：根据记录的前轮转角信息以及方向盘电机编码器信息，建立方向盘电机转角增量与前轮转角增量对应关系Ratio3；以及Ratio3确定后，需要进行检测计算结果是否正确；

步骤(9)：控制方向盘电机增量式定位运动一段距离，目的时使得方向盘电机运动出死区区间。记录当前车辆转角位置信息Start Position，然后采用增量式定位运动方式，分别控制方向盘电机运动到计算后的-15°，-10°， -5°，0°，5°，10°，15°位置。每次增量运动到位置后，分别记录对应的前轮转角实际值Wheel Position，确定实际反馈WheelPosition和目标值偏差是否超过检测阈值，如果超过则数据计算失败，需要重复以上步骤重新校准。如果小于检测阈值，则计算数据有效。

在本发明中，包括角度编码器位置自动校准和电动方向盘位置自动校准，其中角度编码器位置自动校准流程包括电动方向盘通过接收触摸屏下发的控制命令自动执行校准流程。电动方向盘电机驱动端接收转动控制命令，以及根据角度编码器位置信息，航向角信息，农机速度等信息拟合出角度编码器和前轮转角对应关系，进一步，校准流程分为两个阶段，第一阶段计算出粗略关系，然后根据拟合出的粗略关系执行后续步骤，然后拟合出较精确的角度编码器和前轮转角对应关系。

在本发明中，电动方向盘位置自动校准流程包含死区校准和电动方向盘位置增量和前轮转角位置增量对应关系建立，其中电动方向盘连续运动时，方向盘反向运动时进行死区补偿。以及控制电动方向盘以较小速度匀速转动，实现前轮转角低速转动。结合运动过程中数据建立电动方向盘位置增量和前轮转角位置增量对应关系。进一步，控制电动方向盘增量式位置运动方式进行双编码器位置数据验证。

以下提供本发明的具体实施方式

安装过程：

本实施例中机械角度编码器安装在前轮转轴端。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。

控制过程：

步骤1中，车辆行驶过程时，通过导航控制器下发方向盘电机转动命令，控制方向盘电机往逆时针方向运动，车身转动过程中，周期性记录机械角度编码器原始值和航向角，车速等信息，其中，航向角等信息通过安装于农机顶部的GNSS定位天线获取车辆行驶过程中的数据信息。

转动一周后，方向盘电机处于未操作状态，方便手动调整车身位置，减小对于校正场地的依赖。

步骤2采用同样方式，控制车身顺时针转动一周。

结合图1所示流程拟合出角度编码器原始数据和前轮实际转角大致对应关系。设定前轮转动+/-10°范围为精校准区间。根据起始位置段，控制方向盘电机低速运动，控制农机“直行”50m以上距离。记录农机运动过程中航向角和前轮转角原始数据等信息。

结合记录的所有航向角和前轮转角原始数据等信息，拟合出较精确的角度编码器数据和前轮实际转角关系。校准结束后，执行电动方向盘位置校准，建立起前轮转角增量与方向盘电机运动距离增量对应关系。

结合图2对电动方向盘位置校准做一下说明。先进行死区区间校准。由于电动方向盘持续控制下，方向盘反向运动的时候，电动方向盘运动距离增量需要补偿掉死区运动部分。因此，车身静止情况下，单一方向控制电动方向盘低速运动，直到前轮转角信息同时更新，然后再反向运动直到前轮转角信息再次变化。前轮转角两次变化时电动方向盘元素位置差值即为死区区间范围。为了减小数据读取以及延时导致的误差，采用多次执行求均值的方式来计算

死区区间校准成功后，进行前轮转角增量与方向盘电机运动距离增量校准。为了准确计算方向盘频繁运动区域对应关系，先控制电动方向盘运动出死区，控制电动方向盘较小速度匀速转动，记录电动方向盘位置增量与前轮转角实际位置增量信息。根据获取的数据信息，拟合出对应关系。

校准流程完成后，为了验证数据有效性，以双编码器数据验证方式。控制电动方向盘步进运动小段距离，走出死区区间范围后，下发前轮转角目标位置，电动方向盘做增量定位运动，待电动方向盘反馈目标位置到达时，记录电动方向盘实际位置和当前前轮角度编码器值转换后的转角位置。计算出下发目标位置和电动方向盘反馈的实际运动位置偏差。依次进行增量式定位运动，同时记录偏差数据。待所有目标位置点运动完后，判断不同位置点计算出的位置偏差是否小于0.5°阈值范围。

如果偏差小于0.5°阈值范围，则死区校准以及位置增量关系数据满足要求，电动方向盘自动校准流程执行成功。否则参照图1，图2流程重复上述步骤，重新执行校准流程，直到数据验证通过。

校准成功后，只要硬件机械结构(转向结构、角度编码器安装位置等) 不发生变更，就不需要再次执行校准流程。

用户操作：

用户通过安装于车内的触摸显示装置根据提示进行校准操作。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，实现农业机械的自动校准。

本实施例角度编码器自动校准采用的在粗校准基础上，在农机前轮频繁运动区域进行精校准的方式，精确的校准出角度编码器和前轮角度对应关系，在不同农业设备上有适用性；以及自动控制电动方向盘运行，结合前轮转角信息以及电动方向盘反馈的电机角度信息，拟合出精确的电动方向盘转角增量与前轮转角增量对应关系以及死区区间，自动校准流程便捷，校准数据准确，节省校准时间；以及农业机械经过自动校准后，农机运行于不同车速下，使用电控方向盘进行转向控制精度较高，方向盘低速抖动较小。

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 (1)

1.一种农业机械角度编码器和电动方向盘位置自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：农机运动过程中，自动控制方向盘逆时针转动到前轮打死，控制车身转动一周，实时获取前轮角度反馈装置记录的位置信息及农机运动信息；

步骤(2)：农机运动过程中，自动控制方向盘顺时针转动到前轮打死，控制车身转动一周，实时获取前轮角度反馈装置记录的位置信息及农机运动信息；

步骤(3)：根据步骤(1)和步骤(2)记录的前轮转角原始数据以及航向角的数据信息，拟合出前轮实际转角与编码器反馈原始值之间的关系Ratio1；

步骤(4)：根据步骤(3)计算出的Ratio1值，农机运动过程中，根据前轮转角位置，控制方向盘电机低速转动的同时，使得前轮角度反馈装置原始值计算的前轮角度处于Range范围内；

步骤(5)：控制农机前行一段距离后，根据步骤(1)、(2)、(4)获取的前轮反馈装置原始数据信息以及车身航向角数据计算出精确的前轮转角与编码器反馈原始值之间的关系Ratio2；

步骤(6)：车辆静止情况下，控制方向盘电机自动低速逆时针运动，检测前轮转角反馈装置原始值是否变化；

步骤(7)：控制方向盘电机低速运动至前轮转角大于20°位置，然后反向控制方向盘电机低速运动至小于-20°位置；

步骤(8)：根据记录的前轮转角信息以及方向盘电机编码器信息，建立方向盘电机转角增量与前轮转角增量对应关系Ratio3；

步骤(9)：控制方向盘电机增量式定位运动一段距离，目的是使得方向盘电机运动出死区区间，记录当前车辆转角位置信息Start Position，然后采用增量式定位运动方式，分别控制方向盘电机运动到计算后的-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°位置，所述步骤(1)、步骤(2)中农机运动信息包括农机航向角和农机实时速度信息，所述步骤(6)中：变化时，记录方向盘电机编码器反馈的位置信息Position1，然后再控制方向盘电机顺时针运动，直至前轮转角反馈装置原始值再次变化，记录方向盘电机编码器反馈的位置信息Position2，位置差值绝对值即为死区区间范围Deadrange，并重复几次，求取死区区间计算结果平均值

所述步骤(9)中：每次增量运动到位置后，分别记录对应的前轮转角实际值Wheel Position，确定实际反馈Wheel Position和目标值偏差是否超过检测阈值，如果超过则数据计算失败，需要重复以上步骤重新校准，如果小于检测阈值，则计算数据有效。

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