CN109291989A - 一种用于农业机械的电动方向盘及自动驾驶方法 - Google Patents

一种用于农业机械的电动方向盘及自动驾驶方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于农业机械的电动方向盘及自动驾驶方法，包括电动方向盘机械装置和自动驾驶控制装置；本发明能根据基准站坐标和载波相位观测值获得车辆的精确位置；测量接收机二将车辆的位置信息传送给车载显示控制器，车载显示控制器根据Δδ通过转向控制器控制方向盘转动来调整车辆的转向；本发明采用中空转子轴的步进电机驱动方向盘转动，使得电动方向盘结构更加简单、拆装更加方便、适应环境能力强而且能更加有效地确保方向盘在工作时的稳定性、精确性；且结合现有RTK‑GPS定位技术，提高了定位精度，定位精度可以达到厘米级，提高了自动驾驶精度。

Description

一种用于农业机械的电动方向盘及自动驾驶方法
技术领域
本发明涉及一种用于农业机械的电动方向盘及自动驾驶方法，具体是涉及一种基于 RTK-GPS北斗技术的自动驾驶装置。
背景技术
农业是一个国家的基础，我国是一个农业大国，但却不是一个农业强国，其中最重要的原因就是机械化水平不够，我国农业生产的基本单位是中小农户，近些年来开始流行土地承包，中小农户越来越少，农业生产规模越来越大，人工劳动已经不再适应现代农业生产，所以目前我国农业机械化水平需要迫切提高。
精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。现在卫星技术已经越来越成熟，绝对定位和静态相对定位的定位精度已经不能满足人们的需要，实时动态相对定位(RTK)越来越多被人们应用，RTK-GPS定位技术精度现在可达到厘米级，通过接受卫星信号可以精确地确定出车辆的位置信息，通过人工智能控制车辆的行走路线，将这种自动驾驶技术应用到农业机械上将会极大的提高生产效率和解放劳动力。近些年来，国内外关于自动驾驶在农业机械方面得到了广泛的应用，已经引起了高度重视，成为了主要研究方向，有十分广阔的发展前景，并且取得了一定的研究成果。在保证精确定位的前提下，电动方向盘机构就成为了保证自动驾驶精确性的重要条件，因为方向盘机构将决定拖拉机在作业过程中的稳定性、灵活性等重要特性。目前市场上的电动方向盘结构较为复杂，体型庞大，而且对安装精度要求比较高，所以安装拆卸十分不便，对安装条件也有较高要求，适用范围小；当拖拉机在田间进行作业时稳定性不够，在较长时间的行进过程中其行进路线不能保持较高的精度。
发明内容
针对目前市场上自动驾驶装置存在的技术缺陷，本发明提供了一种用于农业机械的电动方向盘及自动驾驶方法，是一种定位更加准确、精度更高的基于RTK-GPS北斗技术的一种用于农业机械的电动方向盘及自动驾驶方法。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用于农业机械的电动方向盘，包括电动方向盘机械装置和自动驾驶控制装置。
所述的电动方向盘机械装置包括电动方向盘、步进电机、电机箱体、圆柱滚子轴承和花键；所述方向盘上设有沟槽线圈以增大摩擦力，电动方向盘中央正下方刚性连接有一根直径 30mm的轴，轴的下端外表面有花键，花键轴连接有一个花键套，电动方向盘通过花键连接在拖拉机的转向柱上用来传递扭矩；所述的步进电机的转子轴中空，中空转子轴通过键与电动方向盘刚性连接，步进电机转子轴与电动方向盘同步转动；步进电机通过电机箱体固定在拖拉机上；所述电机箱体呈圆柱形,电机箱体下方设有轴承槽，用于放置所述的圆柱滚子轴承；所述轴下端穿过电机箱体中心与轴承连接，实现电动方向盘和电机箱体的相对转动。
所述的自动驾驶控制装置包括基准站和流动站；所述的基准站包括测量天线一、测量接收机一和数传电台；测量天线一连接测量接收机一，测量接收机一连接数传电台；所述的流动站包括车载显示控制器、测量天线二、测量接收机二、接收电台、转向控制器和导向轮角度传感器；所述的测量天线二和接收电台分别与测量接收机二连接，测量接收机二再与车载显示控制器连接；所述的转向控制器与车载显示控制器连接；所述的导向轮角度传感器安装在拖拉机导向轮上，导向轮角度传感器通过CAN总线与车载显示控制器连接。
本发明还涉及一种农业机械电动方向盘的RTK-GPS自动驾驶方法，步骤如下：
(1)根据田地实际情况设定好行驶路径，包括直线行驶的距离和转弯半径，调整好车身位置，启动自动驾驶模式，机车便沿着设定好的行驶路径行驶。
(2)基准站上测量天线一接收卫星的导航信号，传输给测量接收机一，测量接收机一对接收到的导航信号进行捕获跟踪和定位解算，并获得基准站坐标和载波相位观测值。通过数传电台发送出去。
(3)流动站和基准站同一时间接收同一GPS卫星发射的信号，基准站实时地将测量的载波相位观测值、基准站坐标等经过RTCM3(国际通用电文格式)进行编码，并通过发射电台传输给运动中的流动站，所述传输通过RTCM SC-104标准进行；流动站对经过RTCM进行的编码的差分数据根据数据定位的方式需要对其进行解码，同时结合流动站接收的载波相位观测值便可获得车辆的精确位置。
(4)测量接收机二将车辆的位置信息传送给车载显示控制器，车载显示控制器将车辆的位置和已确定的路线进行对比，并计算出导向轮的期望转角δ；与此同时导向轮上的角度传感器通过CAN总线将导向轮的实际转角传递给车载显示控制器，车载显示控制器计算出期望转角与实际转角的差值Δδ，根据Δδ通过转向控制器控制方向盘转动来调整车辆的转向。
(5)重复以上过程，直至车辆按已确定的路线行驶。
所述的期望角δ采用由模糊控制算法和追踪算法组合得到的路径跟踪算法计算；
模糊控制算法流程如下：
其中以车辆的横向偏差de和航向偏差ψe作为输入变量，具体数值由流动站测得，以期望转角δ1作为输出变量；
追踪算法计算公式如下：
PrPm——当前位置与目标点之间的距离
ψe——航向偏差离散论域上的变化量
L——车辆两导向轮之间的距离
根据上述两种算法得到两个期望转角δ1δ2，然后再将两个期望转角δ1δ2进行综合计算，得出一个最终期望转角δ，计算公式：δ＝k1δ1+k2δ2
k1+k2＝1
k1——模糊算法输出的转角的量化参数
k2——追踪算法输出的转角的量化参数
两个参数的具体数值通过实验得出，其取值分别为：
k1＝0.36
k2＝0.64
转向控制器控制期望转角的执行；由模糊控制器控制PID的控制参数，实现PID控制参数 KP、KI、KD在不同时刻、不同状态下具有不同的输出比例因子；
PID控制的输入量e(t)为前轮实际转角和期望转角的偏差，输入量u(t)为电压信号，输入量u(t)和输入量e(t)之间的关系是：
式中
KP--比例增益
KI--积分增益
KD--微分增益。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)有效的解放了一部分劳动力，降低了人类的劳动强度，提高了农业生产效率。
(2)采用中空转子轴的步进电机驱动方向盘转动，使得电动方向盘结构更加简单、拆装更加方便、适应环境能力强而且能更加有效地确保方向盘在工作时的稳定性、精确性。
(3)本发明结合现有RTK-GPS定位技术，采用了新的路径跟踪算法和模糊PID控制算法，提高了定位精度，定位精度可以达到厘米级，开发使用了由组合式路径跟踪算法和模糊PID 控制算法，提高了自动驾驶精度。
附图说明
图1电动方向盘的结构
图2控制系统结构连接框图
图3控制系统流程图
图4模糊控制算法流程图
图5PID的控制流程图
1-方向盘把手、2-沟槽线圈、3-轴、4-电机箱体、5-步进电机、6-轴承、7-固定板、8-花键套。
具体实施方式
本发明中所涉及的部件如无特殊说明均可市购或采用现有技术实现。
一种自动驾驶控制装置包括电动方向盘的机械部分和自动导航控制系统。
所述的电动方向盘机械部分主要包括方向盘把手1、步进电机5(型号为86BYGH004-ZK30， 86两相双出轴中空步进电机)、电机箱体4、圆柱滚子轴承6、花键套8。所述的方向盘把手 1直径40厘米，上面有为了增大摩擦力而设计的沟槽线圈2，方向盘中央正下方刚性连接有一根直径30mm的轴3，轴的下端开有花键齿，在此处连接有一个花键套8，整个电动方向盘通过花键来安装在拖拉机上；所述电机箱体4呈圆柱形，在电机箱体底部的正中央开有一个直径30mm的圆形孔，方向盘正下方的轴有此处穿过，箱体两边有两个固定板7，用于将方向盘固定在拖拉机上，电机箱体下方留有一个放轴承6的槽，在此处电机箱体4通过轴承6和方向盘下方的轴3连接，这样可以实现方向盘和电机箱体4的是相对转动的；所述的步进电机型号为86BYGH004-ZK30，两相双出轴中空步进电机，电流3.0A，静力矩5N·m，中空孔径 30mm，步进电机固定在电箱体4的底部，通过平键和方向盘下方的轴3连接来传递转矩。
所述的自动驾驶控制系统采用RTK-GPS定位技术，包括基准站和流动站。所述的基准站包括测量天线一、测量接收机一和数传电台，测量天线一连接测量接收机一，测量接收机一连接数传电台。所述的流动站包括车载显示控制器、测量天线二、测量接收机二、接收电台、转向控制器和导向轮角度传感器，所述的测量天线二和接收电台分别与测量接收机二连接，测量接收机二再与车载显示控制器连接，所述的电动方向盘控制器与车载显示控制器连接；所述的导向轮角度传感器安装在导向轮上，通过CAN总线与车载显示控制器连接。
如图所示，下面结合附图实施例对本发明的工作原理做进一步详述：
本发明工作时，首先根据田地的实际情况设定好行驶路径，包括直线行驶距离和转弯半径，调整好车身位置，启动自动驾模式，基准站上的测量天线一接收卫星的导航信号并且传输给测量接收机一，测量接收机一对接收到的导航信号进行捕获跟踪和定位解算，得到基准站坐标和载波相位观测，并将经过RTCM进行编码，将这些数据传输给数传电台，数传电台将数据向外发射被车载导航仪上的接收电台接收，流动站对经过RTCM编码的数据进行解码，同时再结合流动站接收的载波相位观测值进行差分处理便可得到车辆的精确位置。测量接收机二实时将车辆的精确位置信息传输给车载显示控制器，车载显示控制器将车辆的位置信息跟已设定好的路线进行比较，并计算出期望转角，与此同时导向轮上的角度传感器通过CAN总线将导向轮的实际转角传递给车载显示控制器，车载显示控制器通过期望转角与角度传感器所测得转向轮的实际转角计算出转向控制量，根据计算出的转向控制量通过电动方向盘控制器控制步进电机来带动电动方向盘转动当需要切换到手动驾驶时，只需要驾驶人员急打方向盘，使方向盘加载在步进电机5上的力矩大于步进电机5的转矩便进入了手动驾驶模式。
所述的期望角(δ)是在导航过程中采用了一种由模糊控制算法和追踪算法组合得到的一种路径跟踪算法计算。模糊控制算法流程如图4所示。
其中以车辆的横向偏差de和航向偏差ψe作为输入变量，具体数值由流动站测得，以期望转角δ1作为输出变量。
追踪算法计算公式如下：
PrPm——当前位置与目标点之间的距离
ψe——航向偏差离散论域上的变化量
L——车辆两导向轮之间的距离
根据上述两种算法便可的两个期望转角δ1δ2，然后再将两个期望转角进行综合计算，便可以得出一个最终期望转角δ，计算公式δ＝k1δ1+k2δ2
k1+k2＝1
k1——模糊算法输出的转角的量化参数
k2——追踪算法输出的转角的量化参数
两个参数的具体数值通过实验得出，其取值分别为：
k1＝0.36
k2＝0.64
期望转角δ得出以后，转向控制器控制期望转角的执行，控制算法的选择便会成为影响车辆行走精度的的关键，我们采用了模糊PID控制算法，其原理就是由模糊控制器控制PID的控制参数，实现PID控制参数KP、KI、KD在不同时刻、不同状态下具有不同的输出比例因子，流程图如图5；
PID控制的输入量e(t)为前轮实际转角和期望转角的偏差，输入量u(t)为电压信号，它们之间的关系是：
式中
KP--比例增益
KI--积分增益
KD--微分增益
调节ΔKP的模糊控制规则
调节ΔKI的模糊控制规则
调节ΔKD的模糊控制规则
|e|和|ec|分别表示偏差e和偏差变化率ec的绝对值；L、M、S、ZO分别表示覆盖变量的模糊子集大、中、小、零，ΔKP、ΔKI、ΔKD分别表示对原来涉及参数KP、KI、KD的修正值，实时的参数取值应该分别为KP+ΔKP、KI+ΔKI、KD+ΔKP。

Claims (2)

1.一种用于农业机械的电动方向盘，其特征在于：包括电动方向盘机械装置和自动驾驶控制装置；
所述的电动方向盘机械装置包括电动方向盘、步进电机、电机箱体、圆柱滚子轴承和花键；所述方向盘上设有沟槽线圈以增大摩擦力，电动方向盘中央正下方刚性连接有一根直径30mm的轴，轴的下端外表面有花键，花键轴连接有一个花键套，电动方向盘通过花键连接在拖拉机的转向柱上用来传递扭矩；所述的步进电机的转子轴中空，中空转子轴通过键与电动方向盘刚性连接，步进电机转子轴与电动方向盘同步转动；步进电机通过电机箱体固定在拖拉机上；所述电机箱体呈圆柱形,电机箱体下方设有轴承槽，用于放置所述的圆柱滚子轴承；所述轴下端穿过电机箱体中心与轴承连接，实现电动方向盘和电机箱体的相对转动；
所述的自动驾驶控制装置包括基准站和流动站；所述的基准站包括测量天线一、测量接收机一和数传电台；测量天线一连接测量接收机一，测量接收机一连接数传电台；所述的流动站包括车载显示控制器、测量天线二、测量接收机二、接收电台、转向控制器和导向轮角度传感器；所述的测量天线二和接收电台分别与测量接收机二连接，测量接收机二再与车载显示控制器连接；所述的转向控制器与车载显示控制器连接；所述的导向轮角度传感器安装在拖拉机导向轮上，导向轮角度传感器通过CAN总线与车载显示控制器连接。
2.基于权利要求1所述的一种农业机械电动方向盘的RTK-GPS自动驾驶方法，其特征在于：步骤如下：
(1)根据田地实际情况设定好行驶路径，包括直线行驶的距离和转弯半径，调整好车身位置，启动自动驾驶模式，机车便沿着设定好的行驶路径行驶；
(2)基准站上测量天线一接收卫星的导航信号，传输给测量接收机一，测量接收机一对接收到的导航信号进行捕获跟踪和定位解算，并获得基准站坐标和载波相位观测值，通过数传电台发送出去；
(3)流动站和基准站同一时间接收同一GPS卫星发射的信号，基准站实时地将测量的载波相位观测值、基准站坐标等经过RTCM3进行编码，并通过发射电台传输给运动中的流动站，所述传输通过RTCM SC-104标准进行；流动站对经过RTCM进行的编码的差分数据根据数据定位的方式需要对其进行解码，同时结合流动站接收的载波相位观测值便可获得车辆的精确位置；
(4)测量接收机二将车辆的位置信息传送给车载显示控制器，车载显示控制器将车辆的位置和已确定的路线进行对比，并计算出导向轮的期望转角δ；与此同时导向轮上的角度传感器通过CAN总线将导向轮的实际转角传递给车载显示控制器，车载显示控制器计算出期望转角与实际转角的差值Δδ，根据Δδ通过转向控制器控制方向盘转动来调整车辆的转向；
(5)重复以上过程，直至车辆按已确定的路线行驶；
所述的期望角δ采用由模糊控制算法和追踪算法组合得到的路径跟踪算法计算：
其中以车辆的横向偏差de和航向偏差ψe作为输入变量，具体数值由流动站测得，以期望转角δ1作为输出变量；
追踪算法计算公式如下：
PrPm——当前位置与目标点之间的距离
ψe——航向偏差离散论域上的变化量
L——车辆两导向轮之间的距离
根据两个期望转角δ1δ2，然后再将两个期望转角δ1δ2进行综合计算，得出一个最终期望转角δ，计算公式:δ＝k1δ1+k2δ2
k1+k2＝1
k1——模糊算法输出的转角的量化参数
k2——追踪算法输出的转角的量化参数
两个参数的具体数值通过实验得出，其取值分别为：
k1＝0.36
K2＝0.64
转向控制器控制期望转角的执行；由模糊控制器控制PID的控制参数，实现PID控制参数KP、KI、KD在不同时刻、不同状态下具有不同的输出比例因子；
PID控制的输入量e(t)为前轮实际转角和期望转角的偏差，输入量u(t)为电压信号，输入量u(t)和输入量e(t)之间的关系是：
式中
KP--比例增益
KI--积分增益
KD--微分增益。
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