CN110825078A - 一种自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，包括GNSS导航系统、履带式车辆、轨迹控制器和电子罗盘，GNSS导航系统检测履带式车辆的实时位置，电子罗盘检测履带式车辆的航向；轨迹控制器根据实时位置和航向控制地头转弯：1)根据地头转弯处直线路径与地头转弯圆弧相切的位置关系，求出理论地头转弯圆弧路径；2)将理论地头转弯圆弧路径分为n段，每一段圆弧对应的弦作为直线路径，相邻弦之间采用小圆弧路径过渡，利用多目标粒子群算法求出最优转弯圆弧分段数量n，生成实际地头转弯行驶路径。本发明较好地解决了履带式车辆地头转弯控制困难以及大转弯情况下对田地的损伤。

Description

一种自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统

技术领域

本发明涉及一种车辆转弯路径控制技术，具体是一种自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统。

背景技术

履带式车辆的转弯是通过两侧驱动轮之间的差速实现的，随着农业机械化程度的不断提高，农业履带式车辆有了越来越多的应用，其转弯控制问题也受到了越来越多的关注。在农用履带式车辆中，通过液压无级变速器配合传统机械变速箱实现车辆的直线和转向行驶是一种最常用的履带底盘设计方式。在转弯时，通过离合制动切断需要转向侧的动力输入，此时履带式底盘沿制动侧原地滑转，且转弯半径固定(近似为履带轨距的一半)，当采用这种方式直接地头转弯会对田地或者农作物产生较为严重的碾压损伤，因此研究此类履带式车辆的地头转弯控制方式具有重要意义。当在履带式车辆上安装辅助导航系统时，履带式车辆在完成直线自主作业后，仍需要自主的实现地头转弯控制，然后进入下一行作业。因此，合适的地头转弯策略不仅可以提高农业履带式车辆换行作业的精度，而且可以缩短地头转弯作业的时间，最终提高作业效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有履带式车辆在地头转弯控制情况下，转弯困难且会造成地面严重碾压损伤的问题，提出一种自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，包括GNSS导航系统基准站、GNSS导航系统移动站、履带式车辆、轨迹控制器和电子罗盘，所述GNSS导航系统基准站将观测值和测站坐标信息发送给GNSS导航系统移动站，GNSS导航系统移动站接收GNSS导航系统基准站数据的同时采集GNSS观测数据，据此计算履带式车辆的实时位置并发送给轨迹控制器，电子罗盘检测履带式车辆的航向并发送给轨迹控制器，轨迹控制器根据履带式车辆的实时位置和航向实现地头转弯路径控制。

上述技术方案中，所述GNSS导航系统基准站中的GNSS天线I和电台I均与GNSS接收机I连接，GNSS接收机I与连接供电模块I。

上述技术方案中，所述GNSS导航系统移动站中的GNSS天线II和电台II均与GNSS接收机II连接，GNSS接收机II与供电模块II连接。

上述技术方案中，所述地头转弯路径控制包括获取理论地头转弯半径，将理论地头转弯路径被转换成实际地头转弯路径，由轨迹控制器控制履带式车辆进行地头转弯。

上述技术方案中，所述理论地头转弯路径的获取过程为：利用向量加法求得转弯路径夹角的角平分线，根据地头转弯处直线路径与地头转弯圆弧相切的位置关系求得地头转弯圆弧的切点坐标，进而计算出履带式车辆地头转弯路径的圆弧及对应的圆心角。

上述技术方案中，所述理论地头转弯路径被转换成履带式车辆实际地头转弯路径，具体为：将履带式车辆地头转弯路径的圆弧分为n段，将每一段圆弧对应的弦作为履带式车辆的直线运动路径，两个直线运动路径之间利用履带式车辆转弯半径的小圆弧路径过渡；根据履带式车辆的结构尺寸和碾压情况，计算履带式车辆地头转弯路径中直线行驶部分和圆弧行驶部分对地面的碾压率；根据履带式车辆运动速度和转弯角速度，计算履带式车辆转弯时长；以碾压率低和地头转弯时间短为优化目标，利用多目标粒子群算法对转弯圆弧分段数量n进行寻优，得到最优转弯圆弧分段数量n后，生成履带式车辆的实际地头转弯行驶路径。

上述技术方案中，所述直线行驶部分对地面的碾压率

其中b为履带宽度，d为履带式车辆车体宽度。

上述技术方案中，所述圆弧行驶部分对地面的碾压率为：

其中，r₁为履带式车辆内侧履带的最小转弯半径，r₂为履带式车辆内侧履带的最大转弯半径，r₃为履带式车辆外侧履带的最小转弯半径，r₄为履带式车辆外侧履带的最大转弯半径。

本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明针对自主导航履带式车辆，设计相切圆弧实现地头转弯处路径的平滑转弯；通过将履带式车辆转弯圆弧转换为由固定半径的转向小段和直线段间隔组成的近似圆弧曲线，实现了履带式车辆地头转弯的控制，减小了履带式车辆转弯过程中对田地的和农作物的损伤；具有环境适应能力强、操作简单、实时性好、可靠性高、稳定性好等优点。

附图说明

图1为本发明自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统的结构示意图；

图2为本发明中GNSS导航系统基准站的结构示意图；

图3为本发明中GNSS导航系统移动站的结构示意图；

图4为本发明中履带式车辆转弯路径控制方法示意图；

图5为本发明中履带式车辆理论地头转弯路径示意图；

图6为本发明中履带式车辆实际地头转弯路径示意图；

图7为本发明中履带式车辆结构尺寸和地面碾压情况示意图。

图中：1-GNSS导航系统基准站，2-GNSS导航系统移动站，3-履带式车辆，4-轨迹控制器，5-电子罗盘，1-1-供电模块I，1-2-GNSS天线I，1-3-GNSS接收机I，1-4-电台I，2-1-供电模块II，2-2-GNSS天线II，2-3-GNSS接收机II，2-4-电台II。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，包括GNSS导航系统基准站1、GNSS导航系统移动站2、履带式车辆3、轨迹控制器4和电子罗盘5；所述GNSS导航系统基准站1通过无线数据链将所测得的观测值和测站坐标信息发送给GNSS导航系统移动站2，GNSS导航系统移动站2接收GNSS导航系统基准站1数据的同时采集GNSS观测数据，据此计算履带式车辆3的实时位置并发送给轨迹控制器4，电子罗盘5检测履带式车辆3的航向并发送给轨迹控制器4，轨迹控制器4根据履带式车辆3的实时位置和航向实现地头转弯路径控制。

如图2所示，所述GNSS导航系统基准站1包括供电模块I 1-1、GNSS天线I 1-2、GNSS接收机I 1-3和电台I 1-4，供电模块I 1-1通过电源线与GNSS接收机I 1-3连接，GNSS天线I1-2和电台I 1-4均通过数据线与GNSS接收机I 1-3连接；GNSS天线I 1-2接收卫星信号，由GNSS接收机I 1-3计算GNSS导航系统差分定位所需的观测值和测站坐标信息，并通过电台I1-4将观测值和测站坐标信息发出。

如图3所示，所述GNSS导航系统移动站2包括供电模块II 2-1、GNSS天线II 2-2、GNSS接收机II 2-3和电台II 2-4，供电模块II 2-1通过电源线与GNSS接收机II 2-3连接，GNSS天线II 2-2和电台II 2-4均通过数据线与GNSS接收机II 2-3连接；GNSS天线II 2-2接收卫星信号，电台II 2-4接收电台I 1-4发出的观测值和测站坐标信息并传递给GNSS接收机II 2-3，由GNSS接收机II 2-3根据差分定位原理计算履带式车辆3的实时位置和航向。

轨迹控制器4根据履带式车辆3的实时位置和航向实现地头转弯路径控制，流程如图4所示，具体为：

1)获取理论地头转弯路径

如图5所示，假设履带式车辆3地头转弯圆弧的半径为r，地头转弯圆弧的圆心为C(x_c，y_c)，地头转弯处的相交直线路径分别为P₁P₂和P₂P₃，地头转弯圆弧T₁T₂与路径P₁P₂、P₂P₃相切；根据地头转弯处相交直线路径P₁P₂和P₂P₃的起始坐标可求得向量

利用向量加法求得转弯路径夹角∠P₁P₂P₃的角平分线的方向向量为结合点P₂(x₂，y₂)的坐标可以求得转弯路径夹角∠P₁P₂P₃的角平分线的方程；

将地头转弯圆弧补成完整的圆，当其与线段P₁P₂存在交点时可以得到：

其中，u为常数，且0≤u≤1。

转换成坐标形式如下：

由于圆与线段P₁P₂的交点也在圆上，所以

(x-x_c)²+(y-y_c)²＝r² (3)

结合公式(1)、(2)和(3)可以得到：

Au²+Bu+C＝0 (4)

其中，A＝(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²，B＝2(x₂-x₁)(x₂-x_c)+2(y₂-y₁)(y₁-y_c)，

求解公式(4)的一元二次方程可以得到：

根据B²-4AC的结果，可以判断线段P₁P₂所在直线和圆(地头转弯圆弧补成的完整圆)的相交情况：如果小于0，表示没有交点；如果等于0，表示相切，只有一个交点；如果大于0，表示有两个交点。因此，令B²-4AC＝0可以求得地头转弯处相交直线路径P₁P₂与地头转弯圆弧相切时的切点坐标T₁。同样，易求得地头转弯处相交直线路径P₂P₃与地头转弯圆弧相切时的切点坐标T₂。最终，可以得到履带式车辆3理论地头转弯路径的圆弧及对应的圆心角α。履带式车辆3理论地头转弯路径由直线路径P₁T₁、圆弧路径T₁T₂和直线路径T₂P₃共同组成。

2)获取实际地头转弯路径

如图6所示，将履带式车辆3理论地头转弯路径中的圆弧路径T₁T₂分为n段，则每一段圆弧对应的圆心角为α/n，每一段圆弧对应的弦分别为l₁、l₂……l_n，每一段圆弧对应的起始点和终点坐标分别为a₀(x_a0，y_a0)和a₁(x_a1，y_a1)、a₁(x_a1，y_a1)和a₂(x_a2，y_a2)……a_n-1(x_an-1，y_an-1)和a_n(x_an，y_an)。履带式车辆3转弯时，一侧履带切断动力输入，因而履带式车辆3转弯半径固定，设履带式车辆3转弯半径为r₀(固定值，近似为履带轨距的一半)，依据1)中的圆弧转弯路径生成方法，对n段小圆弧对应的相邻弦之间进行圆弧过渡，半径为r₀。因此，直线路径P₁T₁与弦l₁的过渡圆弧起始点和终点坐标分别为b₀(x_b0，y_b0)和b₁(x_b1，y_b1)，对应的圆心角为γ₀，圆弧半径为r₀；弦l₁与弦l₂的过渡圆弧起始点和终点坐标分别为b₂(x_b2，y_b2)和b₃(x_b3，y_b3)，对应的圆心角为γ₁，圆弧半径为r₀；弦l₂与弦l₃的过渡圆弧起始点和终点坐标分别为b₄(x_b4，y_b4)和b₅(x_b5，y_b5)，对应的圆心角为γ₂，圆弧半径为r₀；......弦l_n-1与弦l_n的过渡圆弧起始点和终点坐标分别为b_2n-2(x_b2n-2，y_b2n-2)和b_2n-1(x_b2n-1，y_b2n-1)，对应的圆心角为γ_n-1，圆弧半径为r₀；弦l_n与直线路径T₂P₃的过渡圆弧起始点和终点坐标分别为b_2n(x_b2n，y_b2n)和b_2n+1(x_b2n+1，y_b2n+1)，对应的圆心角为γ_n，圆弧半径为r₀。最终，可以得到履带式车辆3实际地头转弯路径由直线路径P₁b₀、圆弧路径b₀b₁、直线路径b₁b₂、圆弧路径b₂b₃、直线路径b₃b₄、圆弧路径b₄b₅、......直线路径b_2n-3b_2n-2、圆弧路径b_2n-2b_2n-1、直线路径b_2n-1b_2n、圆弧路径b_2nb_2n+1和直线路径b_2n+1P₃共同组成。

履带式车辆3的结构尺寸如图7(a)所示，履带长度为h，履带宽度为b，履带式车辆3车体宽度为d。如图7(b)所示，为履带式车辆3在工作过程中履带对地面的碾压情况示意图，碾压地面采用斜线表示，分为直线和圆弧转弯两部分。图7(b)中，r₁为履带式车辆3的内侧履带最小转弯半径(图中为右侧履带)，r₂为履带式车辆3的内侧履带最大转弯半径(图中为右侧履带)，r₃为履带式车辆3的外侧履带最小转弯半径(图中为左侧履带)，r₄为履带式车辆3的外侧履带最大转弯半径(图中为左侧履带)。

履带式车辆3直线行驶部分对地面的碾压率表示为：

假设圆弧转弯部分的圆心角为β，可以将履带式车辆3圆弧行驶部分对地面的碾压率表示为：

(碾压率的计算参照现有技术：雷志强.履带式再生稻收割机底盘的设计与试验[D].华中农业大学硕士学位论文，2017.第9页)

假设履带式车辆3直线行驶时速度为v，转弯时角速度为ω，履带式车辆3地头转弯路径中，直线行驶的总长度l，圆弧转弯的圆心角为β，因而转弯时长可以表示为t＝l/v+β/ω。因此，以碾压率低和地头转弯时间短为优化目标，利用多目标粒子群算法对转弯圆弧T₁T₂分割数量n进行寻优，得到最优转弯圆弧T₁T₂分割数量n后，生成履带式车辆3的实际地头转弯行驶路径。

3)转弯路径控制方法

通过GNSS导航系统基准站1和GNSS导航系统移动站2检测履带式车辆3的位置坐标，通过电子罗盘5检测履带式车辆3的航向；由轨迹控制器4控制履带式车辆3沿着直线路径P₁b₀运动，到达b₀(x_b0，y_b0)点后，由轨迹控制器4控制履带式车辆3以转弯半径r₀转过圆心角γ₀到达b₁(x_b1，y_b1)点；接着由轨迹控制器4控制履带式车辆3沿着直线路径b₁b₂运动，到达b₂(x_b2，y_b2)点后，由轨迹控制器4控制履带式车辆3以转弯半径r₀转过圆心角γ₁到达b₃(x_b3，y_b3)点；随后由轨迹控制器4控制履带式车辆3沿着直线路径b₃b₄运动，到达b₄(x_b4，y_b4)点后，由轨迹控制器4控制履带式车辆3以转弯半径r₀转过圆心角γ₂到达b₅(x_b5，y_b5)点；......由轨迹控制器4控制履带式车辆3沿着直线路径b_2n-3b_2n-2运动，到达b_2n-2(x_b2n-2，y_b2n-2)后，由轨迹控制器4控制履带式车辆3以转弯半径r₀转过圆心角γ_n-1到达b_2n-1(x_b2n-1，y_b2n-1)点；之后由轨迹控制器4控制履带式车辆3沿着直线路径b_2n-1b_2n运动，到达b_2n(x_b2n，y_b2n)点后，由轨迹控制器4控制履带式车辆3以转弯半径r₀转过圆心角γ_n到达b_2n+1(x_b2n+1，y_b2n+1)点，然后由轨迹控制器4控制履带式车辆3沿着直线路径b_2n+1P₃运动，至此完成最终的履带式车辆3的地头转弯路径控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，其特征在于：包括GNSS导航系统基准站(1)、GNSS导航系统移动站(2)、履带式车辆(3)、轨迹控制器(4)和电子罗盘(5)，所述GNSS导航系统基准站(1)将观测值和测站坐标信息发送给GNSS导航系统移动站(2)，GNSS导航系统移动站(2)接收GNSS导航系统基准站(1)数据的同时采集GNSS观测数据，据此计算履带式车辆(3)的实时位置并发送给轨迹控制器(4)，电子罗盘(5)检测履带式车辆(3)的航向并发送给轨迹控制器(4)，轨迹控制器(4)根据履带式车辆(3)的实时位置和航向实现地头转弯路径控制。

2.根据权利要求1所述的自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，其特征在于：所述GNSS导航系统基准站(1)中的GNSS天线Ⅰ(1-2)和电台Ⅰ(1-4)均与GNSS接收机Ⅰ(1-3)连接，GNSS接收机Ⅰ(1-3)与连接供电模块Ⅰ(1-1)。

3.根据权利要求1所述的自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，其特征在于：所述GNSS导航系统移动站(2)中的GNSS天线Ⅱ(2-2)和电台Ⅱ(2-4)均与GNSS接收机Ⅱ(2-3)连接，GNSS接收机Ⅱ(2-3)与供电模块Ⅱ(2-1)连接。

4.根据权利要求1所述的自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，其特征在于：所述地头转弯路径控制包括获取理论地头转弯路径，将理论地头转弯路径被转换成实际地头转弯路径，由轨迹控制器(4)控制履带式车辆(3)进行地头转弯。

5.根据权利要求4所述的自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，其特征在于：所述理论地头转弯路径的获取过程为：利用向量加法求得转弯路径夹角的角平分线，根据地头转弯处直线路径与转弯圆弧相切的位置关系求得地头转弯圆弧的切点坐标，进而计算出履带式车辆(3)地头转弯路径的圆弧及对应的圆心角。

6.根据权利要求4所述的自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，其特征在于：所述理论地头转弯路径被转换成履带式车辆(3)实际地头转弯路径，具体为：将履带式车辆(3)地头转弯路径的圆弧分为n段，将每一段圆弧对应的弦作为履带式车辆(3)的直线运动路径，两个直线运动路径之间利用履带式车辆(3)转弯半径的小圆弧路径过渡；根据履带式车辆(3)的结构尺寸和碾压情况，计算履带式车辆(3)地头转弯路径中直线行驶部分和圆弧行驶部分对地面的碾压率；根据履带式车辆(3)运动速度和转弯角速度，计算履带式车辆(3)转弯时长t；以碾压率低和地头转弯时间短为优化目标，利用多目标粒子群算法对转弯圆弧分段数量n进行寻优，得到最优转弯圆弧分段数量n后，生成履带式车辆(3)的实际地头转弯行驶路径。

7.根据权利要求6所述的自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，其特征在于：所述直线行驶部分对地面的碾压率

其中b为履带宽度，d为履带式车辆车体宽度。

8.根据权利要求6或7所述的自主导航履带式车辆的地头转弯路径控制系统，其特征在于：所述圆弧行驶部分对地面的碾压率为：

其中，r₁为履带式车辆内侧履带的最小转弯半径，r₂为履带式车辆内侧履带的最大转弯半径，r₃为履带式车辆外侧履带的最小转弯半径，r₄为履带式车辆外侧履带的最大转弯半径。

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