CN113391336A - 一种航向角的检测方法、装置、设备及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航向角的检测方法，考虑到GNSS检测的航向角长期稳定以及陀螺仪检测的航向角短期内精度高的特点，本申请基于GNSS与陀螺仪二者检测航向角的差值通过观测器对陀螺仪的在上一预设周期内的航向角误差进行估计，并根据航向角误差估计值对陀螺仪所测航向角进行补偿从而得到测定航向角，能够实现农机航向角的精确测定，并且由于单天线GNSS以及陀螺仪的成本均较低，因此本方案的实施成本较低。本发明还公开了一种航向角的检测装置、设备及计算机可读存储介质，具有如上航向角的检测方法相同的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及农机自动驾驶领域，特别是涉及一种航向角的检测方法，本发明还涉及一种航向角的检测装置、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
农机自动驾驶技术对于降低农业驾驶员的劳动强度以及提升农业产能有着重要的意义，为了提升农机车辆自动驾驶的精度，需要对农机的航向角进行精准的测定，精确的航向角是成功的实现自动驾驶的重要前提，然而现有技术中缺少一种成熟的农机航向角的检测方法，从而无法以较低的成本实现较高的检测精度。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种航向角的检测方法，能够实现农机航向角的精确测定，并且由于单天线GNSS以及陀螺仪的成本均较低，因此本方案的实施成本较低；本发明的另一目的是提供一种航向角的检测装置、设备及计算机可读存储介质，能够实现农机航向角的精确测定，并且由于单天线GNSS以及陀螺仪的成本均较低，因此本方案的实施成本较低。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种航向角的检测方法，包括：
响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角；
将初始航向角以及陀螺仪在上一预设周期内的角度增量之和作为所述目标农机当前的第二航向角；
根据陀螺仪的航向角误差估计的状态空间方程以及预设类型的观测器，基于所述第一航向角与所述第二航向角的差值，计算出所述陀螺仪在上一所述预设周期内的航向角误差估计值；
将根据所述航向角误差估计值进行补偿后的所述第二航向角，分别作为所述目标农机当前的测定航向角以及所述初始航向角，以便农机进行自动驾驶。
优选地，所述响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角具体为：
ψr＝arctan(ΔE/ΔN)；
其中，ψr为所述第一航向角，ΔE为预设时间间隔内坐标东的坐标差，ΔN为所述预设时间间隔内坐标北的坐标差。
优选地，所述航向角误差估计的状态空间方程具体为：
其中，e为航向角误差，uψ为航向角误差的噪声，b为陀螺仪零位偏置，ub为陀螺仪偏移的噪声。
优选地，所述预设时间间隔为2s，所述单天线GNSS的采样频率为10Hz。
优选地，所述定向指令具体为每隔预设时长自动生成的定向指定。
优选地，所述预设类型的观测器具体为卡尔曼滤波算法。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种航向角的检测装置，包括：
第一检测模块，用于响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角；
第二检测模块，用于将初始航向角以及陀螺仪在上一预设周期内的角度增量之和作为所述目标农机当前的第二航向角；
计算模块，用于根据陀螺仪的航向角误差估计的状态空间方程以及预设类型的观测器，基于所述第一航向角与所述第二航向角的差值，计算出所述陀螺仪在上一所述预设周期内的航向角误差估计值；
确定模块，用于将根据所述航向角误差估计值进行补偿后的所述第二航向角，分别作为所述目标农机当前的测定航向角以及所述初始航向角，以便农机进行自动驾驶。
优选地，所述预设类型的观测器具体为卡尔曼滤波算法。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种航向角的检测设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上所述航向角的检测方法的步骤。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述航向角的检测方法的步骤。
本发明提供了一种航向角的检测方法，考虑到GNSS检测的航向角长期稳定以及陀螺仪检测的航向角短期内精度高的特点，本申请基于GNSS与陀螺仪二者检测航向角的差值通过观测器对陀螺仪的在上一预设周期内的航向角误差进行估计，并根据航向角误差估计值对陀螺仪所测航向角进行补偿从而得到测定航向角，能够实现农机航向角的精确测定，并且由于单天线GNSS以及陀螺仪的成本均较低，因此本方案的实施成本较低。
本发明还提供了一种航向角的检测装置、设备及计算机可读存储介质，具有如上航向角的检测方法相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种航向角的检测方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种航向角的检测装置的结构示意图；
图3为本发明提供的一种航向角的检测设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种航向角的检测方法，能够实现农机航向角的精确测定，并且由于单天线GNSS以及陀螺仪的成本均较低，因此本方案的实施成本较低；本发明的另一核心是提供一种航向角的检测装置、设备及计算机可读存储介质，能够实现农机航向角的精确测定，并且由于单天线GNSS以及陀螺仪的成本均较低，因此本方案的实施成本较低。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明提供的一种航向角的检测方法的流程示意图，该航向角的检测方法包括：
步骤S1：响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角；
具体的，考虑到如上背景技术中的技术问题，本申请中欲设计一种成本低且精度较高的航向角的检测方法，首先，本申请的基本思想为：由于通过陀螺仪在短时内积分计算出的航向角具有精度高的优点，因此本申请可以对于通过陀螺仪检测的航向角进行误差补偿，从而进一步提高测定出的农机航向角的精度，而误差补偿的具体方式是“通过观测器对陀螺仪测得的航向角误差的测量值进行优化从而得到陀螺仪测得的航向角误差的估计值”，其中，本申请中的“陀螺仪测得的航向角误差的测量值”具体指的是单天线GNSS所测第一航向角与陀螺仪所测第二航向角的差值，由于单天线GNSS以及陀螺仪均具有低成本的特点，因此本申请以较低成本实现了航向角的精确测量。
其中，之所以可以将单天线GNSS所测第一航向角与陀螺仪所测第二航向角的差值作为“陀螺仪测得的航向角误差的测量值”，是因为单天线GNSS所测第一航向角具有长期稳定的优点，因此可以暂将其作为基准航向角，从而第一航向角与第二航向角的差值可以作为“陀螺仪测得的航向角误差的测量值”。
其中，GNSS具体可以为多种类型，例如可以为北斗卫星导航系统等，本发明实施例在此不做限定。
步骤S2：将初始航向角以及陀螺仪在上一预设周期内的角度增量之和作为目标农机当前的第二航向角；
具体的，前一步骤已经得到了第一航向角，其可以视作基准航向角，为了对上述的“陀螺仪测得的航向角误差的测量值”进行计算，因此本步骤中可以将初始航向角以及陀螺仪在上一预设周期内的角度增量之和作为目标农机当前的第二航向角。
其中，预设周期可以进行自主设定，其时间不宜过长，例如可以为两秒等，本发明实施例在此不做限定。
步骤S3：根据陀螺仪的航向角误差估计的状态空间方程以及预设类型的观测器，基于第一航向角与第二航向角的差值，计算出陀螺仪在上一预设周期内的航向角误差估计值；
具体的，基于前述步骤得到的第一航向角以及第二航向角便可以计算两者的差值并将其作为“陀螺仪测得的航向角误差的测量值”，此时便可以基于预设类型的观测器以及陀螺仪的航向角误差估计的状态空间方程，计算出陀螺仪在上一预设周期内的航向角误差估计值，以便进一步优化陀螺仪所测第二航向角的精度。
步骤S4：将根据航向角误差估计值进行补偿后的第二航向角，分别作为目标农机当前的测定航向角以及初始航向角，以便农机进行自动驾驶。
具体的，基于上一步得到的航向角误差估计值，便可以对第二航向角进行补偿从而得到目标农机当前的测定航向角，其准确度得到进一步提高。
其中，将根据航向角误差估计值进行补偿后的第二航向角作为初始航向角，可以便于下一周期后通过陀螺仪进行第二航向角的计算。
值得一提的是，本申请实施前可以在农机车顶后轴中心处安装北斗卫星导航系统GNSS，同时在车顶中心处安装一个陀螺仪，陀螺仪的Z轴为农机车体的天轴，通过GNSS天线获取农机车辆的位置信息，通过陀螺仪获取各轴的角速率信息。
其中，将初始航向角以及陀螺仪在上一预设周期内的角度增量之和作为目标农机当前的第二航向角具体可以为：
其中，式中第二项为由陀螺仪Z轴的角速率积分所得角度增量的积累，也即上述的角度增量，陀螺仪的积分数值解可通过欧拉角或者四元数组的方法计算。
具体的，第一航向角与第二航向角的差值可以为第一航向角减去第二航向角的差值。
本发明提供了一种航向角的检测方法，考虑到GNSS检测的航向角长期稳定以及陀螺仪检测的航向角短期内精度高的特点，本申请基于GNSS与陀螺仪二者检测航向角的差值通过观测器对陀螺仪的在上一预设周期内的航向角误差进行估计，并根据航向角误差估计值对陀螺仪所测航向角进行补偿从而得到测定航向角，能够实现农机航向角的精确测定，并且由于单天线GNSS以及陀螺仪的成本均较低，因此本方案的实施成本较低。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选的实施例，响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角具体为：
ψr＝arctan(ΔE/ΔN)；
其中，ψr为第一航向角，ΔE为预设时间间隔内坐标东的坐标差，ΔN为预设时间间隔内坐标北的坐标差。
具体的，上述通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角的具体方式可以准确地进行第一航向角的测定。
当然，除了上述方式外，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角还可以为其他具体方式，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，航向角误差估计的状态空间方程具体为：
其中，e为航向角误差，uψ为航向角误差的噪声，b为陀螺仪零位偏置，ub为陀螺仪偏移的噪声。
具体的，航向角误差估计的状态空间方程在使用过程中需要进行离散化，离散化后的离散方程为：
其中，Δt为采样时间间隔。
具体的，卡尔曼滤波算法的输出方程可以为：
其中，y为输出的航向角误差估计值，v为观测的误差噪声。
具体的，上述输出方程离散后为：
其中，基于上述离散化的方程以及第一航向角与第二航向角的差值，即可通过卡尔曼滤波算法对航向角误差进行估计。
具体的，上述航向角误差估计的状态空间方程可以提高观测器的可观测性，进而提升预估的精度。
当然，除了上述的具体形式外，航向角误差估计的状态空间方程还可以为其他具体形式，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，预设时间间隔为2s，单天线GNSS的采样频率为10Hz。
具体的，考虑到10Hz对应的0.1秒的采样间隔的GNSS的坐标差信息伴随有很大的噪声，因此为了减少噪声的影响，可以将预设时间间隔设置为2秒，其中，第一次通过单天线GNSS计算第一航向角时所使用的坐标东的坐标差以及坐标北的坐标差，均可以是0秒时刻与2秒时刻的坐标差值，而以后每过0.1s便可以计算一次第一航向角，并且每次所用的坐标差对应的预设时间间隔都是2秒。
当然，除了本发明实施例中的具体数值外，预设时间间隔还可以为其他具体数值，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，定向指令具体为每隔预设时长自动生成的定向指定。
具体的，将每隔预设时长自动生成的定向指定作为上述定向指令，可以提高自动化程度从而降低人力成本。
其中，预设时长可以进行自主设定，例如可以与单天线GNSS的采样间隔一致，为0.1秒，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，预设类型的观测器具体为卡尔曼滤波算法。
具体的，卡尔曼滤波算法具有计算量小以及精度高的优点。
当然，除了卡尔曼滤波算法外，预设类型的观测器还可以为其他具体类型，本发明实施例在此不做限定。
请参考图2，图2为本发明提供的一种航向角的检测装置的结构示意图，该航向角的检测装置包括：
第一检测模块21，用于响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角；
第二检测模块22，用于将初始航向角以及陀螺仪在上一预设周期内的角度增量之和作为目标农机当前的第二航向角；
计算模块23，用于根据陀螺仪的航向角误差估计的状态空间方程以及预设类型的观测器，基于第一航向角与第二航向角的差值，计算出陀螺仪在上一预设周期内的航向角误差估计值；
确定模块24，用于将根据航向角误差估计值进行补偿后的第二航向角，分别作为目标农机当前的测定航向角以及初始航向角，以便农机进行自动驾驶。
作为一种优选的实施例，预设类型的观测器具体为卡尔曼滤波算法。
对于本发明实施例提供的航向角的检测装置的介绍请参照前述的航向角的检测方法的实施例，本发明实施例在此不再赘述。
请参考图3，图3为本发明提供的一种航向角的检测设备的结构示意图，该航向角的检测设备包括：
存储器31，用于存储计算机程序；
处理器32，用于执行计算机程序时实现如前述实施例中航向角的检测方法的步骤。
对于本发明实施例提供的航向角的检测设备的介绍请参照前述的航向角的检测方法的实施例，本发明实施例在此不再赘述。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述实施例中航向角的检测方法的步骤。
对于本发明实施例提供的计算机可读存储介质的介绍请参照前述的航向角的检测方法的实施例，本发明实施例在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种航向角的检测方法，其特征在于，包括：
响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角；
将初始航向角以及陀螺仪在上一预设周期内的角度增量之和作为所述目标农机当前的第二航向角；
根据陀螺仪的航向角误差估计的状态空间方程以及预设类型的观测器，基于所述第一航向角与所述第二航向角的差值，计算出所述陀螺仪在上一所述预设周期内的航向角误差估计值；
将根据所述航向角误差估计值进行补偿后的所述第二航向角，分别作为所述目标农机当前的测定航向角以及所述初始航向角，以便农机进行自动驾驶。
2.根据权利要求1所述的航向角的检测方法，其特征在于，所述响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角具体为：
ψr＝arctan(ΔE/ΔN)；
其中，ψr为所述第一航向角，ΔE为预设时间间隔内坐标东的坐标差，ΔN为所述预设时间间隔内坐标北的坐标差。
3.根据权利要求2所述的航向角的检测方法，其特征在于，所述航向角误差估计的状态空间方程具体为：
其中，e为航向角误差，uψ为航向角误差的噪声，b为陀螺仪零位偏置，ub为陀螺仪偏移的噪声。
4.根据权利要求2所述的航向角的检测方法，其特征在于，所述预设时间间隔为2s，所述单天线GNSS的采样频率为10Hz。
5.根据权利要求1所述的航向角的检测方法，其特征在于，所述定向指令具体为每隔预设时长自动生成的定向指定。
6.根据权利要求1至5任一项所述的航向角的检测方法，其特征在于，所述预设类型的观测器具体为卡尔曼滤波算法。
7.一种航向角的检测装置，其特征在于，包括：
第一检测模块，用于响应于定向指令，通过单天线全球导航卫星系统GNSS检测目标农机当前的第一航向角；
第二检测模块，用于将初始航向角以及陀螺仪在上一预设周期内的角度增量之和作为所述目标农机当前的第二航向角；
计算模块，用于根据陀螺仪的航向角误差估计的状态空间方程以及预设类型的观测器，基于所述第一航向角与所述第二航向角的差值，计算出所述陀螺仪在上一所述预设周期内的航向角误差估计值；
确定模块，用于将根据所述航向角误差估计值进行补偿后的所述第二航向角，分别作为所述目标农机当前的测定航向角以及所述初始航向角，以便农机进行自动驾驶。
8.根据权利要求7所述的航向角的检测装置，其特征在于，所述预设类型的观测器具体为卡尔曼滤波算法。
9.一种航向角的检测设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述航向角的检测方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述航向角的检测方法的步骤。
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