一種基於雙天線GNSS的平地機控制系統及其控制方法與流程

2023-06-20 04:55:21 3

本發明涉及智能農業機械領域，更具體地涉及一種基於雙天線gnss的平地機控制系統及其控制方法。

背景技術：

我國淡水資源匱乏，僅佔全球水資源的6％，農業灌溉用水量大，約佔全國用水量的62％。傳統農業生產主要採用大水漫浸灌溉方式，由於農田田面平整度差，使得灌水用水量大、利用率低。農田精準平地可以改善田面平整度，直接提高灌溉效率和效果，從而達到增加水稻產量，節約灌溉用水。

現有農田精準平地技術主要有雷射平地機技術和基於gnss平地技術。由於雷射發射器的有效作業半徑為300m，因此雷射平地技術無滿足大面積田塊平整的需要，此外，隨著雷射平地機作業半徑的增大，誤差也隨之增大。而目前gnss平地技術採用單臺gnss天線，其進行平地鏟自動調平時則需高精度傾角傳感器，其成本高難以廣泛應用。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於雙天線gnss的平地機控制系統及其控制方法，這樣設計通過平地機控制系統設計可快捷方便地對平地鏟進行傾斜角度和高度的控制調節，且精準度高，自動調節，可以實現大面積的田地平整度操作的可能，節省了時間，提高了效率；且不需要用高精度的傾角傳感器，降低了生產成本。

為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：

提供一種基於雙天線gnss的平地機控制系統，所述安裝於平地鏟的平地機控制系統包括雙天線gnss系統、用於檢測平地鏟輔助橫向傾斜角度的加速度傳感器、平地控制器、平地鏟液壓閥組以及用於保持相關高度以及傾角的調節油缸，所述雙天線gnss系統包括主天線、從天線、發送實時差分信息的gnssrtk基準系統以及用於接收信息的gnss接收模塊，主天線、從天線與gnss接收模塊電連接；

主天線和從天線將相關信息發送至gnss接收模塊，gnss接收模塊以及加速度傳感器傳輸至平地控制器，平地控制器接收到相關信息進行處理並發送平地鏟高度調節和傾角調節命令至平地鏟液壓閥組，平地鏟液壓閥組驅動調節油缸對平地鏟進行調節高度以及傾角進行保持。

本發明基於雙天線gnss的平地機控制系統，主天線和從天線將相關信息發送至gnss接收模塊，gnss接收模塊以及加速度傳感器傳輸至平地控制器，平地控制器接收到相關信息進行處理並發送平地鏟高度調節和傾角調節命令至平地鏟液壓閥組，平地鏟液壓閥組驅動調節油缸對平地鏟進行調節高度以及傾角進行保持；這樣設計通過平地機控制系統設計可快捷方便地對平地鏟進行傾斜角度和高度的控制調節，且精準度高，自動調節，可以實現大面積的田地平整度操作的可能，節省了時間，提高了效率；且不需要用高精度的傾角傳感器，降低了生產成本。

優選地，所述平地鏟液壓閥組包括平地鏟高程液壓閥組和平地鏟調平液壓閥組。優選地，所述調節油缸包括高程調節油缸和調平調節油缸。這樣設置通過平地控制器控制信號控制驅動高程調節油缸控制平地鏟保持用戶設定的高度；通過平地控制器控制信號控制驅動調平調節油缸控制平地鏟保持用戶設定的傾斜角度(一般角度為零度，即保持平地鏟水平)。平地鏟高度自動控制和自動調平控制使平地鏟達到農田精細平整的目的。

優選地，所述主天線、從天線安裝於平地鏟不同位置處。優選地，所述主天線安裝於平地鏟中部，從天線安裝於平地鏟端部。這樣設置，可以通過主天線和從天線的傾斜角度獲得平地鏟的第一傾斜角。

本發明還提供了一種基於雙天線gnss的平地機控制系統的控制方法，步驟如下：

(a)所述gnssrtk基準系統通過電臺向gnss接收模塊發送實時差分信息，如無gnss-rtk差分信息，gnss接收模塊將提供提示信息；

(b)在步驟(a)之後主天線和從天線向gnss接收模塊傳輸衛星信號，通過對主天線和從天線接收的信息進行解算獲得主天線的定位位置和從天線指向主天線的傾角數據；主天線的位置數據中高度數據即為平地鏟高度信息；傾角數據經滑動濾波後得到平地鏟橫向第一傾斜角θgnss；加速度傳感器向平地控制器傳輸表示平地鏟橫向第二傾斜角信息的加速度aacc；

(c)在步驟(b)之後，gnss接收模塊向平地控制器傳輸信息，平地控制器接收gnss接收模塊的平地鏟高度信息、第一傾斜角θgnss信息和第二傾斜角的加速度aacc信息，並進行信息算法運算；

(d)在步驟(c)之後，平地控制器根據信息算法運算後得出平地鏟高度值，根據期望高度值輸出驅動信號控制平地鏟高程液壓閥組進行平地鏟升降；當平地鏟高於期望高度時控制平地鏟下降至期望高度，當平地鏟低於期望高度時控制平地鏟上升至期望高度；

(e)在步驟(d)之後，平地控制器根據信息算法運算後得出傾斜角信息，自動調平控制以用戶設定的傾斜角度(一般為絕對「0」度，即保持平地鏟水平)為期望角度輸出控制信息控制平地鏟調平液壓閥組進行平地鏟傾角調節控制；當平地鏟傾斜時控制調節平地鏟保持水平；

(f)在步驟(e)之後，高程調節油缸對調節後的平地鏟高度進行保持，調平調節油缸對調節後的平地鏟水平度進行保持。

優選地，所述gnss接收模塊從主天線的定位數據進行加權遞推平均濾波處理測出平地鏟高度信息。

優選地，所述gnss接收模塊對第一傾斜角θgnss信息和第二傾斜角的加速度aacc進行如下信息融合處理：

(i)第二傾斜角的加速度aacc信息轉化為平地鏟第二傾斜角θacc＝arcsinaacc/g，aacc為加速度傳感器輸出加速度值，g為重力加速度。

(ii)平地控制器根據gnss接收模塊輸出的主天線定位數據對平地機轉彎過程中向心加速度進行消除：由gnss接收模塊輸出的主天線經度和緯度數據識別圓周運動並獲得圓周運動半徑，以及從gnss接收模塊輸出的速度數據中獲得圓周運動的速度，計算得到向心加速度an＝v2/r，從而獲得去除向心加速度影響的平地鏟傾斜角度(去除向心加速度的第二加速度)θan＝arcsin(aacc-an)/g。

(iii)gnss輸出的信息串中三維位置因子pdop≤n1時，平地鏟傾斜角θ直接採用gnss輸出的第一傾角信息θgnss，即θ＝θgnss；gnss輸出的信息串中三維位置因子n1＜pdop≤n2時，平地鏟傾斜角θ採用gnss的第一傾角θgnss和去除向心加速度影響的平地鏟傾斜角度θan按比例融合得到平地鏟傾斜角θ，即θ＝p*θgnss+(1-p)*θan，其中0＜p＜1；gnss輸出的信息串中三維位置因子pdop＞n2時，平地鏟傾斜角θ採用去除向心加速度影響的平地鏟傾斜角θan，即θ＝θan。其中n1和n2根據gnss信號質量進行選擇，且0＜n1＜n2。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明一種基於雙天線gnss的平地機控制系統及其控制方法的設置，採用雙天線gnss系統組成平地機控制系統，主天線安裝於平地鏟中間，從天線安裝於平地鏟一端，主天線的高度信息作為平地鏟高度信息，從天線指向主天線的傾角作為平地鏟第一傾斜角度，通過平地控制器驅動控制平地鏟高程液壓閥組和平地鏟調平液壓閥組實時調節平地鏟高度和水平傾角，實現農田的精細平整。基於gnss的平地技術區別於雷射平地技術不受雷射傳輸距離限制，作業範圍大、效率高，更適用於大面積田間作業和丘陵地區稻田作業；

另外，本發明為提高雙天線gnss傾角測量精度，採用加速度傳感器輔助測量平地鏟傾角，通過gnss定位數據(gnss接收模塊輸出的主線所在經緯度信息)識別平地機是否進行圓周運動對加速度計的向心加速度影響進行消除，並與gnss的傾角信息進行融合，獲得準確穩定的平地鏟傾斜角度信息。

附圖說明

圖1為基於雙天線gnss的平地機控制系統示意圖。

圖2為gnss軌跡識別向心加速度示意圖。

圖3為基於雙天線gnss的平地機控制系統的控制方法流程圖。

圖4為基於雙天線gnss的平地機控制系統安裝拖拉機後的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明作進一步的說明。其中，附圖僅用於示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實物圖，不能理解為對本專利的限制；為了更好地說明本發明的實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，並不代表實際產品的尺寸；對本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。

本發明實施例的附圖中相同或相似的標號對應相同或相似的部件；在本發明的描述中，需要理解的是，若有術語「上」、「下」、「左」、「右」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此附圖中描述位置關係的用語僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。

實施例

如圖1至4所示為一種基於雙天線gnss的平地機控制系統及其控制方法的第一實施例，所述安裝於平地鏟6的平地機控制系統包括雙天線gnss系統1、用於檢測平地鏟輔助橫向傾斜角度的加速度傳感器2、平地控制器3、平地鏟液壓閥組4以及用於保持相關高度以及傾角的調節油缸5，所述雙天線gnss系統1包括主天線11、從天線12、發送實時差分信息的gnssrtk基準系統13以及用於接收信息的gnss接收模塊14，主天線11、從天線12與gnss接收模塊14電連接；

主天線11和從天線12將相關信息發送至gnss接收模塊14，gnss接收模塊14以及加速度傳感器2將相關信息傳輸至平地控制器3，平地控制器3接收到相關信息進行處理從而發送平地鏟高度調節和傾角調節命令至平地鏟液壓閥組4，平地鏟液壓閥組4驅動調節油缸5對平地鏟進行調節高度以及傾角進行保持。

具體地，所述平地鏟液壓閥組4包括平地鏟高程液壓閥組41和平地鏟調平液壓閥組42。其中，所述調節油缸5包括高程調節油缸51和調平調節油缸52。這樣設置通過平地控制器3控制信號控制驅動高程調節油缸51控制平地鏟保持用戶設定的高度；通過平地控制器控制信號控制驅動調平調節油缸52控制平地鏟保持用戶設定的傾斜角度(一般角度為零度，即保持平地鏟水平)。平地鏟高度自動控制和自動調平控制使平地鏟達到農田精細平整的目的。

其中，所述主天線11、從天線12安裝於平地鏟不同位置處。另外，所述主天線11安裝於平地鏟中部，從天線12安裝於平地鏟端部。這樣設置，可以通過主天線11和從天線12的傾斜角度獲得平地鏟的第一傾斜角。

本發明還一種根據所述基於雙天線gnss的平地機控制系統的控制方法，步驟如下：

(a)所述gnssrtk基準系統13通過電臺向gnss接收模塊14發送實時差分信息，如無gnss-rtk差分信息，gnss接收模塊將提供提示信息；

(b)在步驟(a)之後，主天線11和從天線12向gnss接收模塊14傳輸衛星信號，通過對主天線11和從天線12接收的信息進行解算獲得主天線的定位位置和從天線11指向主天線12的傾角數據；主天線11的位置數據中高度數據即為平地鏟高度信息；傾角數據經滑動濾波後即得到平地鏟橫向第一傾斜角θgnss；加速度傳感器2向平地控制器3傳輸表示平地鏟橫向第二傾斜角信息的加速度aacc；

(c)在步驟(b)之後，gnss接收模塊14向平地控制器3傳輸信息，平地控制器3接收gnss接收模塊14的平地鏟高度信息、第一傾斜角θgnss信息和第二傾斜角的加速度aacc信息，並進行信息算法運算；

(d)在步驟(c)之後，平地控制器3根據信息算法運算後得出平地鏟高度值，根據期望高度值輸出驅動信號控制平地鏟高程液壓閥組41進行平地鏟升降控制；當平地鏟高於期望高度時控制平地鏟下降至期望高度，當平地鏟低於期望高度時控制平地鏟上升至期望高度；

(e)在步驟(d)之後，平地控制器3根據信息算法運算後得出傾斜角信息，自動調平控制以平地鏟絕對「0」度為期望角度輸出控制信息控制平地鏟調平液壓閥組42進行平地鏟傾角調節控制；當平地鏟傾斜時控制調節平地鏟保持水平；

(f)在步驟(e)之後，高程調節油缸51對調節後的平地鏟高度進行保持，調平調節油缸52對調節後的平地鏟水平度進行保持。

其中，所述gnss接收模塊14從主天線11的定位數據進行加權遞推平均濾波處理測出平地鏟高度信息。

另外，所述gnss接收模塊14對第一傾斜角信息和第二傾斜角進行如下信息融合處理：

(i)第二傾斜角的加速度aacc信息轉化為平地鏟第二傾斜角θacc＝arcsinaacc/g，aacc為加速度傳感器輸出加速度值，g為重力加速度；

(ii)平地控制器3根據gnss接收模塊14輸出的主天線定位數據對平地機轉彎過程中向心加速度進行消除：由gnss接收模塊14輸出的主天線經度和緯度數據定位數據識別圓周運動並獲得圓周運動半徑，以及從gnss接收模塊14輸出的速度數據中獲得圓周運動的速度，計算得到向心加速度an＝v2/r，獲得去除向心加速度影響的平地鏟傾斜角度θ＝arcsin(aacc-an)/g；

(iii)當gnss輸出的信息串中三維位置因子pdop≤n1時，平地鏟傾斜角θ直接採用gnss輸出的第一傾角信息θgnss，即θ＝θgnss；當gnss輸出的信息串中三維位置因子n1＜pdop≤n2時，平地鏟傾斜角採用gnss的第一傾角θgnss和去除向心加速度影響的平地鏟傾斜角度θan按比例融合得到平地鏟傾斜角θ，即θ＝p*θgnss+(1-p)*θan，其中0＜p＜1，；當gnss輸出的信息串中三維位置因子pdop＞n2時，平地鏟傾斜角θ採用去除向心加速度影響的平地鏟傾斜角θan，即θ＝θan；其中n1和n2根據gnss信號質量進行選擇，且0＜n1＜n2。

如圖4所示為本發明的基於雙天線gnss的平地機控制系統安裝於機器設備上的示意圖，本實施例中的機器設備為拖拉機7。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護範圍之內。