一種自主導航拖拉機轉向角無線測量系統及方法與流程

2023-04-26 05:38:31

本發明涉及農業機械自主導航技術，尤其是一種適用於無人駕駛拖拉機的自主導航技術，具體的說是一種自主導航拖拉機轉向角無線測量系統及方法。

背景技術：

在拖拉機自主導航系統的研製中，前輪（轉向輪）轉向角的測量尤為關鍵。目前常用電位計或編碼器測量前輪轉向角。將電位計或編碼器底座固定在拖拉機前橋和前輪連接的轉軸上，電位計或編碼器的軸心通過傳動機構與前橋的固定裝置相連。當拖拉機轉向輪發生偏轉時，電位計或編碼器的轉軸和底座發生相對角位移，進而產生變化的電信號（電位計輸出模擬電壓信號，編碼器輸出脈衝信號）。通過信號採集單元接收電信號，解算出相應角度，並通過物理線路傳輸到工控機，完成了轉向角的測量。

然而在工程實踐中，上述方法存在的突出問題：（1）電位計或編碼器安裝方式複雜，安裝精度要求較高，同時還需要對原有機械結構改造；（2）拖拉機工作環境惡劣，作物、雜草等容易對傳輸線路刮傷、刮斷，影響傳感器的正常使用。

技術實現要素：

本發明的目的是針對目前在無人駕駛拖拉機自主導航技術方面存在的問題，提供一種自主導航拖拉機轉向角無線測量系統及方法，具有結構簡單，安裝方便，適應性強，便於操控等特點，為無人駕駛拖拉機技術的發展創造有利條件。

本發明的技術方案是：

一種自主導航拖拉機轉向角無線測量系統，包括1套數傳電臺，所述數傳電臺包括3個發射端和1個接收端；所述3個發射端分別與1號、2號和3號姿態傳感器相連；所述1號和3號姿態傳感器分別安裝在拖拉機的左、右轉向輪與前橋橫梁連接的轉軸頂部；所述2號姿態傳感器安裝在拖拉機前橋橫梁的中間位置；所述數傳電臺的接收端與工控機相連，能夠接受所述3個發射端的數據。

進一步的，所述數傳電臺為低功耗433mhz。

進一步的，所述1號、2號和3號姿態傳感器的輸出頻率均為20hz，輸出信息為航向角。

進一步的，所述將3個發射端通過ttl串行通信接口與所述1號、2號和3號姿態傳感器分別連接。

進一步的，所述1號和3號姿態傳感器的x軸分別平行於拖拉機左、右轉向輪並指向前方；所述2號姿態傳感器的x軸垂直於前橋橫梁並指向前方。

一種自主導航拖拉機轉向角無線測量系統進行測量的方法，包括以下步驟：

1）從數傳電臺接收端讀取當前時刻3個姿態傳感器的航向角數據h1(t)、h2(t)、h3(t)；

2）分別檢測3個姿態傳感器當前時刻數據是否為異常數據。若發現接收到異常數據，則立即剔除，用前一次測量的正常數據代替；

3）通過計算1號和2號姿態傳感器發送的航向角之差，確定左輪轉向角al；通過計算2號和3號姿態傳感器發送的航向角之差，確定右輪轉向角ar；即：al=h1(t)-h2(t)，ar=h3(t)-h2(t)；

4）重複上述步驟1）至3），實現循環檢測左、右轉向輪的轉向角。

本發明的有益效果：

本發明結構簡單，安裝方便，可以避免傳統技術中複雜的物理傳輸線路，極大地提高了拖拉機導航系統工作的可靠性，為無人駕駛拖拉機技術的發展創造有利條件。

附圖說明

圖1是本發明的系統結構示意圖。

圖2是本發明中的姿態傳感器的安裝示意圖。

圖3是本發明中的數據流程示意圖。

其中：1-左轉向輪；2-1號姿態傳感器；3-前橋橫梁；4-2號姿態傳感器；5-3號姿態傳感器；6-右轉向輪。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。

如圖1所示，一種自主導航拖拉機轉向角無線測量系統，包括1套數傳電臺。該數傳電臺為低功耗433mhz，包括3個發射端和1個接收端。所述3個發射端分別通過ttl串行通信接口與1號、2號和3號姿態傳感器相連，以便將各姿態傳感器感測到的信息發送給所述接收端。所述接收端與工控機相連，能夠接受所述3個發射端的數據，並傳輸給工控機。優選的，所述1號、2號和3號姿態傳感器均為微型姿態傳感器。

如圖2所示，所述1號姿態傳感器2安裝在左轉向輪1與前橋橫梁3連接的轉軸頂部，其x軸正方向x1與左轉向輪1平行的指向前方。所述3號姿態傳感器5安裝在右轉向輪6與前橋橫梁3連接的轉軸頂部，其x軸正方向x3與右轉向輪6平行的指向前方。由此，可保證左、右轉向輪發生偏轉時，1號和3號姿態傳感器能夠同步運動。所述2號姿態傳感器4安裝在前橋橫梁3的中心，其x軸正方向x2垂直於前橋橫梁3指向前方。

所述1號、2號和3號姿態傳感器的輸出頻率均為20hz，輸出信息為航向角，同時，設置通信參數為波特率9600bps，校驗位：n，數據位：8，停止位：1，即可感測拖拉機左、右轉向輪相對於前橋橫梁垂直方向之間的角度變化，並通過數傳電臺傳輸到工控機上。

如圖3所示，使用上述自主導航拖拉機轉向角無線測量系統進行測量的方法包括以下步驟：

1）從數傳電臺接收端讀取當前時刻3個姿態傳感器的航向角數據h1(t)、h2(t)、h3(t)；

2）分別檢測3個姿態傳感器當前時刻數據是否為異常數據。若發現接收到異常數據，則立即剔除，用前一次測量的正常數據代替；

3）通過計算1號和2號姿態傳感器發送的航向角之差，確定左輪轉向角al；通過計算2號和3號姿態傳感器發送的航向角之差，確定右輪轉向角ar；即：al=h1(t)-h2(t)，ar=h3(t)-h2(t)；

4）重複上述步驟1）至3），實現循環檢測左、右轉向輪的轉向角。

所述步驟2）中，奇異值的檢測算法為，以1號姿態傳感器為例：

a.獲取當前時刻航向角h1(t)和鄰近連續8個時刻的航向角h1(t-1)h1(t-2)……h1(t-8)；

b.計算連續8個距離增量△h1(t)、△h1(t-1)……△h1(t-7)，表達式中△h1(t-n)=|h1(t-n)-h1(t-n-1)|；

c.計算上述8個距離增量的算術平均值d(t)；

d.若h1(t)>3d(t)，則認為h1(t)為異常數據，然後將h1(t)的數值用h1(t-1)代替。反之，則認為h1(t)為正常數據。

本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。