基于GNSS姿態與電機編碼器的農機轉向角度測量系統研制

陳 云，何 艷

基于GNSS姿態與電機編碼器的農機轉向角度測量系統研制

陳 云1，何 艷2※

（1. 西安合眾思壯導航技術有限公司，西安 710065；2. 西安郵電大學通信與信息工程學院，西安 710121）

典型的農業機械自動駕駛系統需要在車輛轉向輪上安裝角度傳感器測量轉向角度，存在安裝不便與可靠性差問題。該研究提出一種基于GNSS模塊和電機編碼器組合的轉向輪轉向角度測量系統。該系統通過組合利用GNSS姿態測量值與運動模型得到轉向輪期望角度，利用電機轉向速度和全液壓轉向閥的傳遞模型推算轉向角度變化值，經卡爾曼濾波融合解算得到車輛轉向輪的實時轉向角度。與霍爾式絕對角度傳感器對比的動態測試結果表明，該系統在直線行駛時的測量標準方差小于0.91°，在轉向輪-10°～+10°區間，測量標準方差小于1.0°；直線自動駕駛作業時的導航誤差小于2.5 cm，曲線作業自動駕駛的導航誤差小于9.0 cm，滿足農機自動調頭等場景應用。

農業機械；自動駕駛；衛星導航；轉角測量；姿態測量；電機編碼器

0 引 言

農業機械自動駕駛系統可以節省人力、提高能效和土地利用率[1-2]等，在全球得到廣泛應用，成為精準農業領域的研究熱點[3-8]。轉向輪角度測量單元作為農機自動駕駛的反饋輸入，是影響導航控制精度的重要因素之一。

目前農機自動駕駛系統中采用的轉向輪角度測量方法主要有3類：一是采用電位計等位移式傳感器測量轉向油缸行程，間接獲取轉向角度[9]；二是采用電阻式、磁敏式、霍爾式等角度傳感器測量主銷轉角，計算得到車輪轉角；三是采用陀螺儀測量轉向輪的角速率，積分得到角度增量[10]。其中第一類方法的設備安裝復雜、可靠性差，目前已淘汰；第二類方法檢測精度高、但設備安裝復雜；第三類方法的設備安裝簡單、但檢測精度存在隨機漂移，累計誤差大等缺點，并且這3類設備均需要通過線纜連接農機導航控制器。

1996年，O'Connor等[11]實現的衛星導航定位的農機自動駕駛系統在右前輪上安裝電位計測量絕對角度。2014年，王鶴等[9]總結了第一類與第二類測量方法，并從模型上進行優化修正。2015年，高雷等[12]采用ADXRS 450測試角速率實現拖拉機自動駕駛的液壓控制。2017年，胡書鵬等[13]對比測試了位移式（第一類）及四連桿式（第二類）角度測量方案；2017年，繆存孝等[10]基于雙GNSS天線及單陀螺實現車輪轉角測量。2019年，張智剛等[14]提出了基于最小二乘的角度傳感器零位偏差估計。2020年，Qiao等[15]用改進粒子群優化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）優化角度中值。這些均是在第一、二、三類基礎上進行優化改進，以提升導航控制精度，但全部需要在轉向輪軸上安裝角度傳感器，并連接線纜至導航控制器，存在安裝困難及作業時防護性差等缺陷。

2018年以來，采用大扭矩伺服電機控制農機轉向的北斗農機自動駕駛系統推向市場，替代了傳統的液壓控制系統[16]。本文針對慧農EAS201北斗導航自動駕駛系統的特點，研制了一種基于GNSS姿態測量和電機編碼器組合的轉向輪角度測量系統，利用GNSS模塊實時測量車輛位置、速度和姿態，并根據農機運動學模型估算轉向輪角度期望值，利用電機轉向速度和全液壓轉向閥的傳遞模型推算轉向角度變化值，后經卡爾曼濾波器融合解算得到農機實時轉向輪角度。

1 自動駕駛系統

1.1 組成與工作原理

圖1為慧農EAS201北斗農機導航自動駕駛系統基本結構，主要包括智能控制天線MC4、GNSS天線UA50B、顯示器ST5、外置電臺和電動方向盤EW1，系統支持連接便攜式基準站、連續運行參考站（Continuous Operation of Reference Stations，CORS）或中國精度（Atlas）星基差分服務[17]以獲得高精度GNSS定位定向。

智能控制天線MC4通過CAN Bus與電動方向盤EW1通信，通過RS232與顯示器ST5通信，通過RS232與外置電臺連接。MC4通過CAN Bus發送轉向指令至EW1，EW1接收指令并輸出力矩控制轉向軸旋轉，實時控制轉向機油液分配，進而驅動轉向油缸運動，實現對轉向輪的轉向控制。

MC4天線內置Vega系列測向板卡V28及IMU芯片，可接收全星座全頻點GNSS信號，支持北斗精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP），其實時動態測量（Real Time Kinematic，RTK）水平定位精度8 mm，測速精度<0.1 m/s，航向精度0.08°（1 m天線距離），俯仰/橫滾精度0.2°，支持WiFi直連及Web參數配置，兼容NMEA0183，NM2K，ISO11783等。

電動方向盤EW1，轉速1～100 r/min，最大扭矩為13 N·m，額定扭矩≥6.5 N·m，靜摩擦力矩≤0.4 N·m，響應延遲<0.02 s，測速分辨率0.012 5°/s，支持手動優先，兼容ISO11783。

圖2為EAS201的系統安裝示意圖，天線MC4與UA50B前后安裝在車頂，基線平行于車輛中軸線，MC4天線可測量車輛速度、姿態角、經緯度等信息。電動方向盤EW1安裝在原車方向盤轉向軸上，其內置高精度的增量編碼器，可測量方向盤轉向軸的角速率。

1.2 轉向角度測量原理

根據圖3幾何關系有：