基于陀螺儀轉角傳感器的動態信號測量及轉向控制

張義 李東輝

摘 要：自動轉向控制是農業自動導航采用的關鍵性技術，對實現我國農業的現代化發展具有重要的實踐意義?；诖?，文章首先闡述了陀螺儀轉角測量的原理，然后分析了角速度與轉角測量系統的設計，最后基于TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機，設計出了一種拖拉機前輪轉向角系統，以期為我國農業現代化發展提供助力。

關鍵詞：陀螺儀轉角器;信號測量;專項控制

0 引言

水資源利用效率低下嚴重制約了我國現代農業的發展，因此，通過土地整治推進農田的標準化建設成為發展現代農業的重要途徑。使用GNSS技術對農田進行平整不僅可以提升農田的灌溉效率，提升水資源利用效率，還可以增加耕地的有效面積，提高作業效率，對控制農田雜草具有積極作用。GNSS技術與傳統平整農田技術相比，具有平整效率快、定位精準性高、環境適應力強等優點，在大面積農田作業中使用可以顯著地提升農田綜合效益。農業機械工作對于機械工作速度的要求并不高，但對其導航作業精度要求較高，即使出現微小的航向角偏差，也會對導航作業精度造成極大的副作用。所以，在農業機械的應用過程中，需要對車輛航向角的測量精度進行有效控制。

1 陀螺儀轉角傳感器測量原理

陀螺儀轉角傳感器是用來對運載器角度率進行測量的一種二自由度陀螺裝置，通常把均衡陀螺儀固定在運載器的外環位置處，并保證內環軸與測量角速率的軸垂直，當運載器開始轉動時，在陀螺內矩的作用下，運載器的內環與轉子將與運載器外環一同轉動，因為在陀螺儀中使用了一個彈簧裝置來對相對旋進進行限制，且運載器內環旋進角與陀螺儀內彈簧變形量成正相關，所以當系統處于平衡狀態時，即可由運載器內環旋進角，求解出陀螺力矩與運載器的角速率。目前最常用的兩種陀螺儀包括積分陀螺儀與速率陀螺儀，兩者的不同點表現為積分陀螺儀用線性阻尼器代替了彈簧約束，即當運載器開始轉動時，積分陀螺儀輸出量為繞測量軸的轉角[1]。當下，積分陀螺儀與速率陀螺儀是使用最為廣泛的兩種儀器，在自動控制、慣性導航平臺中均能發現他們的身影。

2 角速率和轉角測量系統設計

2.1 轉角測量原理

TL740d可測量其所在PCB平面的角速率，由角度和角速率在時間上的積分可以得到轉角與角速率關系如式（1）所示。

2.2 硬件電路設計

在硬件電路設計中，使用LMS8962與TL740d構建傾角測角系統。LM8962基于GNSS總線與TL740d實現運行期間的通信，并將采集到的信息數據記錄在儲存卡中，求解結果能夠實時地呈現在顯示屏上。

2.3 軟件設計

程序啟動后，系統會自動進入初始化模式，并向TL740d寫控制指令，按照工作實際需求，設置TL740d工作模式，之后將數據讀取后進行計算，信息數據被儲存在存儲卡內，并顯示在顯示屏上[2]。

3 基于陀螺儀轉角傳感器的拖拉機自動駕駛控制

3.1 陀螺儀轉角傳感器（TL740d為例）在拖拉機前輪轉向中的應用

設計使用兩支TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機計算輪式拖拉機前輪轉向角。定義坐標系n系為導航坐標系為“東北天系”，b系為載體系固聯與車體“右前上”。

1.左前輪，2.TL740d，3、4.Gnss天線，5. TL740d前輪轉向角θ可以由兩支TL740d陀螺輸出的z軸角速度積分做差得到，左前輪位置的陀螺輸出為ωb，車體兩后輪中心處安裝的陀螺的輸出為ωa。

簡化拖拉機車體運動模型，將其一段時間內的運動看作為以后輪中心處為原點，前后兩輪軸距L為半徑的圓周運動，根據線運動的關系可知，角速度與半徑的乘積等于切向線速度的大小。這里將GNSS輸出的方位微分當作車體的角速度，圓周運動的切向線速度可在圖2中使用三角函數關系得出：

由于GNSS雙天線之間的間距大約在兩米左右，GPS接收機輸出的速度信息是基于主天線的，即主天線定位，次天線定向，速度是主天線所在點的速度，主天線與拖拉機后輪中心位置在空間位置上存在一定的臂桿，車體運動勢必會引發桿臂效應的速度誤差，所以需要對桿臂效應進行補償。通常接收機輸出的對地方向為東向、北向和地向，上述圓周運動的角速度與桿臂叉乘得到誤差線速度，再乘上姿態旋轉矩陣轉到n系，就可以進行桿臂效應的速度補償。

Gnss雙天線接收機輸出的方位和橫滾角或者俯仰角，由于只有兩個天線，所以只能測量一個方向上的傾角，本文且定義為橫滾角，縱向傾斜暫忽略，因為拖拉機工況大多縱向傾斜不大。根據兩載體系b與導航系n之間的轉換關系，從n到b旋轉順序Z-X-Y得出姿態旋轉矩陣：

式中中間那個矩陣是因為雙天線是在車體橫向安裝的，坐標系b的定義為右前上，所以要繞z軸轉動90°，將上式轉置即可得到從b系到n系的旋轉矩陣Cbn。

將速度誤差補償到接收機輸出的速度里，略去地向速度，保留水平方向的兩個分量速度，并合成水平速度v，方向應與方位或者車頭方向一致。代入式5可得到GNSS接收機提供的前輪相對車體的轉向角度。

3.2 系統測試與驗證

為對系統測量角速率與轉角效果進行測試，通過姿態與航向參考系統，把AHRS500GA-226傳感器作為參考進行測試。系統測試與驗證時，首先將兩系統固定在同一平臺上，確保TL740d測量角速率平面與AHRS的YAW平面一致，對兩系統的輸出角速率與角度值進行對比。

可以看出，TL740d測量得出的角速率和AHRS測量結果一致性較為明顯，總的來看AHRS測量結果呈現出較為平滑的趨勢，TL740d測量結果則表示其存在一定的噪聲影響，因此局部出現陡峭現象。但在靜止與小角速率運動條件下，兩者測量結果一致性較為明顯，且誤差保持在0.1°/s左右。在大角度運動與急轉速條件下，兩者測量結果存在較大差異，且誤差為7°/s，究其原因，AHRS測量得到的數據是經過濾波與數據融合處理的[3]，總體來看，兩者角度測量總趨勢具有較強的一致性，且局部重合效果較好。

4 結語

本文設計使用兩支TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機計算輪式拖拉機前輪，并重點論述了轉角傳感器軟件與硬件實踐方法，經系統測試與驗證，該轉角傳感器具有結構簡單測量方法簡便的優點，且工作性能良好，具有較強的實用性。

[參考文獻]

[1]周云，曾雅麗思，趙瑜，等.基于陀螺儀轉角傳感器的動態信號測量及物理參數時域識別[J].湖南大學學報（自然科學版），2020（9）：10-22.

[2]劉昊.基于多模信息感知的運動載體軌跡測定方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2020.

[3]張炳瑞.基于GNSS與慣導融合的高精度輪式車輛滑轉率檢測技術研究[D].天津：天津工業大學，2019.

（編輯 姚 鑫）