一种用于计算载具部件之间相对角度变化量的方法与流程

本发明涉及车辆控制系统领域，尤其涉及在车辆控制系统中使用卫星定位定向和角速率传感器领域。

背景技术：

车辆控制领域中，双天线卫星测向接收机通常用于确定车辆车身的朝向、确定车辆前进速度以及测量车辆的实时位置。角速率传感器通常用于车辆转向的精确测量与操控。

具体来说，双天线卫星定向接收机通常用于测算车辆的前进姿态、速率，用以对车辆进行高精度监控与控制。陀螺仪通常用于提供对围绕特定轴旋转速率的测算，可以用来帮助引导和导航有轮车辆。将双天线卫星定向接收机所测车身数据与陀螺仪所测车轮数据反馈到车辆控制系统中，该系统能对车辆行进操作进行调整，用以提高车辆稳定性。

车辆控制系统一般包括车载计算机、若干车辆传感器。车载计算机监控车辆运动状态并且执行相关车辆操作算法。车辆传感器会将所测数据反馈到车载计算机，车载计算机判定车辆处于不正常运行状态时会以提高车辆稳定性的算法来操作车辆。

但是，目前现有技术的车辆传感器无法用于测算车轮转动角度。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种计算载具部件之间相对角度变化量的方法，通过采用双天线卫星测向与陀螺仪角速度测量，精确计算车轮的转动角度。

一种用于计算载具部件之间相对角度变化量的方法，该方法包含以下步骤：

A：在所述载具的一个部件上安装双天线卫星定向接收机，在所述载具需要测量的其余部件上安装传感器；

B：对所述载具的每个部分测量一组角度变化量；

C：处理步骤B中所得的每个部分的测量结果用以计算所述载具的两个及两个以上部件的相对角度变化量，具体计算公式如下：

如式（GS1）中：为开始测量前最后一个时刻双天线卫星定向接收机所测量的与正北方向的夹角，为结束测量前最后一个时刻双天线卫星定向接收机所测量的与正北方向的夹角。为该测量时段所测得的安装有双天线卫星定向接收机的所述载具的某一部分部分的角度变化量。t1为开始测量前的最后一个时刻。t2为结束测量前的最后一个时刻。为传感器在t1到t2时间段的角速度值。为t1到t2时间段对角速度值的积分结果，即为安装传感器的所述载具的某一部分的角度变化量。为利用步骤B中所测结果计算得到的所述载具两个部分之间的角度变化量。

所述载具包含一个主体部分和至少一个与主体部分可发生相对运动的其余部分。

所述传感器为可测角速度值与加速度值的陀螺仪。

所述步骤A还包括以下步骤：

A1.提供具有主体和至少一个可控着地车轮的车辆；

A2.提供陀螺仪1安装到至少一个车轮，且所述陀螺仪1用于测量平行于地面的选定平面；

A3.提供第二个所述陀螺仪2，且该陀螺仪用于测量并估算由于陀螺仪1的偏置所引起的积分器偏差和漂移率。

所述步骤B还包括以下步骤：

B1.使用所述陀螺仪1测量车轮角速度值时对测量值进行Kalman滤波以降低随机漂移误差，滤波器如下：

。

所述步骤C还包括以下步骤：

C1. 基于步骤A3中所得的测量值，使用反馈补偿器来估算和补偿积分器的偏差和漂移率，以获得更高精度的角速度测量值。

本发明可以在车辆运动的过程中通过测量双天线卫星定向的角度和陀螺仪的角速度精确计算车轮的实时转动角度。与现有技术相比，双天线卫星定向拥有更高的精度与可信度，且双天线卫星测向相比传统角度测量拥有更高的抗干扰性和鲁棒性，且本发明可以用于所有类型的转向车辆，极大减少了系统的安装时间和安装成本。

附图说明

图1示出具有主体和四个地面轮子的车辆的基本结构示意图，其中两个前轮为本发明正在测量转动角度的轮子。

在图中1车辆，2主体，3、4、5、6为轮子，7转向角，8偏航角，9、正北方向，10航迹方向，11、12为天线，13传感器，14双天线卫星定向接收机。

图2示出具有主体、可控前轮，以及包括本发明的车辆的基本结构示意图，其中双天线卫星定向接收机安装在车辆主体，而传感器A安装在某个前轮。

在图中11、12为天线，9正北方向，13传感器A，15传感器A连接电缆，16双天线卫星定向接收机连接电缆，17表示控制器或双天线卫星定向接收机或传感器B，18轨迹线。

图3示出用于本发明目的的车辆基本运动学模型。

图4示出用于本发明目的的如何处理由传感器A、B以及双天线卫星定向接收机获得的测量结果以便获得可控轮胎的转向角的估算值的框图。

图5示出具有包括kalman滤波器的反馈补偿器的控制器电路图。

具体实施方式

尽管将结合实例来描述本发明，但应理解，这些实例并未将本发明局限。相反，本发明意欲涵盖包括在由所附权利要求书限定的本发明的各种替代、修改和等效方案。此外，在以下本发明的详细描述中，阐述了许多具体的细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对本技术领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体的细节的情况下实践本发明。众所周知的方法、程序、部件、电路都没有进行详细描述，为避免不必要的混淆本发明的诸多方面。

在本发明的一个实施示例中，图1示出具有主体2和四个地面轮子3、4、5、6的车辆1的基本结构示意图。其中两个前轮3和4由自动转向系统实现转向。传感器A连接到车辆1的可控地面轮子3。传感器A被配置为测量平行于地面的选定平面。该选定平面是与可控地面轮子3的转轴基本上正交的平面。用以准确测量轮胎转动的所在平面。双天线卫星定向接收机附连到车辆1的主体2。双天线卫星定向接收机安装在选定平面内并被配置为测量该选定平面。该平面与传感器A的测量平面大致平行。

上述示例中，自动转向系统可使用AF300自动转向系统。AF300自动转向系统是连接到拖拉机液压动力转向系统并自动地为直线、曲线而使拖拉机转向的转向辅助器。运行AF300的软件的现场计算机可执行多种操作，包括记录保持、现场绘图、可变速率管理、平整土地、土壤取样等常用农业操作。

参照图1，车辆1的主体2的偏航角8是介于正北方向9和车辆1的轨迹线10之间的角度。可控前轮3的轴线从轨迹方向10偏离转向角7。自动转向系统利用转向角的变化速率7和偏航角8的变化速率作为其闭路控制系统内的输入信号。

上述示例中，为了测量转向角变化速率9，采用了传感器A，而为了测量偏航角变化速率8，采用了双天线卫星定向接收机。

图2更详细的表示出图1中的传感器安装部分。包括主体、可控前轮和包括控制器在内的自动转向系统。双天线定向接收机安装在主体上，传感器安装在前轮上以测量前轮的转动速率。

上述示例中，传感器A被配置为测量，即传感器A被配置为测量地面轮子转向角速率加主体的偏航角速率加传感器A的偏置。

双天线卫星定向接收机被配置为测量，即双天线卫星定向接收机被配置为测量主体的偏航角速率。

参照图3，可选用第二传感器B来根据车辆的运动学模型估算车辆的绝对转向角

，而采用反馈补偿器（未标出）来根据传感器B获得的绝对转向角的估算补偿积分器偏差和漂移率。

对于角速率，需要第二绝对测量B来防止有关分辨率和噪声方面的性能降级。

如果车轮测量值为L，则车辆的主体偏航角速率造成车辆前轮的绝对转向角为：

其中车辆的主体偏航角速率为经过Kalman滤波器中导出的。速度V则由双天线定向接收机输出。

图4所示框图说明如何处理由传感器A、传感器B和双天线卫星定向接收机获得的测量结果，以获得可控轮子转向角的估算值。用积分器I1和I2，将传感器A所获得的测量结果的估计值对时间进行积分，将减法器2处传感器A测量值积分后的结果与双天线卫星定向接收机获得的测量结果做差，以测量两个子组件之间的相对运动，其中带有因传感器偏置引起的模糊积分器偏差和漂移率。从工程的角度来说，最大积分时间为传感器对系统误差预算的十分之一，该误差预算是偏置的上限。例如，如果在几秒钟内形成0.1度的误差，则积分时间应该同样是几秒的量级。传感器B用来对转向角估算结果提供一组校正数据，用于对不确定性设置边界，并且执行稳健控制。具体来说，传感器B用来估算积分器偏差并还可有选择性的用来估算传感器的偏置误差。例如，方程1的绝对转向角的估算值可以用来提供一组校正数据。将反馈增益K1和K2包括在内以形成闭合反馈环路。

如图5所示，控制器是包含kalman滤波器的反馈补偿器。传感器B用来对kalman滤波器提供绝对校正，该滤波器被配置为使用传感器A和双天线卫星定向接收机的度数来提供转向角的估算值。

传感器A可以通过使用惯性传感器或陀螺仪传感器来实现。第二传感器B可以使用与传感器A同一型号的惯性传感器或陀螺仪传感器来实现。