張義 李東輝

摘 要：自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制是農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航采用的關(guān)鍵性技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的實(shí)踐意義?；诖?，文章首先闡述了陀螺儀轉(zhuǎn)角測(cè)量的原理，然后分析了角速度與轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后基于TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機(jī)，設(shè)計(jì)出了一種拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向角系統(tǒng)，以期為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供助力。

關(guān)鍵詞：陀螺儀轉(zhuǎn)角器;信號(hào)測(cè)量;專項(xiàng)控制

0 引言

水資源利用效率低下嚴(yán)重制約了我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因此，通過(guò)土地整治推進(jìn)農(nóng)田的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)成為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要途徑。使用GNSS技術(shù)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行平整不僅可以提升農(nóng)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(yè)效率，對(duì)控制農(nóng)田雜草具有積極作用。GNSS技術(shù)與傳統(tǒng)平整農(nóng)田技術(shù)相比，具有平整效率快、定位精準(zhǔn)性高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大面積農(nóng)田作業(yè)中使用可以顯著地提升農(nóng)田綜合效益。農(nóng)業(yè)機(jī)械工作對(duì)于機(jī)械工作速度的要求并不高，但對(duì)其導(dǎo)航作業(yè)精度要求較高，即使出現(xiàn)微小的航向角偏差，也會(huì)對(duì)導(dǎo)航作業(yè)精度造成極大的副作用。所以，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用過(guò)程中，需要對(duì)車輛航向角的測(cè)量精度進(jìn)行有效控制。

1 陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量原理

陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器是用來(lái)對(duì)運(yùn)載器角度率進(jìn)行測(cè)量的一種二自由度陀螺裝置，通常把均衡陀螺儀固定在運(yùn)載器的外環(huán)位置處，并保證內(nèi)環(huán)軸與測(cè)量角速率的軸垂直，當(dāng)運(yùn)載器開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在陀螺內(nèi)矩的作用下，運(yùn)載器的內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)子將與運(yùn)載器外環(huán)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)樵谕勇輧x中使用了一個(gè)彈簧裝置來(lái)對(duì)相對(duì)旋進(jìn)進(jìn)行限制，且運(yùn)載器內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角與陀螺儀內(nèi)彈簧變形量成正相關(guān)，所以當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，即可由運(yùn)載器內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角，求解出陀螺力矩與運(yùn)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(diǎn)表現(xiàn)為積分陀螺儀用線性阻尼器代替了彈簧約束，即當(dāng)運(yùn)載器開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，積分陀螺儀輸出量為繞測(cè)量軸的轉(zhuǎn)角[1]。當(dāng)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(dòng)控制、慣性導(dǎo)航平臺(tái)中均能發(fā)現(xiàn)他們的身影。

2 角速率和轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)角測(cè)量原理

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

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)中，使用LMS8962與TL740d構(gòu)建傾角測(cè)角系統(tǒng)。LM8962基于GNSS總線與TL740d實(shí)現(xiàn)運(yùn)行期間的通信，并將采集到的信息數(shù)據(jù)記錄在儲(chǔ)存卡中，求解結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)地呈現(xiàn)在顯示屏上。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

程序啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入初始化模式，并向TL740d寫(xiě)控制指令，按照工作實(shí)際需求，設(shè)置TL740d工作模式，之后將數(shù)據(jù)讀取后進(jìn)行計(jì)算，信息數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在存儲(chǔ)卡內(nèi)，并顯示在顯示屏上[2]。

3 基于陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器的拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛控制

3.1 陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器（TL740d為例）在拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)使用兩支TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機(jī)計(jì)算輪式拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向角。定義坐標(biāo)系n系為導(dǎo)航坐標(biāo)系為“東北天系”，b系為載體系固聯(lián)與車體“右前上”。

1.左前輪，2.TL740d，3、4.Gnss天線，5. TL740d前輪轉(zhuǎn)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(jiǎn)化拖拉機(jī)車體運(yùn)動(dòng)模型，將其一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)看作為以后輪中心處為原點(diǎn)，前后兩輪軸距L為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)線運(yùn)動(dòng)的關(guān)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(dāng)作車體的角速度，圓周運(yùn)動(dòng)的切向線速度可在圖2中使用三角函數(shù)關(guān)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(jī)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(diǎn)的速度，主天線與拖拉機(jī)后輪中心位置在空間位置上存在一定的臂桿，車體運(yùn)動(dòng)勢(shì)必會(huì)引發(fā)桿臂效應(yīng)的速度誤差，所以需要對(duì)桿臂效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。通常接收機(jī)輸出的對(duì)地方向?yàn)闁|向、北向和地向，上述圓周運(yùn)動(dòng)的角速度與桿臂叉乘得到誤差線速度，再乘上姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)到n系，就可以進(jìn)行桿臂效應(yīng)的速度補(bǔ)償。

Gnss雙天線接收機(jī)輸出的方位和橫滾角或者俯仰角，由于只有兩個(gè)天線，所以只能測(cè)量一個(gè)方向上的傾角，本文且定義為橫滾角，縱向傾斜暫忽略，因?yàn)橥侠瓩C(jī)工況大多縱向傾斜不大。根據(jù)兩載體系b與導(dǎo)航系n之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從n到b旋轉(zhuǎn)順序Z-X-Y得出姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣：

式中中間那個(gè)矩陣是因?yàn)殡p天線是在車體橫向安裝的，坐標(biāo)系b的定義為右前上，所以要繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°，將上式轉(zhuǎn)置即可得到從b系到n系的旋轉(zhuǎn)矩陣Cbn。

將速度誤差補(bǔ)償?shù)浇邮諜C(jī)輸出的速度里，略去地向速度，保留水平方向的兩個(gè)分量速度，并合成水平速度v，方向應(yīng)與方位或者車頭方向一致。代入式5可得到GNSS接收機(jī)提供的前輪相對(duì)車體的轉(zhuǎn)向角度。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

為對(duì)系統(tǒng)測(cè)量角速率與轉(zhuǎn)角效果進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)，把AHRS500GA-226傳感器作為參考進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證時(shí)，首先將兩系統(tǒng)固定在同一平臺(tái)上，確保TL740d測(cè)量角速率平面與AHRS的YAW平面一致，對(duì)兩系統(tǒng)的輸出角速率與角度值進(jìn)行對(duì)比。

可以看出，TL740d測(cè)量得出的角速率和AHRS測(cè)量結(jié)果一致性較為明顯，總的來(lái)看AHRS測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)出較為平滑的趨勢(shì)，TL740d測(cè)量結(jié)果則表示其存在一定的噪聲影響，因此局部出現(xiàn)陡峭現(xiàn)象。但在靜止與小角速率運(yùn)動(dòng)條件下，兩者測(cè)量結(jié)果一致性較為明顯，且誤差保持在0.1°/s左右。在大角度運(yùn)動(dòng)與急轉(zhuǎn)速條件下，兩者測(cè)量結(jié)果存在較大差異，且誤差為7°/s，究其原因，AHRS測(cè)量得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)濾波與數(shù)據(jù)融合處理的[3]，總體來(lái)看，兩者角度測(cè)量總趨勢(shì)具有較強(qiáng)的一致性，且局部重合效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)使用兩支TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機(jī)計(jì)算輪式拖拉機(jī)前輪，并重點(diǎn)論述了轉(zhuǎn)角傳感器軟件與硬件實(shí)踐方法，經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證，該轉(zhuǎn)角傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單測(cè)量方法簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，且工作性能良好，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周云，曾雅麗思，趙瑜，等.基于陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量及物理參數(shù)時(shí)域識(shí)別[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（9）：10-22.

[2]劉昊.基于多模信息感知的運(yùn)動(dòng)載體軌跡測(cè)定方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2020.

[3]張炳瑞.基于GNSS與慣導(dǎo)融合的高精度輪式車輛滑轉(zhuǎn)率檢測(cè)技術(shù)研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2019.

（編輯 姚 鑫）