基于GNSS姿态与电机编码器的农机转向角度测量系统研制

陈 云，何 艳

基于GNSS姿态与电机编码器的农机转向角度测量系统研制

陈 云1，何 艳2※

（1. 西安合众思壮导航技术有限公司，西安 710065；2. 西安邮电大学通信与信息工程学院，西安 710121）

典型的农业机械自动驾驶系统需要在车辆转向轮上安装角度传感器测量转向角度，存在安装不便与可靠性差问题。该研究提出一种基于GNSS模块和电机编码器组合的转向轮转向角度测量系统。该系统通过组合利用GNSS姿态测量值与运动模型得到转向轮期望角度，利用电机转向速度和全液压转向阀的传递模型推算转向角度变化值，经卡尔曼滤波融合解算得到车辆转向轮的实时转向角度。与霍尔式绝对角度传感器对比的动态测试结果表明，该系统在直线行驶时的测量标准方差小于0.91°，在转向轮-10°～+10°区间，测量标准方差小于1.0°；直线自动驾驶作业时的导航误差小于2.5 cm，曲线作业自动驾驶的导航误差小于9.0 cm，满足农机自动调头等场景应用。

农业机械；自动驾驶；卫星导航；转角测量；姿态测量；电机编码器

0 引 言

农业机械自动驾驶系统可以节省人力、提高能效和土地利用率[1-2]等，在全球得到广泛应用，成为精准农业领域的研究热点[3-8]。转向轮角度测量单元作为农机自动驾驶的反馈输入，是影响导航控制精度的重要因素之一。

目前农机自动驾驶系统中采用的转向轮角度测量方法主要有3类：一是采用电位计等位移式传感器测量转向油缸行程，间接获取转向角度[9]；二是采用电阻式、磁敏式、霍尔式等角度传感器测量主销转角，计算得到车轮转角；三是采用陀螺仪测量转向轮的角速率，积分得到角度增量[10]。其中第一类方法的设备安装复杂、可靠性差，目前已淘汰；第二类方法检测精度高、但设备安装复杂；第三类方法的设备安装简单、但检测精度存在随机漂移，累计误差大等缺点，并且这3类设备均需要通过线缆连接农机导航控制器。

1996年，O'Connor等[11]实现的卫星导航定位的农机自动驾驶系统在右前轮上安装电位计测量绝对角度。2014年，王鹤等[9]总结了第一类与第二类测量方法，并从模型上进行优化修正。2015年，高雷等[12]采用ADXRS 450测试角速率实现拖拉机自动驾驶的液压控制。2017年，胡书鹏等[13]对比测试了位移式（第一类）及四连杆式（第二类）角度测量方案；2017年，缪存孝等[10]基于双GNSS天线及单陀螺实现车轮转角测量。2019年，张智刚等[14]提出了基于最小二乘的角度传感器零位偏差估计。2020年，Qiao等[15]用改进粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）优化角度中值。这些均是在第一、二、三类基础上进行优化改进，以提升导航控制精度，但全部需要在转向轮轴上安装角度传感器，并连接线缆至导航控制器，存在安装困难及作业时防护性差等缺陷。

2018年以来，采用大扭矩伺服电机控制农机转向的北斗农机自动驾驶系统推向市场，替代了传统的液压控制系统[16]。本文针对慧农EAS201北斗导航自动驾驶系统的特点，研制了一种基于GNSS姿态测量和电机编码器组合的转向轮角度测量系统，利用GNSS模块实时测量车辆位置、速度和姿态，并根据农机运动学模型估算转向轮角度期望值，利用电机转向速度和全液压转向阀的传递模型推算转向角度变化值，后经卡尔曼滤波器融合解算得到农机实时转向轮角度。

1 自动驾驶系统

1.1 组成与工作原理

图1为慧农EAS201北斗农机导航自动驾驶系统基本结构，主要包括智能控制天线MC4、GNSS天线UA50B、显示器ST5、外置电台和电动方向盘EW1，系统支持连接便携式基准站、连续运行参考站（Continuous Operation of Reference Stations，CORS）或中国精度（Atlas）星基差分服务[17]以获得高精度GNSS定位定向。

智能控制天线MC4通过CAN Bus与电动方向盘EW1通信，通过RS232与显示器ST5通信，通过RS232与外置电台连接。MC4通过CAN Bus发送转向指令至EW1，EW1接收指令并输出力矩控制转向轴旋转，实时控制转向机油液分配，进而驱动转向油缸运动，实现对转向轮的转向控制。

MC4天线内置Vega系列测向板卡V28及IMU芯片，可接收全星座全频点GNSS信号，支持北斗精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP），其实时动态测量（Real Time Kinematic，RTK）水平定位精度8 mm，测速精度<0.1 m/s，航向精度0.08°（1 m天线距离），俯仰/横滚精度0.2°，支持WiFi直连及Web参数配置，兼容NMEA0183，NM2K，ISO11783等。

电动方向盘EW1，转速1～100 r/min，最大扭矩为13 N·m，额定扭矩≥6.5 N·m，静摩擦力矩≤0.4 N·m，响应延迟<0.02 s，测速分辨率0.012 5°/s，支持手动优先，兼容ISO11783。

图2为EAS201的系统安装示意图，天线MC4与UA50B前后安装在车顶，基线平行于车辆中轴线，MC4天线可测量车辆速度、姿态角、经纬度等信息。电动方向盘EW1安装在原车方向盘转向轴上，其内置高精度的增量编码器，可测量方向盘转向轴的角速率。

1.2 转向角度测量原理

根据图3几何关系有：