基于陀螺仪转角传感器的动态信号测量及转向控制

张义 李东辉

摘 要：自动转向控制是农业自动导航采用的关键性技术，对实现我国农业的现代化发展具有重要的实践意义。基于此，文章首先阐述了陀螺仪转角测量的原理，然后分析了角速度与转角测量系统的设计，最后基于TL740d陀螺，配合双天线GNSS接收机，设计出了一种拖拉机前轮转向角系统，以期为我国农业现代化发展提供助力。

关键词：陀螺仪转角器;信号测量;专项控制

0 引言

水资源利用效率低下严重制约了我国现代农业的发展，因此，通过土地整治推进农田的标准化建设成为发展现代农业的重要途径。使用GNSS技术对农田进行平整不仅可以提升农田的灌溉效率，提升水资源利用效率，还可以增加耕地的有效面积，提高作业效率，对控制农田杂草具有积极作用。GNSS技术与传统平整农田技术相比，具有平整效率快、定位精准性高、环境适应力强等优点，在大面积农田作业中使用可以显著地提升农田综合效益。农业机械工作对于机械工作速度的要求并不高，但对其导航作业精度要求较高，即使出现微小的航向角偏差，也会对导航作业精度造成极大的副作用。所以，在农业机械的应用过程中，需要对车辆航向角的测量精度进行有效控制。

1 陀螺仪转角传感器测量原理

陀螺仪转角传感器是用来对运载器角度率进行测量的一种二自由度陀螺装置，通常把均衡陀螺仪固定在运载器的外环位置处，并保证内环轴与测量角速率的轴垂直，当运载器开始转动时，在陀螺内矩的作用下，运载器的内环与转子将与运载器外环一同转动，因为在陀螺仪中使用了一个弹簧装置来对相对旋进进行限制，且运载器内环旋进角与陀螺仪内弹簧变形量成正相关，所以当系统处于平衡状态时，即可由运载器内环旋进角，求解出陀螺力矩与运载器的角速率。目前最常用的两种陀螺仪包括积分陀螺仪与速率陀螺仪，两者的不同点表现为积分陀螺仪用线性阻尼器代替了弹簧约束，即当运载器开始转动时，积分陀螺仪输出量为绕测量轴的转角[1]。当下，积分陀螺仪与速率陀螺仪是使用最为广泛的两种仪器，在自动控制、惯性导航平台中均能发现他们的身影。

2 角速率和转角测量系统设计

2.1 转角测量原理

TL740d可测量其所在PCB平面的角速率，由角度和角速率在时间上的积分可以得到转角与角速率关系如式（1）所示。

2.2 硬件电路设计

在硬件电路设计中，使用LMS8962与TL740d构建倾角测角系统。LM8962基于GNSS总线与TL740d实现运行期间的通信，并将采集到的信息数据记录在储存卡中，求解结果能够实时地呈现在显示屏上。

2.3 软件设计

程序启动后，系统会自动进入初始化模式，并向TL740d写控制指令，按照工作实际需求，设置TL740d工作模式，之后将数据读取后进行计算，信息数据被储存在存储卡内，并显示在显示屏上[2]。

3 基于陀螺仪转角传感器的拖拉机自动驾驶控制

3.1 陀螺仪转角传感器（TL740d为例）在拖拉机前轮转向中的应用

设计使用两支TL740d陀螺，配合双天线GNSS接收机计算轮式拖拉机前轮转向角。定义坐标系n系为导航坐标系为“东北天系”，b系为载体系固联与车体“右前上”。

1.左前轮，2.TL740d，3、4.Gnss天线，5. TL740d前轮转向角θ可以由两支TL740d陀螺输出的z轴角速度积分做差得到，左前轮位置的陀螺输出为ωb，车体两后轮中心处安装的陀螺的输出为ωa。

简化拖拉机车体运动模型，将其一段时间内的运动看作为以后轮中心处为原点，前后两轮轴距L为半径的圆周运动，根据线运动的关系可知，角速度与半径的乘积等于切向线速度的大小。这里将GNSS输出的方位微分当作车体的角速度，圆周运动的切向线速度可在图2中使用三角函数关系得出：

由于GNSS双天线之间的间距大约在两米左右，GPS接收机输出的速度信息是基于主天线的，即主天线定位，次天线定向，速度是主天线所在点的速度，主天线与拖拉机后轮中心位置在空间位置上存在一定的臂杆，车体运动势必会引发杆臂效应的速度误差，所以需要对杆臂效应进行补偿。通常接收机输出的对地方向为东向、北向和地向，上述圆周运动的角速度与杆臂叉乘得到误差线速度，再乘上姿态旋转矩阵转到n系，就可以进行杆臂效应的速度补偿。

Gnss双天线接收机输出的方位和横滚角或者俯仰角，由于只有两个天线，所以只能测量一个方向上的倾角，本文且定义为横滚角，纵向倾斜暂忽略，因为拖拉机工况大多纵向倾斜不大。根据两载体系b与导航系n之间的转换关系，从n到b旋转顺序Z-X-Y得出姿态旋转矩阵：

式中中间那个矩阵是因为双天线是在车体横向安装的，坐标系b的定义为右前上，所以要绕z轴转动90°，将上式转置即可得到从b系到n系的旋转矩阵Cbn。

将速度误差补偿到接收机输出的速度里，略去地向速度，保留水平方向的两个分量速度，并合成水平速度v，方向应与方位或者车头方向一致。代入式5可得到GNSS接收机提供的前轮相对车体的转向角度。

3.2 系统测试与验证

为对系统测量角速率与转角效果进行测试，通过姿态与航向参考系统，把AHRS500GA-226传感器作为参考进行测试。系统测试与验证时，首先将两系统固定在同一平臺上，确保TL740d测量角速率平面与AHRS的YAW平面一致，对两系统的输出角速率与角度值进行对比。

可以看出，TL740d测量得出的角速率和AHRS测量结果一致性较为明显，总的来看AHRS测量结果呈现出较为平滑的趋势，TL740d测量结果则表示其存在一定的噪声影响，因此局部出现陡峭现象。但在静止与小角速率运动条件下，两者测量结果一致性较为明显，且误差保持在0.1°/s左右。在大角度运动与急转速条件下，两者测量结果存在较大差异，且误差为7°/s，究其原因，AHRS测量得到的数据是经过滤波与数据融合处理的[3]，总体来看，两者角度测量总趋势具有较强的一致性，且局部重合效果较好。

4 结语

本文设计使用两支TL740d陀螺，配合双天线GNSS接收机计算轮式拖拉机前轮，并重点论述了转角传感器软件与硬件实践方法，经系统测试与验证，该转角传感器具有结构简单测量方法简便的优点，且工作性能良好，具有较强的实用性。

[参考文献]

[1]周云，曾雅丽思，赵瑜，等.基于陀螺仪转角传感器的动态信号测量及物理参数时域识别[J].湖南大学学报（自然科学版），2020（9）：10-22.

[2]刘昊.基于多模信息感知的运动载体轨迹测定方法研究[D].兰州：兰州交通大学，2020.

[3]张炳瑞.基于GNSS与惯导融合的高精度轮式车辆滑转率检测技术研究[D].天津：天津工业大学，2019.

（编辑 姚 鑫）