一种自主导航拖拉机转向角无线测量系统及方法与流程

本发明涉及农业机械自主导航技术，尤其是一种适用于无人驾驶拖拉机的自主导航技术，具体的说是一种自主导航拖拉机转向角无线测量系统及方法。

背景技术：

在拖拉机自主导航系统的研制中，前轮（转向轮）转向角的测量尤为关键。目前常用电位计或编码器测量前轮转向角。将电位计或编码器底座固定在拖拉机前桥和前轮连接的转轴上，电位计或编码器的轴心通过传动机构与前桥的固定装置相连。当拖拉机转向轮发生偏转时，电位计或编码器的转轴和底座发生相对角位移，进而产生变化的电信号（电位计输出模拟电压信号，编码器输出脉冲信号）。通过信号采集单元接收电信号，解算出相应角度，并通过物理线路传输到工控机，完成了转向角的测量。

然而在工程实践中，上述方法存在的突出问题：（1）电位计或编码器安装方式复杂，安装精度要求较高，同时还需要对原有机械结构改造；（2）拖拉机工作环境恶劣，作物、杂草等容易对传输线路刮伤、刮断，影响传感器的正常使用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前在无人驾驶拖拉机自主导航技术方面存在的问题，提供一种自主导航拖拉机转向角无线测量系统及方法，具有结构简单，安装方便，适应性强，便于操控等特点，为无人驾驶拖拉机技术的发展创造有利条件。

本发明的技术方案是：

一种自主导航拖拉机转向角无线测量系统，包括1套数传电台，所述数传电台包括3个发射端和1个接收端；所述3个发射端分别与1号、2号和3号姿态传感器相连；所述1号和3号姿态传感器分别安装在拖拉机的左、右转向轮与前桥横梁连接的转轴顶部；所述2号姿态传感器安装在拖拉机前桥横梁的中间位置；所述数传电台的接收端与工控机相连，能够接受所述3个发射端的数据。

进一步的，所述数传电台为低功耗433mhz。

进一步的，所述1号、2号和3号姿态传感器的输出频率均为20hz，输出信息为航向角。

进一步的，所述将3个发射端通过ttl串行通信接口与所述1号、2号和3号姿态传感器分别连接。

进一步的，所述1号和3号姿态传感器的x轴分别平行于拖拉机左、右转向轮并指向前方；所述2号姿态传感器的x轴垂直于前桥横梁并指向前方。

一种自主导航拖拉机转向角无线测量系统进行测量的方法，包括以下步骤：

1）从数传电台接收端读取当前时刻3个姿态传感器的航向角数据h1(t)、h2(t)、h3(t)；

2）分别检测3个姿态传感器当前时刻数据是否为异常数据。若发现接收到异常数据，则立即剔除，用前一次测量的正常数据代替；

3）通过计算1号和2号姿态传感器发送的航向角之差，确定左轮转向角al；通过计算2号和3号姿态传感器发送的航向角之差，确定右轮转向角ar；即：al=h1(t)-h2(t)，ar=h3(t)-h2(t)；

4）重复上述步骤1）至3），实现循环检测左、右转向轮的转向角。

本发明的有益效果：

本发明结构简单，安装方便，可以避免传统技术中复杂的物理传输线路，极大地提高了拖拉机导航系统工作的可靠性，为无人驾驶拖拉机技术的发展创造有利条件。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明中的姿态传感器的安装示意图。

图3是本发明中的数据流程示意图。

其中：1-左转向轮；2-1号姿态传感器；3-前桥横梁；4-2号姿态传感器；5-3号姿态传感器；6-右转向轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种自主导航拖拉机转向角无线测量系统，包括1套数传电台。该数传电台为低功耗433mhz，包括3个发射端和1个接收端。所述3个发射端分别通过ttl串行通信接口与1号、2号和3号姿态传感器相连，以便将各姿态传感器感测到的信息发送给所述接收端。所述接收端与工控机相连，能够接受所述3个发射端的数据，并传输给工控机。优选的，所述1号、2号和3号姿态传感器均为微型姿态传感器。

如图2所示，所述1号姿态传感器2安装在左转向轮1与前桥横梁3连接的转轴顶部，其x轴正方向x1与左转向轮1平行的指向前方。所述3号姿态传感器5安装在右转向轮6与前桥横梁3连接的转轴顶部，其x轴正方向x3与右转向轮6平行的指向前方。由此，可保证左、右转向轮发生偏转时，1号和3号姿态传感器能够同步运动。所述2号姿态传感器4安装在前桥横梁3的中心，其x轴正方向x2垂直于前桥横梁3指向前方。

所述1号、2号和3号姿态传感器的输出频率均为20hz，输出信息为航向角，同时，设置通信参数为波特率9600bps，校验位：n，数据位：8，停止位：1，即可感测拖拉机左、右转向轮相对于前桥横梁垂直方向之间的角度变化，并通过数传电台传输到工控机上。

如图3所示，使用上述自主导航拖拉机转向角无线测量系统进行测量的方法包括以下步骤：

1）从数传电台接收端读取当前时刻3个姿态传感器的航向角数据h1(t)、h2(t)、h3(t)；

2）分别检测3个姿态传感器当前时刻数据是否为异常数据。若发现接收到异常数据，则立即剔除，用前一次测量的正常数据代替；

3）通过计算1号和2号姿态传感器发送的航向角之差，确定左轮转向角al；通过计算2号和3号姿态传感器发送的航向角之差，确定右轮转向角ar；即：al=h1(t)-h2(t)，ar=h3(t)-h2(t)；

4）重复上述步骤1）至3），实现循环检测左、右转向轮的转向角。

所述步骤2）中，奇异值的检测算法为，以1号姿态传感器为例：

a.获取当前时刻航向角h1(t)和邻近连续8个时刻的航向角h1(t-1)h1(t-2)……h1(t-8)；

b.计算连续8个距离增量△h1(t)、△h1(t-1)……△h1(t-7)，表达式中△h1(t-n)=|h1(t-n)-h1(t-n-1)|；

c.计算上述8个距离增量的算术平均值d(t)；

d.若h1(t)>3d(t)，则认为h1(t)为异常数据，然后将h1(t)的数值用h1(t-1)代替。反之，则认为h1(t)为正常数据。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种自主导航拖拉机转向角无线测量系统及方法，包括1套数传电台，所述数传电台包括3个发射端和1个接收端；所述3个发射端分别与1号、2号和3号姿态传感器相连；所述1号和3号姿态传感器分别安装在拖拉机的左、右转向轮与前桥横梁连接的转轴顶部；所述2号姿态传感器安装在拖拉机前桥横梁的中间位置；所述数传电台的接收端与工控机相连，能够接受所述3个发射端的数据。通过计算1号和2号姿态传感器，以及2号和3号姿态传感器的航向角之差，即可确定左右转向轮的转向角。本发明结构简单，安装方便，可以避免传统技术中复杂的物理传输线路，极大地提高了拖拉机导航系统工作的可靠性，为无人驾驶拖拉机技术的发展创造有利条件。

技术研发人员：田光兆;顾宝兴;王海青;周俊;安秋
受保护的技术使用者：南京农业大学
技术研发日：2017.04.10
技术公布日：2017.08.01