[发明专利]高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统及其方法

权利要求书

1.一种高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统，包括导航传感器、分布式测控ECU、总线式串行通信网络、嵌入式导航计算机和电控方向盘，其特征在于：

导航传感器由RTK-GPS、姿态仪、里程计、转角传感器等组成，RTK-GPS和姿态仪置于秧盘支架上面的横跨支架的中间位置处，里程计置于左、右车轮的行走减速器处，转角传感器置于主减速器底部的转向构件下面；

分布式测控ECU由GPS数据转发ECU、姿态仪数据转发ECU、里程计ECU、方向盘ECU等组成，方向盘ECU置于方向盘电控机构的旁边，其他ECU位于相应的传感器附近；

嵌入式导航计算机构建在嵌入式32位单片机和嵌入式操作系统平台上，并具有串行通讯接口和人机界面，内含人机接口、前置数据处理、姿态估计和驾驶控制软件模块。

2.按照权利要求1所述的高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统，其特征是：里程计由壳体、密封圈、光电或磁电传感器组成，壳体固定在左、右行走减速器的中间传动轴的外侧，通过联轴器连接里程计的伸出轴与中间传动轴，或里程计位于行走减速器的内部，通过里程计伸出轴上的齿轮与行走减速器内的齿轮啮合，或里程计的磁电传感器距离减速器输入侧齿轮的齿顶1～2mm固定，输出频率与内部齿轮转速成正比的脉冲信号。

3.按照权利要求1所述的高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统，其特征是：转角传感器由壳体、端盖、电位器、密封圈、弹性联轴器和支架组成，电位器被转角传感器壳体和端盖密封起来，只有电位器的伸出轴穿过端盖、信号线穿过防水接头，在端盖与电位器的伸出轴之间配置密封圈，弹性联轴器连接电位器的伸出轴和一段短轴，而该短轴固定在与车架构件固定连接的支架上，电位器的本体可随转角传感器一起转动，但其伸出轴一直静止不转动，输出幅值与车轮转角成正比的模拟信号。

4.按照权利要求1所述的高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统，其特征是：方向盘ECU的硬件包括8位单片机、CAN通讯电路、数据采集电路、信号隔离输出电路，当方向盘ECU接收到广播指令后，立即采集当前的前轮的转角，通过CAN通讯电路发出数据；当接收到前轮转角设定值的控制指令后，采集当前的前轮的转角，与设定值比较获得旋转方向，由一路I/O口输出信号到步进电机驱动器，另一路I/O口输出PWM波控制方向盘电控机构运行，同时监测前轮的转角，当转角达到设定值时，停止PWM波。

5.按照权利要求1所述的高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统，其特征是：嵌入式导航计算机内部的前置处理模块接收GPS数据转发ECU的数据，以田块的西南角点为原点(O点)、纬度向东为x轴、经度向北为y轴建立平面直角坐标系，任意点A的经、纬度值转换成该平面直角坐标系下的坐标(x_GPS，y_GPS)；接收姿态仪数据转发ECU的信息，提取航向角、横滚角和俯仰角信息，使用横滚角和俯仰角校正航向角和当前的位置；接收里程计数据信息，计算出行程及车速。

6.按照权利要求1所述的高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统，其特征是：嵌入式导航计算机装置内部的姿态估计模块由一个全传感器Kalman滤波器和一个航位推测Kalman滤波器组成，它们具有相同的状态变量，全传感器Kalman滤波器在RTK-GPS信号有效时运行，通过Kalman滤波处理获得更为准确的车体的位置和航向角，同时更新航位推测Kalman滤波器的状态变量，当RTK-GPS信号无效时，航位推测Kalman滤波器运行，输出车体的位置和航向角的估计量，并可在RTK-GPS信号有效时切换回全传感器Kalman滤波器。

7.按照权利要求1所述的高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统，其特征是：嵌入式导航计算机装置内部的驾驶控制模块由行跟踪模块、PID控制器和地头自动转向模块组成，在行跟踪行驶过程中，当通过Kalman滤波处理得到插秧机当前位姿后，计算出预定轨迹前方瞄准点的坐标位置，然后计算由出瞄准点与插秧机当前位置构成的直线与预定轨迹直线之间的角度(目标角)，当前目标角及其前2次的目标角值输入到PID控制器中，计算出插秧机当前直行过程中需要实时调整的转向角度；在插秧机开始掉头转弯时首先动态确定当前平面坐标系下转弯的圆心坐标，预先设定圆的半径R、调整转向的基础角度Q和掉头转向的航向角变化量P，然后实时计算插秧机当前坐标点到圆心的距离D，如果距离小于设定的圆半径，则方向盘往圆外侧转Q*D/R角度，否则方向盘往圆内侧转Q*D/R角度，并同时更新航向角，当航向角变化量到达P值后，退出地头自动转向模块，切换到行跟踪模块，继续进行行跟踪作业。