[发明专利]基于双天线GNSS接收机/陀螺仪信息融合的农机横滚角测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及农业机械姿态测量领域，特别涉及一种基于双天线GNSS接收机/陀螺仪信息融合的农机横滚角测试方法。

背景技术

农业机械自动导航是精准农业技术体系中的一项核心关键技术，广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。农机的自动导航控制主要是对农机底部的横向位置偏差进行控制，即控制农机跟踪事先规划好的作业路径，使其与路径之间的横向位置偏差保持在一定的精度范围之内，从而满足农业生产的需要。在农机自动导航路径跟踪控制方法中，农机底盘与规划作业路径之间的横向位置偏差主要受GNSS接收机定位精度和倾斜校正中农机横滚角精度的影响。载波相位差分的GNSS接收机符合定位精度的要求，因此获取农机高精度的横滚角信息是获取精确横向位置偏差的关键，而获取精确的位置偏差是农机控制稳定和精确的关键。

传统的高精度测姿是利用惯导来实现的，通过陀螺和加速度计感应运动过程中的角速度以及线加速度，通过积分和推算方法获得运动载体的姿态角。其设备复杂、价格昂贵、维修困难、长期精度差。近年来由于GNSS载波相位测量技术迅猛发展，利用GNSS来测量运动载体的航向和姿态信息已经成为导航领域的又一新的热点。双天线测姿技术是指在载体上合理安置两个GNSS天线，通过天线间的载波相位差分，求解出两天线的基线矢量，从而求解出载体的二维姿态信息。为了降低接收机硬件成本，一类采用时钟同步技术的OEM双天线GNSS接收机开始出现，并逐渐被运用于高精度的姿态测量领域。2008年以后，一体双天线接收机开始被广泛关注和认可，双天线接收机开始大批量进入市场。利用一体双天线接收机测量运动载体的姿态信息，具有稳定性好、成本低廉、精度高、实时性好、无需初始校正和无时间累积误差等优点，但存在倾斜角信息白噪声较大的问题。相对于双天线GNSS而言，陀螺仪输出数据平稳，短时间稳定性强。利用单轴陀螺仪角速度和双天线倾斜角度信息融合的方法测试农机横滚角，对于农机获取精确、高可靠性的横滚角具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中双天线GNSS接收机输出的农机横滚角白噪声大，无法满足农机倾斜校正的精度要求，提供一种基于双天线GNSS接收机/陀螺仪信息融合的农机横滚角测试方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明基于双天线GNSS接收机/陀螺仪信息融合的农机横滚角测试方法，包括下述步骤：

1)为农机建立车体坐标系，车体坐标系Oxy定义为以车体质心位置为原点O，横轴x指向车体前进方向，纵轴y与横轴x垂直指向车体前进方向的左侧；

2)双天线固定支架为长度不低于1.3m的矩形钢管，安装在车体质心正上方的拖拉机驾驶室顶部，安装原则为钢管平行于车体坐标系y轴，关于原点O对称；

3)将GNSS主天线安装在双天线固定支架的右端，从天线安装在固定支架的左端，主从天线关于车体坐标系的x轴对称；

4)陀螺仪安装在农机质心正上方拖拉机座椅下方，旋转轴指向车体坐标系x轴方向；

5)设置双天线GNSS接收机输出NMEA-0183标准格式中$GPTRA数据包，截取$GPTRA数据包中的倾斜角ψ；利用陀螺仪获取横滚角速度ω；

6)采用卡尔曼滤波模型对步骤5)获取的横滚角度和横滚角速度进行融合处理，获得农机横滚角度最优估计值；

7)步骤6)中所述卡尔曼滤波器的模型中，状态向量为农业机械的横滚角θ和陀螺仪的零偏b二维向量；测量量为双天线GNSS接收机获取的横滚角ψ一维标量；

8)系统过程噪声协方差矩阵Q为用于表示状态转移方程的误差大小，设定为常数矩阵，在仿真和试验过程中整定矩阵参数，测量噪声方差R为双天线GNSS接收机横滚角测量值方差统计值。

作为优选的技术方案，步骤5)中，所述双天线GNSS接收机采用司南K528GNSS接收机，通过串口输出NMEA-0183格式中的$GPTRA数据包，截取$GPTRA数据包中的航向角信息。

作为优选的技术方案，步骤5)中，设置微型姿态参考系统AHRS通过串口输出x轴MEMS陀螺仪标定角速度数据，以获取拖拉机的横滚角速度。

作为优选的技术方案，利用卡尔曼滤波器进行信息融合的方法为：

首先建立卡尔曼滤波器的状态方程和测量方程，横滚角和横滚角速度存在导数关系，系统倾斜真实角度θ用来做一个状态向量，在该系统中，采用双天线GNSS接收机横滚角测量值估计出陀螺仪零偏b，以此偏差作为状态向量得到相应的状态方程和观测方程：