[实用新型]基于双GNSS天线及单轴MEMS陀螺的前轮测角系统

说明书

技术领域

本实用新型属于导航控制和位置跟踪领域，特别涉及一种MEMS惯性测量器件与卫星定位系统组合导航测角的方法。

背景技术

由自动驾驶仪控制的农用车辆是高效、精准农田作业的必要设备。与人力作业相比，自动驾驶仪控制的车辆能够完成更精准的驾驶，并且重复作业时不会感到疲惫。因此，自动驾驶农用车辆能够有效地提高农田作业效率，减少作业成本。

在自动驾驶系统中，车轮相对于车辆主体的转动角度是进行车辆控制必不可少的信息。现有的自动驾驶系统中采用的机械式角度传感器虽然能够提供符合要求的角度信息，但安装、检修及更换过程复杂，耗费时间和人力。中国专利申请号200680045195.5中所述的使用惯性测量单元（IMU）作为角度传感器，通过算法计算车轮转动角度，但系统在车辆主体和车轮上分别安装惯性测量器件，增加了系统成本，并且惯性器件受车体振动影响较大，GPS天线解算速度与实际计算速度之间存在杆臂误差，使得系统精度受到影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，克服现有技术的不足，本实用新型提出了一种廉价、简单的双GNSS系统及单MEMS陀螺组成的系统，完成自动驾驶系统中车轮相对于主体转角的测量问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术解决方案是：

基于双GNSS天线及单轴MEMS陀螺的前轮测角系统，其主要由能安装于车辆车轮的单轴MEMS陀螺，能安装于车体两侧的两个GNSS接收机以及导航控制计算机组成；所述两个GNSS接收机以一定距离安装在车体两侧，安装位置之间的直线垂直于车辆车头到车尾的中轴线；单轴MEMS陀螺，安装在车轮上，敏感轴垂直于地面。

利用单轴MEMS陀螺和两个GNSS接收机对系统的每个部分测量一组运动信息数据，对每部分的运动信息数据进行信息处理获得主体的运动姿态信息和主体与转动机构之间的相对角运动信息。

GNSS天线和单轴MEMS陀螺完成各运动部分数据的采集，导航控制计算机对GNSS天线解算的速度进行杆臂误差补偿后代入卡尔曼滤波器模型，估计得到车轮相对于主体的转动角度。

所述运动信息数据包括：双GNSS天线系统测量系统主体的运动线速度，航向角信息，经纬度信息等，运动部分MEMS陀螺测量相关子系统的转动角速度。

所述信息处理包括对双GNSS天线系统输出主体的运动速率、航向角及经纬度等信息的处理；运动子系统安装的MEMS陀螺进行数据处理后积分获得转动角度信息，并与双GNSS输出信息进行组合卡尔曼滤波进行校正，输出高精度的转角信息。

进一步地，所述双GNSS接收机定位采用伪距相对差分进行定位运算，保证两个GNSS接收机观测到同一组卫星，这样将两个GNSS接收机的定位数据进行差分运算，可以去除或降低大气层误差，电离层误差，卫星轨道误差等共有误差，输出精度较高的系统运动速度、航向角及经纬度等信息。

进一步地，所述利用单轴MEMS陀螺进行数据测量的处理，是陀螺数据与双GNSS航向角度微分得到的角速度相减得到运动子系统相对于主体的转动角速率的处理，通过对处理后的相对转动角速率进行积分得到相对转动角度，然后通过主体运动与相对转角之间的运动模型，建立卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程，选取航向角输入为量测量，对相对转角误差进行估计，并对相对转角输出结果进行校正。

进一步地，所述测量计算时需要的速度信息是车辆固定轮轴的速度，而GNSS天线与固定轮轴之间存在杆臂，当车辆转向时，由于杆臂的存在造成GNSS天线测量的速度与所需速度之间有杆臂引起的速度误差，因此需要对杆臂误差进行补偿。

与现有实用新型相比，本实用新型的主要优点在于：

1）本实用新型采用的双GNSS天线系统能够消除或降低大气层误差，电离层误差，卫星轨道误差等共有误差，输出精度较高的系统运动速度信息。并通过相应的算法输出系统主体的航向、横滚等信息，比惯导系统输出的姿态信息有更高的精度，为导航控制提供保障。

2）本实用新型采用单轴MEMS陀螺采集系统的运动信息，降低了系统成本，简化了系统安装过程。同时，车辆主体的姿态和运动信息由双GNSS天线系统获得，降低了车辆运动过程中振动对数据的影响，提高了系统角度输出的精度。

3）补偿了GNSS天线速度中的杆臂引起的速度误差，提高了卡尔曼滤波器的输入精度，进而提高最终输出的角度结果精度。

附图说明

图1为本实用新型可应用于的车辆简化结构示意图。

图2 为本实用新型车轮相对转角数据处理原理框图。