[发明专利]基于双天线GNSS和预瞄追踪模型的农机自动导航控制方法

说明书

本发明公开了一种基于双天线GNSS和预瞄追踪模型的农机自动导航控制方法，采用支持多星系统载波相位差分技术的共时钟一体双天线GNSS接收机进行农机的定位测姿，采用分段自适应的与速度相关的前视距离作为预瞄追踪模型方法中的参数对农机进行路径跟踪控制。本发明中：支持多星系统载波相位差分技术的定位板卡能有效增加参与定位解算的卫星数量，提高导航定位的精度和稳定性；基于卫星导航系统的惯导测姿提高了农机姿态测量的精度和实时性；预瞄追踪模型算法设计模拟人的驾驶行为具有预见性，路径跟踪控制效果好，提高了农机上线的快速性、稳定性以及对复杂农田路况的适应性；前视距离与速度相关，提高了农机自动导航系统在相对高速作业时的控制精度和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种农机定位测姿及自动导航控制方法，尤其涉及一种基于双天线GNSS和预瞄追踪模型的农机自动导航控制方法，属于农业机械GNSS自动导航领域。

背景技术

作为精准农业的一项核心关键技术，农业机械自动导航广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。在农机自动导航系统中，农机位置姿态测量方法和导航路径跟踪控制方法是农机导航系统的两大核心技术。目前农机导航系统中，普遍使用具有厘米级定位精度的RTK-GPS。相对于多卫星定位系统，在复杂情况下单卫星系统可能无法提供足够的卫星，或是卫星信号质量不稳定，导致导航系统的中断。拥有足够的卫星数是精密导航的前提，冗余的观测量能够增加卫星导航系统的可靠性。随着GNSS四大卫星系统的逐渐成熟，全球的用户将使用支持多星系统的板卡，获得更多的导航定位卫星的信号，农机导航系统采用支持多星系统载波相位差分技术的板卡将无形中提高农机导航定位的精度和稳定性。

GPS最早是为精确授时和定位服务设计，但随着对它的深入研究和应用挖掘，其潜在的高精度姿态测量能力得到了广泛的关注。传统的高精度测姿是利用惯性器件来实现的，其设备复杂、价格昂贵、维修困难、动态精度较差。航向角和横滚角是农业机械自动导航控制中的重要参数，过去普遍采用单天线GPS/陀螺仪组合进行航向角的测量，测量精度容易受车体震动和陀螺仪零偏漂移的影响，在农机停车重启动过程中由于卡尔曼滤波器初始化可能造成航向角短时间的不准确，导致农机偏离预设路径影响作业质量。在开沟等慢速作业中，由于相邻定位两点距离小造成GPS航向测量噪声大从而影响组合航向角精度。横滚角的测量过去普遍采用高精度INS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。高精度INS设备复杂、价格昂贵、维修困难，不利于农机导航系统的推广。基于卫星导航系统的一体双天线GNSS板卡可同时测量农机的航向角和横滚角，并且可以完美地克服过去农机姿态测量方法的缺点，具有成本低廉、精度高、实时性好、空旷地区稳定性好等优点，非常适合空旷地区农田的大面积作业。

导航路径跟踪控制方法主要包括基于农机运动学或动力学模型的控制方法、以及模型无关的控制方法。由于农机本身的复杂性、土壤等农田环境以及农机具负载的不确定性的存在，导致农机导航控制系统为一个复杂的不确定性系统。为了避免建模不准确或者模型参数剧烈变化对农机路径跟踪控制性能所产生的负面影响，采用与模型无关的预瞄追踪方法进行农机路径跟踪控制，它不涉及复杂的控制理论知识，具有控制参数少、算法设计模拟人的驾驶行为具有预见性等特点，试验中发现预瞄追踪方法提高了农机上线的快速性、稳定性以及对复杂农田路况的适应性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种低成本、高精度的基于双天线GNSS和预瞄追踪模型的农机自动导航控制方法，将GNSS主从天线安装在农机合理的位置，实现双天线GNSS板卡对农机的定位测姿。采用分段自适应预瞄追踪方法进行农机导航路径跟踪控制，提高农机自动导航控制精度及其稳定性。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

本发明公开了一种基于双天线GNSS和预瞄追踪模型的农机自动导航控制方法，包括下述步骤：