[发明专利]基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器

说明书

本发明公开一种基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器，(1)通过航向校正器用将双天线GNSS输出的航向信息进行校正得到车体航向信息并通过第一三阶状态观测器利用车体航向信息对车体航向角速率进行观测，基于车辆的轴距L、车速V和车体航向角速率根据车辆动力学模型对车辆转向轮角θ_m(j)进行推算；(2)陀螺仪信号处理单元对陀螺仪输出的角速度信号进行预处理，得到的陀螺仪角速率信号ω_g(j)与车体航向角速率相减得到车轮转向角速率ω_s(j)，第二三阶状态观测器用以对转向角加速度进行观测；(3)通过二阶状态观测器对θ_m(j)和进行处理，实现对车轮转向角θ(j)的观测，有效提高了角度估计的精度和鲁棒性，具有较高的实际应用和推广价值。

技术领域

本发明属于农业机械自动导航领域，具体涉及一种基于单陀螺仪与状态观测理论的农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器。

背景技术

随着农业机械自动化水平的提高，农业机械自动导航技术应用越来越广泛，尤其是双天线GNSS自动导航系统在输出定位信息同时能够输出航向与俯仰两个车体姿态信息，避免了增加姿态传感器的成本，越来越受到青睐。

前轮转向角度是农业机械自动导航技术必需的基本信息。针对农业机械前轮转向角度的获取问题，现有技术中有多种技术方案：如授权公告号为【CN101326094B】的发明专利公开一种基于转向组件角度及角速率传感器的车轮陀螺仪，用来估算一系统的至少两个部分之间相对坐标，该方案中采用两个陀螺仪，一个安装在车身上，一个安装在车轮上，采用卡尔曼滤波的方式对两个陀螺仪信息进行融合；而采用两个陀螺仪安装非常麻烦，对很多车辆来说是安装不上的，只具有理论基础，实用性较差；或者是采用安装霍尔式轴角传感器的方式，但是，由于农业机械转向机构的差异性，轴角传感器安装过程中往往存在安装困难，易于损坏等问题，限制了农业农机自动导航技术的发展。

发明内容

本发明利用状态观测理论提出一种农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器，采用二阶状态观测器对通过陀螺仪和双天线GNSS所获得的信息进行融合，有效提高了角度估计的精度和鲁棒性。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于农业机械双天线GNSS自动导航系统的转向角度估计器，包括航向校正器、第一三阶状态观测器、量测角度计算器、陀螺仪信号处理单元、第二三阶状态观测器和二阶状态观测器；

所述航向校正器用以将双天线GNSS输出的航向信息校正为农业机械车头方向在北-东-地坐标系下的车体航向信息j表示时刻；第一三阶状态观测器利用车体航向信息对车体航向角速率进行观测；量测角度计算器基于车辆的轴距L、车速V和车体航向角速率根据车辆动力学模型对车辆转向轮角θ_m(j)进行推算；

所述陀螺仪信号处理单元用以对安装于前轮转轴的陀螺仪输出的角速率信号进行预处理，以输出滤波后的陀螺仪角速率信号ω_g(j)；陀螺仪角速率信号ω_g(j)与车体航向角速率相减得到前轮相对于车身的车轮转向角速率ω_s(j)，并输入第二三阶状态观测器；第二三阶状态观测器用以对转向角加速度进行观测；

所述二阶状态观测器接收量测角度计算器得到的车辆转向轮角θ_m(j)与转向角加速度信息，以对车轮转向角θ(j)进行观测。

进一步的，所述车辆转向轮角θ_m(j)通过以下方式获得：

进一步的，所述二阶状态观测器利用和θ_m(j)对车轮转向角θ(j)进行估计，并表示为：