INS自主耕作拖拉机导航修正研究

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1、２０１８年５月农机化研究第５期基于GPS／INS自主耕作拖拉机导航修正研究１１２赵书尚，李会彬，刘斌（１．河南科技大学机电工程学院，河南洛阳４７１００３；２．河南林业职业学院，河南洛阳４７１００３）摘要：为了提高轮式自主耕作拖拉机的导航定位精度及系统抗干扰能力，以ＹＳＨ－５０４Ｄ轮式拖拉机为试验载体，选用载波相位差分ＧＰＳ（ＲＴＫ－ＤＧＰＳ）和惯性导航系统（ＩＮＳ）组合导航方式，重点对ＧＰＳ因地形倾斜及土质硬度不均引起的误差进行校正。为此，构建了Ｋａｌｍａｎ滤波器，对ＧＰＳ定位数据进行平滑处理，融合了惯性导航系统参数，实时修正拖拉机的运

2、动姿态，使拖拉机的行驶轨迹更加平稳。试验结果表明：校正后的ＧＰＳ导航参数能够使拖拉机更好地跟踪目标路径，导航精度可达到厘米级别，满足了拖拉机在复杂地形下仍能按照预定轨迹自主耕作。关键词：拖拉机；差分ＧＰＳ；惯性导航；Ｋａｌｍａｎ滤波中图分类号：S219．01；S24文献标识码：A文章编号：1003－188X（2018）05－0058－04获得角度参数，建立拖拉机运动模型提高拖拉机导航0引言［６］精度。周俊融合各种传感器信息建立非线性随机自主耕作拖拉机作为一种智能化、信息化的现代数学模型，利用卡尔曼滤波算法预测跟路径。农业装备，导航控制是

3、其显著的特征之一。实现拖拉本文选用载波相位差分ＧＰＳ和惯性导航系统组机的自动化能有效降低驾驶员的劳动强度，显著提高合导航方式，融合导航参数，主要针对因地形倾斜和拖拉机的耕作精度。目前，我国拖拉机的智能化水平土质硬度不均引起的ＧＰＳ定位误差进行校正，旨在提只是相当于２０世纪８０年代的国际水平，国内产品与高自主耕作拖拉机的导航控制精度。国外产品还存在着一定的差距，主要体现在自动控制［１］1导航参数修正精度及可靠性等方面。吴晓鹏改造了东方红－Ｘ８０４拖拉机原有油路，使用电液比例阀实现了拖拉机自动1．1确定坐标系参数［２］转向控制。庄卫东提出偏

4、航距离计算方法用于农坐标系定义示意图如图１所示。将坐标系oxy定机导航控制。目前，国内对于拖拉机导航误差的研究义为大地坐标系，即高斯平面坐标系，o＇x＇y＇定义为车较少，因此基于ＧＰＳ／ＩＮＳ自主耕作拖拉机导航修正的体坐标系，坐标系原点o＇与质心重合，纵轴y＇与车体重研究具有重要意义。合并指向车体前进方向，横轴x＇指向车体前进方向右为了使拖拉机更加精准的作业，需优化其导航参侧并与纵轴垂直。数，包括定位坐标、侧倾角度及航行角度等，常选用卡［３］尔曼滤波进行处理。Ｎｏｇｕｃｈｉｙｔ采用扩展卡尔曼滤波和基于两维概率密度函数的静态方法将传感器数

5、据进行融合，开发了基于ＲＴＫ－ＧＰＳ和机器视觉的自主［４］导航系统。Ｄａｌｅ使用ＤＧＰＳ和ＦＯＧ对农业车辆进行导航，使ＤＧＰＳ的定位精度提高至２５ｃｍ以内，车辆偏［５］转角预测误差从１０％降低到１％。田光兆选用分散式卡尔曼滤波器将定位数据数据融合，利用电子罗盘收稿日期：２０１７－０３－０８基金项目：河南省科技攻关项目（１６２１０２１１０１０５）作者简介：赵书尚（１９６９－），男，山东青岛人，副教授，硕士生导师，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｌｙｓｓｚｈａｏ＠１６３．ｃｏｍ。通讯作者：刘斌（１９８５－），男，河南洛阳人，讲师，硕士研究生，（Ｅ－图１拖拉

6、机坐标系参数定义ｍａｉｌ）１０５３０９２７１４＠ｑｑ．ｃｏｍ。Ｆｉｇ．１Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｔｒａｃｔｏｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ万方数据·５８·２０１８年５月农机化研究第５期1．2拖拉机导航参数定义1．4GPS定位误差分析拖拉机导航参数如图２所示。将车体前进方向与拖拉机在农田耕作过程中，由于地面起伏或土质大地坐标系x轴之间的夹角定义为拖拉机航向角，用硬度不均，某一车轮下限导致车体发生倾斜，从而引Ψ表示，规定正方向为逆时针方向。将车体前进方向起ＧＰＳ天线发生倾斜，这将严重影响ＧＰＳ的定位精与地平面之间的夹角定义为拖拉机的俯仰

7、角度，用θ度。试验中，ＧＰＳ的天线高度约为１．５ｍ，当侧倾角φ表示，规定拖拉机前轮下倾为正，上倾为负。将车体达到１０°时，ＧＰＳ定位的横坐标将会产生２６ｃｍ的误横轴与地平面的夹角定义为拖拉机的侧倾角，用φ表差；若侧倾角达到２０°时，误差将达到５１ｃｍ。为了提示，规定沿车体前进方向右倾为正，左倾为负。高自主耕作拖拉机的导航精度，必须消除该因素引起的误差。式（１）、式（２）表示因ＧＰＳ倾斜造成的横向误差和纵向误差，利用该误差对ＧＰＳ的定位参数进行修正，则＇ex＝Hｓｉｎφ（１）＇ey＝－Hｓｉｎθ（２）＇＇其中，H为ＧＰＳ天线距离水平地面的

8、高度，ex、ey经过投影转换可得到拖拉机倾斜引起的ＧＰＳ定位误差，则＇＇图２拖拉机右倾、俯仰情况下ＧＰＳ倾斜示意图ex＝exｓｉｎψ＋eyｃｏｓψ（３）Ｆｉｇ．２ＧＰＳｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｃｏｒｒｅｃｔｉ