基于陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器的動態(tài)信號測量及轉(zhuǎn)向控制

張義 李東輝

摘 要：自動轉(zhuǎn)向控制是農(nóng)業(yè)自動導航采用的關鍵性技術，對實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的實踐意義?；诖?，文章首先闡述了陀螺儀轉(zhuǎn)角測量的原理，然后分析了角速度與轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)的設計，最后基于TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機，設計出了一種拖拉機前輪轉(zhuǎn)向角系統(tǒng)，以期為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供助力。

關鍵詞：陀螺儀轉(zhuǎn)角器;信號測量;專項控制

0 引言

水資源利用效率低下嚴重制約了我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因此，通過土地整治推進農(nóng)田的標準化建設成為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要途徑。使用GNSS技術對農(nóng)田進行平整不僅可以提升農(nóng)田的灌溉效率，提升水資源利用效率，還可以增加耕地的有效面積，提高作業(yè)效率，對控制農(nóng)田雜草具有積極作用。GNSS技術與傳統(tǒng)平整農(nóng)田技術相比，具有平整效率快、定位精準性高、環(huán)境適應力強等優(yōu)點，在大面積農(nóng)田作業(yè)中使用可以顯著地提升農(nóng)田綜合效益。農(nóng)業(yè)機械工作對于機械工作速度的要求并不高，但對其導航作業(yè)精度要求較高，即使出現(xiàn)微小的航向角偏差，也會對導航作業(yè)精度造成極大的副作用。所以，在農(nóng)業(yè)機械的應用過程中，需要對車輛航向角的測量精度進行有效控制。

1 陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器測量原理

陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器是用來對運載器角度率進行測量的一種二自由度陀螺裝置，通常把均衡陀螺儀固定在運載器的外環(huán)位置處，并保證內(nèi)環(huán)軸與測量角速率的軸垂直，當運載器開始轉(zhuǎn)動時，在陀螺內(nèi)矩的作用下，運載器的內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)子將與運載器外環(huán)一同轉(zhuǎn)動，因為在陀螺儀中使用了一個彈簧裝置來對相對旋進進行限制，且運載器內(nèi)環(huán)旋進角與陀螺儀內(nèi)彈簧變形量成正相關，所以當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，即可由運載器內(nèi)環(huán)旋進角，求解出陀螺力矩與運載器的角速率。目前最常用的兩種陀螺儀包括積分陀螺儀與速率陀螺儀，兩者的不同點表現(xiàn)為積分陀螺儀用線性阻尼器代替了彈簧約束，即當運載器開始轉(zhuǎn)動時，積分陀螺儀輸出量為繞測量軸的轉(zhuǎn)角[1]。當下，積分陀螺儀與速率陀螺儀是使用最為廣泛的兩種儀器，在自動控制、慣性導航平臺中均能發(fā)現(xiàn)他們的身影。

2 角速率和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設計

2.1 轉(zhuǎn)角測量原理

TL740d可測量其所在PCB平面的角速率，由角度和角速率在時間上的積分可以得到轉(zhuǎn)角與角速率關系如式（1）所示。

2.2 硬件電路設計

在硬件電路設計中，使用LMS8962與TL740d構建傾角測角系統(tǒng)。LM8962基于GNSS總線與TL740d實現(xiàn)運行期間的通信，并將采集到的信息數(shù)據(jù)記錄在儲存卡中，求解結(jié)果能夠?qū)崟r地呈現(xiàn)在顯示屏上。

2.3 軟件設計

程序啟動后，系統(tǒng)會自動進入初始化模式，并向TL740d寫控制指令，按照工作實際需求，設置TL740d工作模式，之后將數(shù)據(jù)讀取后進行計算，信息數(shù)據(jù)被儲存在存儲卡內(nèi)，并顯示在顯示屏上[2]。

3 基于陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器的拖拉機自動駕駛控制

3.1 陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器（TL740d為例）在拖拉機前輪轉(zhuǎn)向中的應用

設計使用兩支TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機計算輪式拖拉機前輪轉(zhuǎn)向角。定義坐標系n系為導航坐標系為“東北天系”，b系為載體系固聯(lián)與車體“右前上”。

1.左前輪，2.TL740d，3、4.Gnss天線，5. TL740d前輪轉(zhuǎn)向角θ可以由兩支TL740d陀螺輸出的z軸角速度積分做差得到，左前輪位置的陀螺輸出為ωb，車體兩后輪中心處安裝的陀螺的輸出為ωa。

簡化拖拉機車體運動模型，將其一段時間內(nèi)的運動看作為以后輪中心處為原點，前后兩輪軸距L為半徑的圓周運動，根據(jù)線運動的關系可知，角速度與半徑的乘積等于切向線速度的大小。這里將GNSS輸出的方位微分當作車體的角速度，圓周運動的切向線速度可在圖2中使用三角函數(shù)關系得出：

由于GNSS雙天線之間的間距大約在兩米左右，GPS接收機輸出的速度信息是基于主天線的，即主天線定位，次天線定向，速度是主天線所在點的速度，主天線與拖拉機后輪中心位置在空間位置上存在一定的臂桿，車體運動勢必會引發(fā)桿臂效應的速度誤差，所以需要對桿臂效應進行補償。通常接收機輸出的對地方向為東向、北向和地向，上述圓周運動的角速度與桿臂叉乘得到誤差線速度，再乘上姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)到n系，就可以進行桿臂效應的速度補償。

Gnss雙天線接收機輸出的方位和橫滾角或者俯仰角，由于只有兩個天線，所以只能測量一個方向上的傾角，本文且定義為橫滾角，縱向傾斜暫忽略，因為拖拉機工況大多縱向傾斜不大。根據(jù)兩載體系b與導航系n之間的轉(zhuǎn)換關系，從n到b旋轉(zhuǎn)順序Z-X-Y得出姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣：

式中中間那個矩陣是因為雙天線是在車體橫向安裝的，坐標系b的定義為右前上，所以要繞z軸轉(zhuǎn)動90°，將上式轉(zhuǎn)置即可得到從b系到n系的旋轉(zhuǎn)矩陣Cbn。

將速度誤差補償?shù)浇邮諜C輸出的速度里，略去地向速度，保留水平方向的兩個分量速度，并合成水平速度v，方向應與方位或者車頭方向一致。代入式5可得到GNSS接收機提供的前輪相對車體的轉(zhuǎn)向角度。

3.2 系統(tǒng)測試與驗證

為對系統(tǒng)測量角速率與轉(zhuǎn)角效果進行測試，通過姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)，把AHRS500GA-226傳感器作為參考進行測試。系統(tǒng)測試與驗證時，首先將兩系統(tǒng)固定在同一平臺上，確保TL740d測量角速率平面與AHRS的YAW平面一致，對兩系統(tǒng)的輸出角速率與角度值進行對比。

可以看出，TL740d測量得出的角速率和AHRS測量結(jié)果一致性較為明顯，總的來看AHRS測量結(jié)果呈現(xiàn)出較為平滑的趨勢，TL740d測量結(jié)果則表示其存在一定的噪聲影響，因此局部出現(xiàn)陡峭現(xiàn)象。但在靜止與小角速率運動條件下，兩者測量結(jié)果一致性較為明顯，且誤差保持在0.1°/s左右。在大角度運動與急轉(zhuǎn)速條件下，兩者測量結(jié)果存在較大差異，且誤差為7°/s，究其原因，AHRS測量得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過濾波與數(shù)據(jù)融合處理的[3]，總體來看，兩者角度測量總趨勢具有較強的一致性，且局部重合效果較好。

4 結(jié)語

本文設計使用兩支TL740d陀螺，配合雙天線GNSS接收機計算輪式拖拉機前輪，并重點論述了轉(zhuǎn)角傳感器軟件與硬件實踐方法，經(jīng)系統(tǒng)測試與驗證，該轉(zhuǎn)角傳感器具有結(jié)構簡單測量方法簡便的優(yōu)點，且工作性能良好，具有較強的實用性。

[參考文獻]

[1]周云，曾雅麗思，趙瑜，等.基于陀螺儀轉(zhuǎn)角傳感器的動態(tài)信號測量及物理參數(shù)時域識別[J].湖南大學學報（自然科學版），2020（9）：10-22.

[2]劉昊.基于多模信息感知的運動載體軌跡測定方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2020.

[3]張炳瑞.基于GNSS與慣導融合的高精度輪式車輛滑轉(zhuǎn)率檢測技術研究[D].天津：天津工業(yè)大學，2019.

（編輯 姚 鑫）