农用自动驾驶仪转向补偿的制作方法
【专利说明】农用自动驾驶仪转向补偿
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请涉及2012年9月10日提交的名称为“农用自动驾驶仪转向补偿”的美国专利申请N0.13/608，844并且要求该专利申请的优先权，该专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及农用自动驾驶仪系统的转向控制。
【背景技术】
[0004]由自动驾驶仪引导的农用车辆被认为是高效农田作业的必需品。与人相比，自动驾驶仪实施更精确的驾驶，并且永远不会变疲惫。自动驾驶仪提高了耕种、播种、喷药、收割以及其它作业的精度，并且降低了这些作业的成本。
[0005]农用自动驾驶仪从人类操作员手中接管了转向操纵的任务。农用自动驾驶仪可操作液压控制阀门以致动转向机构，或者可直接转动方向盘。农田拖拉机中使用的典型的自动驾驶仪通过操纵拖拉机的可转向前轮来沿着预编程路径引导该拖拉机。
[0006]如果可转向轮的牵引力(抓地力)丧失，则自动驾驶仪的性能下降。当车轮上的重量不足时、当车轮下方的地面湿或滑时，或者当在斜坡上作业时，可能会发生这种情况。如果拖拉机持续向坡下偏移或滑移，那么山坡作业会变得尤为令人苦恼。虽然增加重量能够改善牵引力，但是增加过多重量也会导致不希望的土壤压实。
[0007]即使在具有良好的牵引力的情况下，拖拉机有时也无法拐出如所期望那样急的转弯。举例来说，当拖拉机在田端掉头时，拖拉机经常无法借助单次、平滑的转向拐过急的转弯以便从一个作业行列(田垄)转移到与之相邻的另一个作业行列。环状掉头(Loopingturnaround)操作(钥匙孔式转向(key hole turn))或倒车浪费时间并且浪费可用的农田面积。
[0008]因此，与人类操作员相比，尽管自动驾驶仪能够在拖拉机(或其它农用车辆)的车轮的全范围内更快且更精确地操纵车轮的转向，但鉴于欠理想的牵引力或机械转向限制，自动驾驶仪不能保证始终精确地跟随预编程路径(沿着预编程路径前进)。需要一种能够克服这些问题而精确地引导拖拉机的拖拉机自动驾驶仪。
【附图说明】
[0009]图1是拖拉机的俯视图，其中示出了由自动驾驶仪监测到的各种参数。
[0010]图2是拖拉机自动驾驶仪系统的框图。
[0011]图3是向拖拉机驱动轮提供差动(differential)扭矩的系统的示意图。
[0012]图4示出了能够用最大实际转向角度跟随的路径和无法用最大实际转向角度跟随的路径。
【具体实施方式】
[0013]下文所述的农用自动驾驶仪转向补偿系统和方法使用差动(不同)驱动轮扭矩输入来增强常规转向。这使得即使当常规的转向能力因可转向轮的牵引力弱而减小时，农用自动驾驶仪也能够沿着期望的路径精确地引导车轮。另外，与通过操纵常规转向传动装置所实施的转向校正相比，差动扭矩允许自动驾驶仪实施更快的转向校正。最后，与单独采用轮转向相比，差动扭矩使得能够实现更急的转弯。
[0014]下文所述的系统和方法适用于广义的农用车辆。因此，为了方便起见，使用术语“拖拉机”来表示拖拉机、收割机、自行式喷洒机，等等。
[0015]图1是拖拉机的俯视图，其中示出了由自动驾驶仪监测到的各种参数。在图1中，拖拉机105被引导以便沿着预编程路径110移动。从该路径到拖拉机上的参考点107的垂直距离被称为轨迹横向误差(cross-track error)，XTE或ΔΧ。当参考点与路径重合时，ΔΧ = Oo前进方向(航向)误差ΦΕ_Κ是拖拉机的前进方向与预编程路径的方向之间的角度差。如果拖拉机的前进方向与路径平行，则ΦΕΚ.=0。转向角度α是拖拉机的前进方向与可转向轮之间的角度。当可转向轮笔直朝前时，a =Oo拖拉机105具有两个驱动轮 120 和 122。
[0016]如下文所述，自动驾驶仪可独立地增大或减小各驱动轮上的扭矩。例如，为了辅助向前右转弯，可增大左轮120上的扭矩以促进左轮120的正转，并且减小右轮122上的扭矩以减缓右轮122正转。由此，自动驾驶仪控制驱动轮扭矩以便增强常规转向。
[0017]将差动轮扭矩控制对转向的影响概念化的一种方式是考虑有效转向角度。当在具有良好牵引力的路面(例如水平、干燥的公路)上行驶时，有效转向角度与实际转向角度α相同。然而，当拖拉机的可转向轮的牵引力降低时，有效转向角度可能不是操作员所预期或期望的角度。有效转向角度是这样的角度:如果实践中在良好的牵引条件下实现了这一角度，则其使得拖拉机轨迹具有与实际轨迹相同的曲率。有效转向角度可以小于α (例如，比预期更缓地转弯)或者大于α (例如，在可转向轮笔直向前的情况下滑移)。在使各驱动轮加速或减速的差动扭矩的辅助下，可以对有效转向角度进行控制。例如，当使有效转向角度大于α时，可以实现比正常转弯更急的转弯。因此，自动驾驶仪可以使用差动扭矩来增强常规转向，以此获得能使轨迹与期望路径的曲率相匹配的有效转向角度。
[0018]差动扭矩和由之产生的有效转向角度对于下述三个目的来说是有益的:1.减小前进方向误差和轨迹横向误差，i1.以比常规转向变化速率所允许的情况更快地改变车辆的前进方向，ii1.使常规车轮转向在达到机械极限时还能转更急的弯(即，增大转弯曲率
[0019]自动驾驶仪采用将前进方向误差和轨迹横向误差最小化的控制系统。对测量出的误差进行数字滤波并且将校正信号施加到转向致动器上，以便朝向预编程路径来引导车辆。可以使用差动驱动轮扭矩作为附加的转向致动器来引导车辆。可在误差超过阈值时施加扭矩，或者可根据误差大小的函数来施加扭矩；例如，可以与误差成比例地施加扭矩。为了校正固有误差(例如，在山坡作业期间的下坡偏移(downhill drift))，可以与轨迹横向误差和/或前进方向误差的时间积分成比例地施加扭矩。作为选择，为了校正突发误差(例如，突发性滑移)，可以与轨迹横向误差和/或前进方向误差的时间微分成比例地施加扭矩。换句话说，可以用将相对于预编程路径的轨迹横向误差和/或前进方向误差最小化的比例-积分-微分(PID)反馈回路来控制辅助常规转向的差动扭矩的施加。
[0020]当自动驾驶仪依靠操纵可转向轮来改变车辆的前进方向时，改向加速度部分地受限于车轮能够以多快的速度改变转向角度α。例如，从极左转向到极右转向的过渡可能花费数秒钟。(α的改变速率可被称为转向变化速率)。当能够利用差动扭矩作为转向致动器时，可以比单独借助实际转向角度改变(actual steering angle changes)更快地实现前进方向的改变。换句话说，有效转向角度可以比实际转向角度改变得更快。
[0021]作为转向致动器的差动扭矩使得转向角度改变得更快，但是这一操纵性能的提高的代价是转向所用的能量更多。简单的差动扭矩系统可以仅包括差动制动。制动实施得越频繁，保持拖拉机以期望的速度移动所需的能量就越多。更先进的差动扭矩系统可以经由电动机/发电机来增大和减小车轮扭矩。通过减慢内侧车轮而产生的能量可用于为外侧车轮增大扭矩。这比单独实施制动更加有效，但是不能消除差动扭矩系统所需要的能量。一般来说，多大程度及多么频繁地使用差动扭矩来增强常规的车轮转向取决于针对具体应用的系统调教。
[0022]拖拉机自动驾驶仪可以被接合，S卩，由自动驾驶仪主动地沿着路径引导拖拉机；或者被脱开，即，允许操作员进行手动转向控制。(为了安全，操作员一