阅读说明：本技术 一种基于车辆轨迹的轮胎转角估算方法 (Tire rotation angle estimation method based on vehicle track ) 是由 具大源 李晓宇 张兴兴 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于车辆轨迹的轮胎转角估算方法：S100：在车体上安装GNSS天线,在车辆方向盘的电机上安装编码器；S200：根据GNSS位置坐标计算车辆的航向角；S300：根据计算得到的航向角得到航向角差值和车体偏航角速率；S400：根据车体运动学计算轮胎的绝对转角；S500：读取车辆方向盘电机上编码器的数值,对该数值进行计算处理得到相应的编码器转角；再对编码器转角进行修正；S600：当轮胎转角变化率大于设定阈值时使用卡尔曼滤波算法估算轮胎转角；发明结合了基于车辆轨迹计算的轮胎转角长期稳定以及通过编码器计算的轮胎转角短期精度高的特点,能够在农机车辆正常作业的情况下提供精确、稳定性高的轮胎转角。(The invention discloses a tire corner estimation method based on vehicle tracks, which comprises the following steps: s100: the GNSS antenna is arranged on the vehicle body, and the encoder is arranged on the motor of the vehicle steering wheel; s200: calculating the course angle of the vehicle according to the GNSS position coordinates; s300: obtaining a course angle difference value and a vehicle body yaw rate according to the calculated course angle; s400: calculating an absolute rotation angle of the tire according to the vehicle body kinematics; s500: reading a numerical value of an encoder on a motor of a vehicle steering wheel, and calculating the numerical value to obtain a corresponding encoder corner; then correcting the rotation angle of the encoder; s600: when the tire rotation angle change rate is larger than a set threshold value, estimating a tire rotation angle by using a Kalman filtering algorithm; the invention combines the characteristics of long-term stability of the tire rotation angle calculated based on the vehicle track and high short-term precision of the tire rotation angle calculated by the encoder, and can provide the tire rotation angle with high precision and high stability under the condition of normal operation of agricultural vehicles.)

一种基于车辆轨迹的轮胎转角估算方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体为一种基于车辆轨迹的轮胎转角估算方法。

背景技术

农机自动驾驶系统是一种根据车辆的位置信息对车辆进行转向控制的设备系统。在农机自动驾驶转向控制中，需要以轮胎转角作为反馈量来对车辆进行实时控制；精确的轮胎转角测量是实现农机转向控制的重要前提之一；传统的测量轮胎转角的方法是在轮胎上安装霍尔角度传感器，将该传感器的读数作为轮胎转角的测量值，虽然精确，但该方法存在安装复杂，价格较昂贵，容易磨损等缺点；此外，轮胎转角也可以通过在车辆的车身和前轴上各安装一个陀螺仪，计算两者之间的相对坐标并与车辆的速度信息进行融合来估算获得，但该方法同样成本较高；在理想的状况下，轮胎转角可以通过方向盘转角以及车辆传动比来计算；若在方向盘上安装编码器来读取方向盘转角，则通过传动比可以直接计算出轮胎转角；但在农机车辆实际作业的过程中，由于泄压和间隙问题的存在，方向盘转角与轮胎转角的关系存在不对应的状况：方向盘转角变化时，轮胎转角并未变化；农机车辆在使用过程中存在老化和磨损的问题，因此泄压和间隙的问题不可避免；当这两种问题存在时，使用方向盘转角和传动比无法获取准确的轮胎角度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于车辆轨迹的轮胎转角估算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于车辆轨迹的轮胎转角估算方法，估算方法包括：

S100：在车体上安装GNSS天线，在车辆方向盘的电机上安装编码器；

S200：根据GNSS位置坐标计算车辆的航向角；

S300：根据步骤S200计算得到的航向角得到航向角差值，根据所述航向角差值计算车体偏航角速率；

S400：根据车体运动学计算轮胎的绝对转角；

S500：读取车辆方向盘电机上编码器的数值，对该数值进行计算处理得到相应的编码器转角；再对编码器转角进行修正；

S600：当轮胎转角变化率大于设定阈值时使用卡尔曼滤波算法估算轮胎转角；

上述方法可以估算出轮胎转角的最优值，并且在转角变化率大的情况下给出最优估计，重复上述过程，即可在车辆正常作业的状态下持续的估算出轮胎转角。

进一步的，步骤S200包括：

S201：通过GNSS天线获取车体坐标东和坐标北的位置信息；

S202：根据步骤S201获取的位置信息得到车体坐标东的坐标差和车体坐标北的坐标差；

S203：根据公式计算车辆的航向角，公式为：ψ＝tan^-1(ΔE/ΔN)；其中，ψ表示航向角；ΔE表示车体坐标东的坐标差；ΔN表示车体坐标北的坐标差。

进一步的，在步骤S201中GNSS天线的采样频率为10Hz；在步骤S202中采用的是相隔固定时间间隔的数据来计算得到车体坐标东的坐标差和车体坐标北的坐标差，从而得到相隔固定时间间隔的车辆航向角；

通过设置GNSS天线的采样频率为10Hz，采用相隔固定时间间隔的数据来计算车体坐标东的坐标差和车体坐标北的坐标差可以在实际使用中减少噪声的影响，从而获得较为精确的计算结果。

进一步的，步骤S300中车体偏航角速率的计算公式为：其中，Δψ为航向角差；Δt为时间间隔；

与使用陀螺仪读取的Z轴角速率相比，使用车体轨迹计算的车体偏航角速率极大的减少了噪声，进而在后续的计算中提高了估算轮胎转角的精度。

进一步的，步骤S400包括：

S401：测量车辆的轴距，获取车辆的行驶速度；

S402：根据公式计算车体轮胎的绝对转角，公式为：其中，L为车辆的轴距；V为车辆的行驶速度；为车体偏航角速率。

进一步的，步骤S500包括：

S501：将读取到的车辆方向盘电机上编码器的数值除以车辆传动比获得基于方向盘转角的车辆的轮胎转角θ_e；

S502：将步骤S400中计算得到的车体轮胎的绝对转角θ_v与车辆的轮胎转角θ_e之间做差，可计算得到两者的差值Δθ＝θ_v-θ_e；

S503：对差值Δθ的前三秒数据做平均处理得到差值Δθ的前三秒数据的平均值，将平均值对编码器进行补偿，获取平滑的轮胎转角θ_t；

在进行轮胎转角计算的过程中总会有实验误差的产生，通过上述步骤可以减少由于实验误差带来的数据波动，从而使得对编码器进行补偿后得到的轮胎转角θ_t更为的精确。

进一步的，步骤S600：

S601：列出车辆状态空间方程，车辆状态空间方程如下：

其中，θ_r为估算轮胎转角；θ_t为对编码器进行补偿所得轮胎转角；τ为时间常数；u_r和u_t分别为θ_r和θ_t对应的噪声；

S602：列出车辆输出方程，输出方程如下：

其中，y为测量输出；

S603：将车辆状态空间方程和车辆输出方程进行离散化，分别得到车辆状态空间方程和车辆输出方程的离散方程：

其中，Δt为采样时间间隔，θ_r(k)代表k时刻的轮胎转角；

因为在轮胎转角变化率大于阈值的情况下，上述对编码器进行补偿的方法无法获得准确的轮胎转角，上述步骤可以对出现这种情况时进行适用，使得在轮胎转角变化率大于阈值的情况下给出最优估算。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过车辆的运动轨迹和车辆运动学来计算轮胎转角，将该转角与编码器读取的方向盘转角进行融合来估算轮胎转角；结合了基于车辆轨迹计算的轮胎转角长期稳定以及通过编码器计算的轮胎转角短期精度高的特点，能够在农机车辆正常作业的情况下提供精确、稳定性高的轮胎转角。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一种基于车辆轨迹的轮胎转角估算方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供技术方案：一种基于车辆轨迹的轮胎转角估算方法，估算方法包括：

S100：在车体上安装GNSS天线，在车辆方向盘的电机上安装编码器；

S200：根据GNSS位置坐标计算车辆的航向角；其中，步骤S200包括：

S201：通过GNSS天线获取车体坐标东和坐标北的位置信息；其中，在步骤S201中GNSS天线的采样频率为10Hz；在步骤S202中采用的是相隔固定时间间隔的数据来计算得到车体坐标东的坐标差和车体坐标北的坐标差，从而得到相隔固定时间间隔的车辆航向角；

S202：根据步骤S201获取的位置信息得到车体坐标东的坐标差和车体坐标北的坐标差；

S203：根据公式计算车辆的航向角，公式为：ψ＝tan^-1(ΔE/ΔN)；其中，ψ表示航向角；ΔE表示车体坐标东的坐标差；ΔN表示车体坐标北的坐标差；

S300：根据步骤S200计算得到的航向角得到航向角差值，根据航向角差值计算车体偏航角速率；其中，车体偏航角速率的计算公式为：其中，Δψ为航向角差；Δt为时间间隔；

S400：根据车体运动学计算轮胎的绝对转角；其中，步骤S400包括：

S401：测量车辆的轴距，获取车辆的行驶速度；

S402：根据公式计算车体轮胎的绝对转角，公式为：其中，L为车辆的轴距；V为车辆的行驶速度；为车体偏航角速率；

S500：读取车辆方向盘电机上编码器的数值，对该数值进行计算处理得到相应的编码器转角；再对编码器转角进行修正；其中，步骤S500包括：

S501：将读取到的车辆方向盘电机上编码器的数值除以车辆传动比获得基于方向盘转角的车辆的轮胎转角θ_e；

S502：将步骤S400中计算得到的车体轮胎的绝对转角θ_v与车辆的轮胎转角θ_e之间做差，可计算得到两者的差值Δθ＝θ_v-θ_e；

S503：对差值Δθ的前三秒数据做平均处理得到差值Δθ的前三秒数据的平均值，将平均值对编码器进行补偿，获取平滑的轮胎转角θ_t；

S600：当轮胎转角变化率大于设定阈值时使用卡尔曼滤波算法估算轮胎转角；

其中，步骤S600：

S601：列出车辆状态空间方程，车辆状态空间方程如下：

其中，θ_r为估算轮胎转角；θ_t为对编码器进行补偿所得轮胎转角；τ为时间常数；u_r和u_t分别为θ_r和θ_t对应的噪声；

S602：列出车辆输出方程，输出方程如下：

其中，y为测量输出；

S603：将车辆状态空间方程和车辆输出方程进行离散化，分别得到车辆状态空间方程和车辆输出方程的离散方程：

其中，Δt为采样时间间隔，θ_r(k)代表k时刻的轮胎转角。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。