農(nóng)用自動(dòng)駕駛儀轉(zhuǎn)向補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br>【專利說明】農(nóng)用自動(dòng)駕駛儀轉(zhuǎn)向補(bǔ)償
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)涉及2012年9月10日提交的名稱為“農(nóng)用自動(dòng)駕駛儀轉(zhuǎn)向補(bǔ)償”的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/608，844并且要求該專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及農(nóng)用自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制。
【背景技術(shù)】
[0004]由自動(dòng)駕駛儀引導(dǎo)的農(nóng)用車輛被認(rèn)為是高效農(nóng)田作業(yè)的必需品。與人相比，自動(dòng)駕駛儀實(shí)施更精確的駕駛，并且永遠(yuǎn)不會(huì)變疲憊。自動(dòng)駕駛儀提高了耕種、播種、噴藥、收割以及其它作業(yè)的精度，并且降低了這些作業(yè)的成本。
[0005]農(nóng)用自動(dòng)駕駛儀從人類操作員手中接管了轉(zhuǎn)向操縱的任務(wù)。農(nóng)用自動(dòng)駕駛儀可操作液壓控制閥門以致動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，或者可直接轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。農(nóng)田拖拉機(jī)中使用的典型的自動(dòng)駕駛儀通過操縱拖拉機(jī)的可轉(zhuǎn)向前輪來沿著預(yù)編程路徑引導(dǎo)該拖拉機(jī)。
[0006]如果可轉(zhuǎn)向輪的牽引力(抓地力)喪失，則自動(dòng)駕駛儀的性能下降。當(dāng)車輪上的重量不足時(shí)、當(dāng)車輪下方的地面濕或滑時(shí)，或者當(dāng)在斜坡上作業(yè)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。如果拖拉機(jī)持續(xù)向坡下偏移或滑移，那么山坡作業(yè)會(huì)變得尤為令人苦惱。雖然增加重量能夠改善牽引力，但是增加過多重量也會(huì)導(dǎo)致不希望的土壤壓實(shí)。
[0007]即使在具有良好的牽引力的情況下，拖拉機(jī)有時(shí)也無法拐出如所期望那樣急的轉(zhuǎn)彎。舉例來說，當(dāng)拖拉機(jī)在田端掉頭時(shí)，拖拉機(jī)經(jīng)常無法借助單次、平滑的轉(zhuǎn)向拐過急的轉(zhuǎn)彎以便從一個(gè)作業(yè)行列(田壟)轉(zhuǎn)移到與之相鄰的另一個(gè)作業(yè)行列。環(huán)狀掉頭(Loopingturnaround)操作(鑰匙孔式轉(zhuǎn)向(key hole turn))或倒車?yán)速M(fèi)時(shí)間并且浪費(fèi)可用的農(nóng)田面積。
[0008]因此，與人類操作員相比，盡管自動(dòng)駕駛儀能夠在拖拉機(jī)(或其它農(nóng)用車輛)的車輪的全范圍內(nèi)更快且更精確地操縱車輪的轉(zhuǎn)向，但鑒于欠理想的牽引力或機(jī)械轉(zhuǎn)向限制，自動(dòng)駕駛儀不能保證始終精確地跟隨預(yù)編程路徑(沿著預(yù)編程路徑前進(jìn))。需要一種能夠克服這些問題而精確地引導(dǎo)拖拉機(jī)的拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛儀。
【附圖說明】
[0009]圖1是拖拉機(jī)的俯視圖，其中示出了由自動(dòng)駕駛儀監(jiān)測(cè)到的各種參數(shù)。
[0010]圖2是拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)的框圖。
[0011]圖3是向拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪提供差動(dòng)(differential)扭矩的系統(tǒng)的示意圖。
[0012]圖4示出了能夠用最大實(shí)際轉(zhuǎn)向角度跟隨的路徑和無法用最大實(shí)際轉(zhuǎn)向角度跟隨的路徑。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下文所述的農(nóng)用自動(dòng)駕駛儀轉(zhuǎn)向補(bǔ)償系統(tǒng)和方法使用差動(dòng)(不同)驅(qū)動(dòng)輪扭矩輸入來增強(qiáng)常規(guī)轉(zhuǎn)向。這使得即使當(dāng)常規(guī)的轉(zhuǎn)向能力因可轉(zhuǎn)向輪的牽引力弱而減小時(shí)，農(nóng)用自動(dòng)駕駛儀也能夠沿著期望的路徑精確地引導(dǎo)車輪。另外，與通過操縱常規(guī)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置所實(shí)施的轉(zhuǎn)向校正相比，差動(dòng)扭矩允許自動(dòng)駕駛儀實(shí)施更快的轉(zhuǎn)向校正。最后，與單獨(dú)采用輪轉(zhuǎn)向相比，差動(dòng)扭矩使得能夠?qū)崿F(xiàn)更急的轉(zhuǎn)彎。
[0014]下文所述的系統(tǒng)和方法適用于廣義的農(nóng)用車輛。因此，為了方便起見，使用術(shù)語“拖拉機(jī)”來表示拖拉機(jī)、收割機(jī)、自行式噴灑機(jī)，等等。
[0015]圖1是拖拉機(jī)的俯視圖，其中示出了由自動(dòng)駕駛儀監(jiān)測(cè)到的各種參數(shù)。在圖1中，拖拉機(jī)105被引導(dǎo)以便沿著預(yù)編程路徑110移動(dòng)。從該路徑到拖拉機(jī)上的參考點(diǎn)107的垂直距離被稱為軌跡橫向誤差(cross-track error)，XTE或ΔΧ。當(dāng)參考點(diǎn)與路徑重合時(shí)，ΔΧ = Oo前進(jìn)方向(航向)誤差ΦΕ_Κ是拖拉機(jī)的前進(jìn)方向與預(yù)編程路徑的方向之間的角度差。如果拖拉機(jī)的前進(jìn)方向與路徑平行，則ΦΕΚ.=0。轉(zhuǎn)向角度α是拖拉機(jī)的前進(jìn)方向與可轉(zhuǎn)向輪之間的角度。當(dāng)可轉(zhuǎn)向輪筆直朝前時(shí)，a =Oo拖拉機(jī)105具有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪 120 和 122。
[0016]如下文所述，自動(dòng)駕駛儀可獨(dú)立地增大或減小各驅(qū)動(dòng)輪上的扭矩。例如，為了輔助向前右轉(zhuǎn)彎，可增大左輪120上的扭矩以促進(jìn)左輪120的正轉(zhuǎn)，并且減小右輪122上的扭矩以減緩右輪122正轉(zhuǎn)。由此，自動(dòng)駕駛儀控制驅(qū)動(dòng)輪扭矩以便增強(qiáng)常規(guī)轉(zhuǎn)向。
[0017]將差動(dòng)輪扭矩控制對(duì)轉(zhuǎn)向的影響概念化的一種方式是考慮有效轉(zhuǎn)向角度。當(dāng)在具有良好牽引力的路面(例如水平、干燥的公路)上行駛時(shí)，有效轉(zhuǎn)向角度與實(shí)際轉(zhuǎn)向角度α相同。然而，當(dāng)拖拉機(jī)的可轉(zhuǎn)向輪的牽引力降低時(shí)，有效轉(zhuǎn)向角度可能不是操作員所預(yù)期或期望的角度。有效轉(zhuǎn)向角度是這樣的角度:如果實(shí)踐中在良好的牽引條件下實(shí)現(xiàn)了這一角度，則其使得拖拉機(jī)軌跡具有與實(shí)際軌跡相同的曲率。有效轉(zhuǎn)向角度可以小于α (例如，比預(yù)期更緩地轉(zhuǎn)彎)或者大于α (例如，在可轉(zhuǎn)向輪筆直向前的情況下滑移)。在使各驅(qū)動(dòng)輪加速或減速的差動(dòng)扭矩的輔助下，可以對(duì)有效轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行控制。例如，當(dāng)使有效轉(zhuǎn)向角度大于α?xí)r，可以實(shí)現(xiàn)比正常轉(zhuǎn)彎更急的轉(zhuǎn)彎。因此，自動(dòng)駕駛儀可以使用差動(dòng)扭矩來增強(qiáng)常規(guī)轉(zhuǎn)向，以此獲得能使軌跡與期望路徑的曲率相匹配的有效轉(zhuǎn)向角度。
[0018]差動(dòng)扭矩和由之產(chǎn)生的有效轉(zhuǎn)向角度對(duì)于下述三個(gè)目的來說是有益的:1.減小前進(jìn)方向誤差和軌跡橫向誤差，i1.以比常規(guī)轉(zhuǎn)向變化速率所允許的情況更快地改變車輛的前進(jìn)方向，ii1.使常規(guī)車輪轉(zhuǎn)向在達(dá)到機(jī)械極限時(shí)還能轉(zhuǎn)更急的彎(即，增大轉(zhuǎn)彎曲率
[0019]自動(dòng)駕駛儀采用將前進(jìn)方向誤差和軌跡橫向誤差最小化的控制系統(tǒng)。對(duì)測(cè)量出的誤差進(jìn)行數(shù)字濾波并且將校正信號(hào)施加到轉(zhuǎn)向致動(dòng)器上，以便朝向預(yù)編程路徑來引導(dǎo)車輛?？梢允褂貌顒?dòng)驅(qū)動(dòng)輪扭矩作為附加的轉(zhuǎn)向致動(dòng)器來引導(dǎo)車輛?？稍谡`差超過閾值時(shí)施加扭矩，或者可根據(jù)誤差大小的函數(shù)來施加扭矩；例如，可以與誤差成比例地施加扭矩。為了校正固有誤差(例如，在山坡作業(yè)期間的下坡偏移(downhill drift))，可以與軌跡橫向誤差和/或前進(jìn)方向誤差的時(shí)間積分成比例地施加扭矩。作為選擇，為了校正突發(fā)誤差(例如，突發(fā)性滑移)，可以與軌跡橫向誤差和/或前進(jìn)方向誤差的時(shí)間微分成比例地施加扭矩。換句話說，可以用將相對(duì)于預(yù)編程路徑的軌跡橫向誤差和/或前進(jìn)方向誤差最小化的比例-積分-微分(PID)反饋回路來控制輔助常規(guī)轉(zhuǎn)向的差動(dòng)扭矩的施加。
[0020]當(dāng)自動(dòng)駕駛儀依靠操縱可轉(zhuǎn)向輪來改變車輛的前進(jìn)方向時(shí)，改向加速度部分地受限于車輪能夠以多快的速度改變轉(zhuǎn)向角度α。例如，從極左轉(zhuǎn)向到極右轉(zhuǎn)向的過渡可能花費(fèi)數(shù)秒鐘。(α的改變速率可被稱為轉(zhuǎn)向變化速率)。當(dāng)能夠利用差動(dòng)扭矩作為轉(zhuǎn)向致動(dòng)器時(shí)，可以比單獨(dú)借助實(shí)際轉(zhuǎn)向角度改變(actual steering angle changes)更快地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)方向的改變。換句話說，有效轉(zhuǎn)向角度可以比實(shí)際轉(zhuǎn)向角度改變得更快。
[0021]作為轉(zhuǎn)向致動(dòng)器的差動(dòng)扭矩使得轉(zhuǎn)向角度改變得更快，但是這一操縱性能的提高的代價(jià)是轉(zhuǎn)向所用的能量更多。簡(jiǎn)單的差動(dòng)扭矩系統(tǒng)可以僅包括差動(dòng)制動(dòng)。制動(dòng)實(shí)施得越頻繁，保持拖拉機(jī)以期望的速度移動(dòng)所需的能量就越多。更先進(jìn)的差動(dòng)扭矩系統(tǒng)可以經(jīng)由電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)來增大和減小車輪扭矩。通過減慢內(nèi)側(cè)車輪而產(chǎn)生的能量可用于為外側(cè)車輪增大扭矩。這比單獨(dú)實(shí)施制動(dòng)更加有效，但是不能消除差動(dòng)扭矩系統(tǒng)所需要的能量。一般來說，多大程度及多么頻繁地使用差動(dòng)扭矩來增強(qiáng)常規(guī)的車輪轉(zhuǎn)向取決于針對(duì)具體應(yīng)用的系統(tǒng)調(diào)教。
[0022]拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛儀可以被接合，S卩，由自動(dòng)駕駛儀主動(dòng)地沿著路徑引導(dǎo)拖拉機(jī)；或者被脫開，即，允許操作員進(jìn)行手動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。(為了安全，操作員一