被動拖曳工具的自動控制制造技術

本發明專利技術描述了一種用于被動拖曳工具的自動控制系統。所述系統提供了一種用于使用對自動駕駛儀控制的拖拉機的微移輸入的拖曳工具的最優控制的策略。如由GNSS接收器所測量的工具的路徑跟蹤誤差始終被校正為零。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本公開涉及用于諸如精確農業的應用的被動拖曳工具的控制。
技術介紹
美國的農場主經營超過2百萬個農場，其大約覆蓋10億英畝土地且每年可產出數千億美元的農作物。農場主每年在種子、肥料、化學品和燃料上花費數百億美元。現代農場的經營較為復雜，精確性和效率可能對最終效益產生顯著影響。根據USDA (美國農業部)的數據，最有效率的25%的美國玉米種植者花費大約I美元來種植一蒲式耳玉米，而效率最低的25%的種植者則花費3美元來種植相同量的玉米。農場主提高效率的一種方法就是在耕作、噴藥和收割作業中避免不必要的重疊。換句話說，他們避免在相同的區域上使自己的拖拉機和設備駛過兩次。以80英畝的田地和在拖拉機后被拖曳的44英尺寬的噴霧器為例，以一系列的重疊軌道將噴霧器拖過田地。如果相鄰噴霧器軌道間的重疊從兩英尺減少到四英寸，則能減少4英畝的噴霧。可通過使用基于全球定位系統(GPS)的轉向系統來引導拖拉機而達到這樣的精確性。諸如犁、松土機、圓盤、種植機、施肥機、條播機和其它設備的被動拖曳農具的精確控制還具有其它好處。它可以使機械在黑暗或充滿灰塵的條件下的操作更加容易。操作者可以開得更快并減少駕駛壓力。還可減少所使用的燃料和化學品的數量，從而節省金錢和保護環境。通過將重型設備保持在精確軌道上可避免土壤壓實。GPS技術(以及基于如俄羅斯的GL0NASS和歐洲的GALILEO的其它全球導航衛星系統(GNSS)的系統)的進步使得能夠非常準確地沿預定路徑駕駛大型農用拖拉機。在首次工作一年后，拖拉機可返回至田地并遵循在一英寸之內的同樣的軌跡。但是，被動拖曳工具的準確性并沒有那么好。被動拖曳工具沒有自己的轉向致動器。被動拖曳工具通過掛接裝置附接至拖拉機并且拖拉機拉動其通過土地。該工具可能會由于多種原因，包括不對稱的負荷(例如一側的土地比另一側更難耕犁)或由于在斜坡上操作而導致的阻力，而偏離其預定路徑。熟練的拖拉機操作者能夠通過故意地操縱拖拉機離開期望路徑來補償偏離的工具，使得即使在拖拉機偏離工具時仍保持在路徑上。然而，盡管操作者盡了最大的努力，該手動方法仍然是不精確的，其需要很長的時間和移動距離，并會導致操作者的疲勞。如果該“轉離”的技術是自動化的且更精確時，則情況會更好。現代拖拉機往往配備有基于GPS (或者，更一般地是GNSS)的自動駕駛儀系統。這些系統能夠使得沿期望路徑以高準確性駕駛拖拉機。此外，通常這類系統接受偏移命令。例如，可命令系統在所編程的路徑向左或向右特定英寸駕駛拖拉機。然后，拖拉機平行于所編程的路徑但與其偏移地行使。這樣的橫向偏移稱為“微移”。不同制造商提供各種各樣的拖拉機和自動駕駛儀系統。這些中的每一種均使用自己的控制策略和實現。市場的競爭確保大部分的拖拉機-自動駕駛儀組合提供路徑跟蹤的準確性以及對落入相對較窄的參數范圍內的微移命令的響應。盡管如此，在拖拉機-自動駕駛儀系統響應間的微小差異會影響被動工具控制系統的性能。需要一種控制系統，其可保證被動拖曳工具遵循其預定路徑并盡可能快地校正其相對于該路徑的偏離。該系統應與自動駕駛儀控制的拖拉機一致操作并包括一種用于測量拖拉機-自動駕駛儀系統響應的方式。這樣的系統將使有意操縱拖拉機離開路徑的累人且乏味的任務自動化，從而將工具保持在路徑上并提高工具所遵循的實際路徑的準確性。附圖簡述附圖說明圖1圖示沿期望路徑的帶有掛接拖曳被動工具的拖拉機。圖2A圖示對拖拉機自動駕駛儀的階躍偏移輸入。圖2B圖示拖拉機對圖2A的輸入的響應，其中該輸入包括拖拉機達到所要求偏移一半所需的時間t1/2。圖3A示出用于拖拉機-掛接裝置-工具系統的傳統模型。圖3B示出用于假想的拖拉機-掛接裝置-工具系統的模型，與真實世界系統相t匕，在該系統中的子系統順序已改變。圖4示出用于被動拖曳工具的先進控制系統，其中該被動拖曳工具使用類似于Smith預測器的控制策略。圖5圖示對拖拉機自動駕駛儀的階躍、脈沖、正弦和偽隨機輸入的實例。圖6A圖示對拖拉機自動駕駛儀的脈沖輸入。圖6B圖示拖拉機對圖6A的輸入的響應。圖1為用于引導被動工具的方法的流程圖。圖8為用于引導被動工具的方法的流程圖。圖9為用于引導被動工具的方法的流程圖。具體實施例方式現在將描述一種用于被動工具的控制系統。該系統可通過以最佳方式指揮自動駕駛儀控制的拖拉機偏離路徑而迫使被動拖曳的工具位于期望路徑上。該系統縮短工具執行與預定路徑的微移偏移所需的響應時間。該控制系統可通過測量自動駕駛儀控制的拖拉機對已知輸入的響應來校準其內部拖拉機模型。被動拖曳工具的路徑可能會由于包括工具上的不均衡負荷、斜坡地面或隨機擾動的多種原因而偏離期望路徑。在此所描述的控制系統的任務之一就是要通過加速工具對微移命令的響應而使工具與期望路徑的偏離最小化。圖1圖示沿期望路徑帶有掛接拖曳被動工具的拖拉機。拖拉機100包括掛接點105，被動拖曳工具110被附接至該掛接點105。虛線115指示期望路徑，拖拉機和工具要沿該路徑移動。注意到在圖1中，拖拉機和工具都不在期望路徑上；而它們正機動以試圖返回至該路徑。如位于拖拉機的后軸中點處的參考點所表示的拖拉機100的位置由連接至天線120的GNSS接收器測量。類似地，被動拖曳工具110的位置由連接至天線125的GNSS接收器測量，其中天線125位于與掛接點相距L1的工具上的參考點處。拖拉機的軸距為Ltl且掛接點位于拖拉機后軸中點后距離為L2處。工具上的天線的位置為受控點；即使其遵循期望的工具路徑的點。(當然，工具上的其它點也可受控制以作為替換。)當拖拉機將前進方向改為移向新的偏移時，掛接點開始在相反的方向移動。可通過閉型幾何關系對這種逆反應建模。例如:掛接點相距期望路徑的偏移與拖拉機的偏移通過:xh=xt_L2sin V相關聯，其中Xh是掛接點的偏移，Xt是拖拉機的偏移且V是拖拉機的如進方向。用于測量拖拉機和工具位置的GNSS接收器可利用校正，如由衛星或地基增強系統(SBAS或GBAS)提供的校正。SBAS的實例包括美國聯邦航空管理局的廣域增強系統(FAAWAAS)、由歐洲航天局運營的歐洲地球同步導航覆蓋系統(EGN0S)、由日本國土交通省運營的多功能衛星增強系統(MSAS)以及由商業企業運營的各種專有系統。GBAS的實例包括美國局域增強系統(LAAS)和各種歐洲差分GPS網絡。可通過使用涉及位于已測量位置的附近基站的所謂實時動態(RTK)技術來測量GNSS的載波相位而實現甚至更高的準確性。例如，RTK允許厘米級的定位。在此所描述的先進控制系統不取決于拖拉機自動駕駛儀的詳細知識。但是，控制系統包括測量自動駕駛儀控制的拖拉機對已知輸入的響應的能力。來自響應測量的信息包括在控制系統的拖拉機模型當 中。圖2A和2B給出了測量自動駕駛儀控制的拖拉機的響應的簡單實例。圖2A示出了對拖拉機自動駕駛儀的階躍偏移輸入；圖2B示出了拖拉機對圖2A輸入的響應，包括使拖拉機達到所請求的偏移一半的所需的時間tl/2。在圖2A中，所請求的偏移(相對于期望路徑)與時間的圖在時間t0突然從0變化至Ax。圖2B顯示出該請求的結果。拖拉機不能執行所請求的瞬時階躍偏移。其實際軌跡由虛線205表示。在簡單的拖拉機模型中，無需對由虛線205所表示的拖拉機響應的形狀進行評估。恰恰相本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.08.25 US 12/868,6261.一種方法，用于沿期望路徑引導被動工具，其包括: 提供由具有微移輸入的自動駕駛儀所引導的拖拉機； 引入對所述拖拉機的自動駕駛儀的測試輸入； 提供被固定至所述工具的GNSS接收器； 經由掛接裝置在所述拖拉機后面拖曳所述工具； 使用所述拖拉機-掛接裝置-工具系統的模型來將反饋提供至將微移輸入提供至所述自動駕駛儀控制的拖拉機以及至所述模型的控制系統；其中， 所述模型估計相對于所述路徑的即時工具偏移； 布置所述模型內的拖拉機、掛接裝置和工具元件，使得將來自所述控制系統的微移輸入直接應用于所述工具元件； 所述模型的所述拖拉機元件包括從響應于所述測試輸入的所述拖拉機的運動的測量獲得的彳目息；且 所述控制系統的微移輸入使在實際工具路徑和所述期望路徑之間的差異最小化。2.根據權利要求1所述的方法，其中所述測試輸入為階躍偏移，且從所述拖拉機的運動的測量獲得的信息為使所述拖...

【專利技術屬性】
技術研發人員：G·阿拉爾，J·W·皮克，B·A·斯特朗格爾，
申請(專利權)人：天寶導航有限公司，
類型：
國別省市：