專利名稱：被動(dòng)拖曳工具的自動(dòng)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及用于諸如精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用的被動(dòng)拖曳工具的控制。
背景技術(shù)：
美國(guó)的農(nóng)場(chǎng)主經(jīng)營(yíng)超過2百萬個(gè)農(nóng)場(chǎng)，其大約覆蓋10億英畝土地且每年可產(chǎn)出數(shù)千億美元的農(nóng)作物。農(nóng)場(chǎng)主每年在種子、肥料、化學(xué)品和燃料上花費(fèi)數(shù)百億美元?，F(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)較為復(fù)雜，精確性和效率可能對(duì)最終效益產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)USDA (美國(guó)農(nóng)業(yè)部)的數(shù)據(jù)，最有效率的25%的美國(guó)玉米種植者花費(fèi)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(fèi)3美元來種植相同量的玉米。農(nóng)場(chǎng)主提高效率的一種方法就是在耕作、噴藥和收割作業(yè)中避免不必要的重疊。換句話說，他們避免在相同的區(qū)域上使自己的拖拉機(jī)和設(shè)備駛過兩次。以80英畝的田地和在拖拉機(jī)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?？赏ㄟ^使用基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來引導(dǎo)拖拉機(jī)而達(dá)到這樣的精確性。諸如犁、松土機(jī)、圓盤、種植機(jī)、施肥機(jī)、條播機(jī)和其它設(shè)備的被動(dòng)拖曳農(nóng)具的精確控制還具有其它好處。它可以使機(jī)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(xué)品的數(shù)量，從而節(jié)省金錢和保護(hù)環(huán)境。通過將重型設(shè)備保持在精確軌道上可避免土壤壓實(shí)。GPS技術(shù)(以及基于如俄羅斯的GL0NASS和歐洲的GALILEO的其它全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的系統(tǒng))的進(jìn)步使得能夠非常準(zhǔn)確地沿預(yù)定路徑駕駛大型農(nóng)用拖拉機(jī)。在首次工作一年后，拖拉機(jī)可返回至田地并遵循在一英寸之內(nèi)的同樣的軌跡。但是，被動(dòng)拖曳工具的準(zhǔn)確性并沒有那么好。被動(dòng)拖曳工具沒有自己的轉(zhuǎn)向致動(dòng)器。被動(dòng)拖曳工具通過掛接裝置附接至拖拉機(jī)并且拖拉機(jī)拉動(dòng)其通過土地。該工具可能會(huì)由于多種原因，包括不對(duì)稱的負(fù)荷(例如一側(cè)的土地比另一側(cè)更難耕犁)或由于在斜坡上操作而導(dǎo)致的阻力，而偏離其預(yù)定路徑。熟練的拖拉機(jī)操作者能夠通過故意地操縱拖拉機(jī)離開期望路徑來補(bǔ)償偏離的工具，使得即使在拖拉機(jī)偏離工具時(shí)仍保持在路徑上。然而，盡管操作者盡了最大的努力，該手動(dòng)方法仍然是不精確的，其需要很長(zhǎng)的時(shí)間和移動(dòng)距離，并會(huì)導(dǎo)致操作者的疲勞。如果該“轉(zhuǎn)離”的技術(shù)是自動(dòng)化的且更精確時(shí)，則情況會(huì)更好?，F(xiàn)代拖拉機(jī)往往配備有基于GPS (或者，更一般地是GNSS)的自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠使得沿期望路徑以高準(zhǔn)確性駕駛拖拉機(jī)。此外，通常這類系統(tǒng)接受偏移命令。例如，可命令系統(tǒng)在所編程的路徑向左或向右特定英寸駕駛拖拉機(jī)。然后，拖拉機(jī)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(jī)和自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)。這些中的每一種均使用自己的控制策略和實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)確保大部分的拖拉機(jī)-自動(dòng)駕駛儀組合提供路徑跟蹤的準(zhǔn)確性以及對(duì)落入相對(duì)較窄的參數(shù)范圍內(nèi)的微移命令的響應(yīng)。盡管如此，在拖拉機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)響應(yīng)間的微小差異會(huì)影響被動(dòng)工具控制系統(tǒng)的性能。需要一種控制系統(tǒng)，其可保證被動(dòng)拖曳工具遵循其預(yù)定路徑并盡可能快地校正其相對(duì)于該路徑的偏離。該系統(tǒng)應(yīng)與自動(dòng)駕駛儀控制的拖拉機(jī)一致操作并包括一種用于測(cè)量拖拉機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)響應(yīng)的方式。這樣的系統(tǒng)將使有意操縱拖拉機(jī)離開路徑的累人且乏味的任務(wù)自動(dòng)化，從而將工具保持在路徑上并提高工具所遵循的實(shí)際路徑的準(zhǔn)確性。附圖簡(jiǎn)述

圖1圖示沿期望路徑的帶有掛接拖曳被動(dòng)工具的拖拉機(jī)。圖2A圖示對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛儀的階躍偏移輸入。圖2B圖示拖拉機(jī)對(duì)圖2A的輸入的響應(yīng)，其中該輸入包括拖拉機(jī)達(dá)到所要求偏移一半所需的時(shí)間t1/2。圖3A示出用于拖拉機(jī)-掛接裝置-工具系統(tǒng)的傳統(tǒng)模型。圖3B示出用于假想的拖拉機(jī)-掛接裝置-工具系統(tǒng)的模型，與真實(shí)世界系統(tǒng)相t匕，在該系統(tǒng)中的子系統(tǒng)順序已改變。圖4示出用于被動(dòng)拖曳工具的先進(jìn)控制系統(tǒng)，其中該被動(dòng)拖曳工具使用類似于Smith預(yù)測(cè)器的控制策略。圖5圖示對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛儀的階躍、脈沖、正弦和偽隨機(jī)輸入的實(shí)例。圖6A圖示對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛儀的脈沖輸入。圖6B圖示拖拉機(jī)對(duì)圖6A的輸入的響應(yīng)。圖1為用于引導(dǎo)被動(dòng)工具的方法的流程圖。圖8為用于引導(dǎo)被動(dòng)工具的方法的流程圖。圖9為用于引導(dǎo)被動(dòng)工具的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將描述一種用于被動(dòng)工具的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過以最佳方式指揮自動(dòng)駕駛儀控制的拖拉機(jī)偏離路徑而迫使被動(dòng)拖曳的工具位于期望路徑上。該系統(tǒng)縮短工具執(zhí)行與預(yù)定路徑的微移偏移所需的響應(yīng)時(shí)間。該控制系統(tǒng)可通過測(cè)量自動(dòng)駕駛儀控制的拖拉機(jī)對(duì)已知輸入的響應(yīng)來校準(zhǔn)其內(nèi)部拖拉機(jī)模型。被動(dòng)拖曳工具的路徑可能會(huì)由于包括工具上的不均衡負(fù)荷、斜坡地面或隨機(jī)擾動(dòng)的多種原因而偏離期望路徑。在此所描述的控制系統(tǒng)的任務(wù)之一就是要通過加速工具對(duì)微移命令的響應(yīng)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(dòng)工具的拖拉機(jī)。拖拉機(jī)100包括掛接點(diǎn)105，被動(dòng)拖曳工具110被附接至該掛接點(diǎn)105。虛線115指示期望路徑，拖拉機(jī)和工具要沿該路徑移動(dòng)。注意到在圖1中，拖拉機(jī)和工具都不在期望路徑上；而它們正機(jī)動(dòng)以試圖返回至該路徑。如位于拖拉機(jī)的后軸中點(diǎn)處的參考點(diǎn)所表示的拖拉機(jī)100的位置由連接至天線120的GNSS接收器測(cè)量。類似地，被動(dòng)拖曳工具110的位置由連接至天線125的GNSS接收器測(cè)量，其中天線125位于與掛接點(diǎn)相距L1的工具上的參考點(diǎn)處。拖拉機(jī)的軸距為L(zhǎng)tl且掛接點(diǎn)位于拖拉機(jī)后軸中點(diǎn)后距離為L(zhǎng)2處。工具上的天線的位置為受控點(diǎn)；即使其遵循期望的工具路徑的點(diǎn)。(當(dāng)然，工具上的其它點(diǎn)也可受控制以作為替換。)當(dāng)拖拉機(jī)將前進(jìn)方向改為移向新的偏移時(shí)，掛接點(diǎn)開始在相反的方向移動(dòng)?？赏ㄟ^閉型幾何關(guān)系對(duì)這種逆反應(yīng)建模。例如:掛接點(diǎn)相距期望路徑的偏移與拖拉機(jī)的偏移通過:xh=xt_L2sin V相關(guān)聯(lián)，其中Xh是掛接點(diǎn)的偏移，Xt是拖拉機(jī)的偏移且V是拖拉機(jī)的如進(jìn)方向。用于測(cè)量拖拉機(jī)和工具位置的GNSS接收器可利用校正，如由衛(wèi)星或地基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS或GBAS)提供的校正。SBAS的實(shí)例包括美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(FAAWAAS)、由歐洲航天局運(yùn)營(yíng)的歐洲地球同步導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)(EGN0S)、由日本國(guó)土交通省運(yùn)營(yíng)的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)(MSAS)以及由商業(yè)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的各種專有系統(tǒng)。GBAS的實(shí)例包括美國(guó)局域增強(qiáng)系統(tǒng)(LAAS)和各種歐洲差分GPS網(wǎng)絡(luò)?？赏ㄟ^使用涉及位于已測(cè)量位置的附近基站的所謂實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)技術(shù)來測(cè)量GNSS的載波相位而實(shí)現(xiàn)甚至更高的準(zhǔn)確性。例如，RTK允許厘米級(jí)的定位。在此所描述的先進(jìn)控制系統(tǒng)不取決于拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛儀的詳細(xì)知識(shí)。但是，控制系統(tǒng)包括測(cè)量自動(dòng)駕駛儀控制的拖拉機(jī)對(duì)已知輸入的響應(yīng)的能力。來自響應(yīng)測(cè)量的信息包括在控制系統(tǒng)的拖拉機(jī)模型當(dāng) 中。圖2A和2B給出了測(cè)量自動(dòng)駕駛儀控制的拖拉機(jī)的響應(yīng)的簡(jiǎn)單實(shí)例。圖2A示出了對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛儀的階躍偏移輸入；圖2B示出了拖拉機(jī)對(duì)圖2A輸入的響應(yīng)，包括使拖拉機(jī)達(dá)到所請(qǐng)求的偏移一半的所需的時(shí)間tl/2。在圖2A中，所請(qǐng)求的偏移(相對(duì)于期望路徑)與時(shí)間的圖在時(shí)間t0突然從0變化至Ax。圖2B顯示出該請(qǐng)求的結(jié)果。拖拉機(jī)不能執(zhí)行所請(qǐng)求的瞬時(shí)階躍偏移。其實(shí)際軌跡由虛線205表示。在簡(jiǎn)單的拖拉機(jī)模型中，無需對(duì)由虛線205所表示的拖拉機(jī)響應(yīng)的形狀進(jìn)行評(píng)估。恰恰相反，使拖拉機(jī)達(dá)到所請(qǐng)求的偏移一半的所需時(shí)間t1/2是所記錄的唯一參數(shù)。下面討論用于測(cè)量自動(dòng)駕駛儀控制的拖拉機(jī)響應(yīng)的更先進(jìn)技術(shù)。給定拖拉機(jī)的動(dòng)態(tài)的模型且已對(duì)拖拉機(jī)、掛接裝置和工具的幾何參數(shù)進(jìn)行特征化，便可設(shè)計(jì)用于操縱拖拉機(jī)的反饋控制模型。例如:拖拉機(jī)相對(duì)于期望路徑的微小偏離運(yùn)動(dòng)可表述如下:.
權(quán)利要求
1.一種方法，用于沿期望路徑引導(dǎo)被動(dòng)工具，其包括: 提供由具有微移輸入的自動(dòng)駕駛儀所引導(dǎo)的拖拉機(jī)； 引入對(duì)所述拖拉機(jī)的自動(dòng)駕駛儀的測(cè)試輸入； 提供被固定至所述工具的GNSS接收器； 經(jīng)由掛接裝置在所述拖拉機(jī)后面拖曳所述工具； 使用所述拖拉機(jī)-掛接裝置-工具系統(tǒng)的模型來將反饋提供至將微移輸入提供至所述自動(dòng)駕駛儀控制的拖拉機(jī)以及至所述模型的控制系統(tǒng)；其中， 所述模型估計(jì)相對(duì)于所述路徑的即時(shí)工具偏移； 布置所述模型內(nèi)的拖拉機(jī)、掛接裝置和工具元件，使得將來自所述控制系統(tǒng)的微移輸入直接應(yīng)用于所述工具元件； 所述模型的所述拖拉機(jī)元件包括從響應(yīng)于所述測(cè)試輸入的所述拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)的測(cè)量獲得的彳目息；且 所述控制系統(tǒng)的微移輸入使在實(shí)際工具路徑和所述期望路徑之間的差異最小化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)試輸入為階躍偏移，且從所述拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)的測(cè)量獲得的信息為使所述拖拉機(jī)達(dá)到一半所述階躍偏移所需的時(shí)間&/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)試輸入為階躍、脈沖或正弦輸入，且從所述拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)的測(cè)量獲得的信息為使運(yùn)動(dòng)最好地配合到傳遞函數(shù)的一組參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)試輸入為偽隨機(jī)序列，且所述拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)的測(cè)量與所述偽隨機(jī)序列交叉相關(guān)，以確定拖拉機(jī)的響應(yīng)函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用被固定至所述拖拉機(jī)的GNSS接收器獲得所述拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型的所述掛接裝置元件包括從所述掛接裝置至所述拖拉機(jī)后軸中點(diǎn)的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型的所述工具元件包括從所述工具的控制點(diǎn)至所述掛接裝置的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述GNSS接收器為使用SBAS校正的GPS接收器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中從FAAWAAS獲得所述SBAS校正。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述GNSS接收器為使用RTK定位的GPS接收器。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于被動(dòng)拖曳工具的自動(dòng)控制系統(tǒng)。所述系統(tǒng)提供了一種用于使用對(duì)自動(dòng)駕駛儀控制的拖拉機(jī)的微移輸入的拖曳工具的最優(yōu)控制的策略。如由GNSS接收器所測(cè)量的工具的路徑跟蹤誤差始終被校正為零。
文檔編號(hào)G05D1/02GK103080860SQ201180040088
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者G·阿拉爾, J·W·皮克, B·A·斯特朗格爾 申請(qǐng)人:天寶導(dǎo)航有限公司