Патент на изобретение №2331847

(54) КОМПЕНСАЦИОННАЯ СИСТЕМА СИСТЕМЫ КООРДИНАТ СУХОПУТНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в компенсационном блоке системы координат сухопутного транспортного средства. Технический результат – расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата компенсационный блок (122) системы координат соединен с приемником (102) глобальной системы позиционирования. При этом компенсационный блок (122) обеспечивает коррекцию координат контролируемого объекта на основе данных глобальной системы позиционирования и измерительных данных о направлении движения объекта, имеющего средства для измерения угла рыскания (116). Предлагается выполнять систему позиционирования с возможностью компенсации угла рыскания сухопутного транспортного средства. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к компенсационной системе системы координат сухопутного транспортного средства, при этом компенсационная система соединена с приемником системы определения координат, который выполнен с возможностью подачи в компенсационную систему системы координат информации о положении и направлении, базирующейся на глобальной системе определения координат, и со средствами для измерения угла рыскания сухопутного транспортного средства.

Недостаток навигационных систем, основывающихся на глобальной системе позиционирования (в последующем GPS), применяемых в сухопутных транспортных средствах, состоит в том, что приемник GPS таких систем может определять лишь место установки антенны GPS. В большинстве сухопутных транспортных средств место установки антенны выбирается таким образом, чтобы антенна имела свободное направление в небо и тем самым к спутникам GPS. Эта позиция, к сожалению, как правило, не является желаемой точкой отсчета (например, сцепкой трактора, осью сухопутного транспортного средства, точкой под сцепкой трактора или т.п.). Поэтому определяемые с помощью GPS позиция и направление движения сухопутного транспортного средства являются неправильными, если транспортное средство пересекает неровную местность (такую как местность с уклоном, холмами, ложбинами и т.п.), что может приводить к проезду несколько раз по одной полосе или к ошибкам в направлении.

Для расчета позиции желаемой точки отсчета необходимо выполнять точное измерение пространственной ориентации (выравнивания) сухопутного транспортного средства относительно системы координат, в которой осуществляется навигация. Исходной идеей для измерения выравнивания сухопутного транспортного средства (смотри ЕР 0845198 А) является установка на транспортном средстве нескольких антенн для GPS в фиксированном известном расположении. Когда производятся точные измерения с помощью GPS, можно использовать относительные положения антенн, определяемые в одном цикле сканирования навигационной системы, для вычисления ориентации (позиции, выравнивания и направления движения) всего сухопутного транспортного средства. Навигационная система, работающая в соответствии с этой исходной идеей, требовала бы нескольких приемников GPS и поэтому была бы слишком дорогой.

В качестве альтернативного решения можно применять инерциальную систему в комбинации с GPS (смотри US 6445983 В). При этой исходной идее инерциальная система определяет первичную информацию о позиции и направлении для осуществления движения или управления сухопутным транспортным средством. Затем используется поставляемая от GPS информация, для того чтобы корректировать отклонение первичной информации о позиции и направлении. Инерциальные системы содержат гироскопы для измерения угла крена, угла рыскания и угла наклона и могут иметь измеритель ускорения для улучшения точности измеряемой гироскопами информации. Такие инерциальные системы должны работать относительно точно и поэтому являются слишком дорогими для многих применений, так же как системы с несколькими антеннами.

Кроме того, было предложено (US 5987371 A, US 6345231 В) определять в сухопутных транспортных средствах позицию опорной точки в зависимости от позиции антенны GPS и матрицы пересчета, в которую входят боковой наклон транспортного средства и/или наклон транспортного средства в направлении движения и ориентация транспортного средства в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси поворота (угол рыскания). Три указанные величины измеряют с помощью подходящих датчиков, например компаса для угла рыскания, и измерителей наклона для наклонов. Если должно выполняться автоматическое управление, то угол направления определяют на основании отклонений опорной точки и выравнивания транспортного средства относительно заданного пути. В этом случае выполняется дополнительная оценка лишь информации о позиции антенны GPS, в то время как информацию о направлении выводят из сигналов датчиков.

В другой навигационной системе (смотри US 6236916 В) позицию и направление сухопутного транспортного средства определяют с помощью антенны GPS. Боковой угол наклона (угол крена) измеряют с помощью датчика и используют для корректировки позиции, определенной с помощью антенны GPS. Имеется также отдельный датчик для направления движения, сигналы которого подаются в систему автоматического управления для обеспечения устойчивого управления. В данном случае информация о позиции и направлении, поступающая от антенны GPS, корректируется с помощью измеренного угла крена. Определение направления с помощью сигналов GPS возможно лишь тогда, когда транспортное средство находится в движении.

Положенная в основу изобретения задача состоит в создании навигационной системы, в которой с помощью инерциальной системы обеспечивается улучшение получаемой с приемника глобальной системы определения координат навигационной информации, такой как позиция, направление и расстояние между колеями, для предотвращения погрешностей, которые обуславливаются изменением ориентации сухопутного транспортного средства (например, креном и рысканием) на неровной местности, которая однако не нуждается в полной точности гироскопов и измерителей ускорения обычных инерциальных систем.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью признаков пунктов 1 и 12 формулы изобретения, при этом в других пунктах формулы изобретения приведены признаки, которые предпочтительно модифицируют решение.

Данное изобретение относится к компенсационной системе системы координат для сухопутного транспортного средства, в частности сельскохозяйственного транспортного средства, такого как трактор, зерноуборочный комбайн, ороситель, хлопкоуборочная машина или т.п. Компенсационная система системы координат выполняет компенсацию информации, получаемой из глобальной системы позиционирования, такой как позиция, направление, шаг колеи и т.п., с целью компенсации погрешностей, которые обуславливаются изменениями ориентации сухопутного транспортного средства на неровной местности. Таким образом повышается точность определения положения без ненужных затрат.

Компенсационная система системы координат соединена с приемником глобальной системы позиционирования, который принимает позиционный сигнал глобальной системы позиционирования (как правило, спутниковой), и получает из него навигационную информацию, включая позицию (например, долготу и широту) и направление сухопутного транспортного средства. Информацию о направлении можно получать из принятых сигналов на основании эффекта Доплера или же из двух последовательно определенных позиций. Компенсационная система системы координат заменяет определенные приемником системы определения координат позицию и направление скорректированной позицией и скорректированным направлением, которые скорректированы относительно угла рыскания и предпочтительно также угла крена транспортного средства с целью получения скорректированной навигационной информации, которая может служить для навигации или автоматического управления сухопутным транспортным средством.

Кроме того, компенсационная система системы координат может определять уклон неровной местности. Величину уклона можно использовать для определения эффективной ширины колеи соединенного с сухопутным транспортным средством (например, буксируемого или укрепленного на нем) рабочего устройства.

Ниже приводится подробное описание примера выполнения, представленного на чертежах, на которых изображено:

фиг.1 – укрупненная блок-схема навигационной системы согласно изобретению;

фиг.2 – подробная блок-схема навигационной системы согласно изобретению, которая основана на приемнике глобальной системы позиционирования и взаимодействует с компенсационной системой системы координат;

фиг.3 – сухопутное транспортное средство, которое пересекает неровную местность и в котором используется навигационная система, согласно изобретению, на виде сбоку;

фиг.4 – сухопутное транспортное средство, показанное на фиг.3, с дополнительной иллюстрацией воздействия угла крена сухопутного транспортного средства на его позицию, на виде спереди;

фиг.5 – сухопутное транспортное средство, показанное на фиг.3, с дополнительной иллюстрацией воздействия угла рыскания сухопутного транспортного средства на направление его движения, на виде сверху;

фиг.6 – блок-схема компенсационной системы системы координат, показанной на фиг.2 навигационной системы;

фиг.7 – сухопутное транспортное средство, показанное на фиг.3, с дополнительной иллюстрацией воздействия уклона пересекаемой сухопутным транспортным средством местности на эффективную рабочую ширину буксируемого сухопутным транспортным средством рабочего устройства, на виде сверху;

фиг.8 – схема взаимосвязи между эффективной рабочей шириной сухопутного транспортного средства или буксируемого им рабочего устройства и уклоном пересекаемой сухопутным транспортным средством местности;

фиг.9 – графическая схема способа для улучшения информации о позиции и направлении, основанного на глобальной системе позиционирования и применяемого в навигационной системе сухопутного транспортного средства, при этом происходит компенсация информации о позиции и направлении относительно угла крена и угла рыскания, когда сухопутное транспортное средство пересекает неровную местность.

На фиг.1 и 2 показан пример выполнения навигационной системы 100 согласно изобретению, которая основана на глобальной системе позиционирования. Навигационная система 100 обеспечивает основанную на глобальной системе позиционирования навигацию и/или управление сухопутным транспортным средством 116 (смотри фиг.3), в частности сельскохозяйственным сухопутным транспортным средством, таким как зерноуборочный комбайн, ороситель, хлопкоуборочная машина, полевой измельчитель или т.п., когда сухопутное транспортное средство 116 движется по дороге или по борозде в поле. В навигационной системе 100 можно использовать компенсацию системы координат для корректировки полученных из глобальной системы позиционирования навигационных параметров, таких как позиция (т.е. долгота и широта) и направление, относительно погрешностей, которые обуславливаются изменениями ориентации сухопутного транспортного средства 116 (т.е. креном и рысканием сухопутного транспортного средства 116), когда оно движется по неровной местности. Навигационная система 100 может быть также выполнена с возможностью определения эффективного шага колеи сухопутного транспортного средства 116 или буксируемого им рабочего устройства за счет измерения уклона пересекаемой сухопутным транспортным средством местности.

Показанный на фиг.1 вариант выполнения содержит навигационную систему 100, приемник 102 глобальной системы позиционирования и систему 104 управления навигацией, которые соединены друг с другом системой 106 шин. Приемник 102 глобальной системы позиционирования принимает позиционные сигналы глобальной системы позиционирования и создает основанную на глобальной системе позиционирования навигационную информацию, включая позицию (т.е. долготу и широту), направление, скорость, время и т.п., для применения в системе 104 управления навигацией и в других компонентах навигационной системы 100. Согласно примерам выполнения приемник 102 глобальной системы позиционирования принимает позиционные сигналы глобальной системы позиционирования (GPS), космической системы радионавигации, которая развернута ВВС США для правительства США. Следует, однако, отметить, что приемник 102 глобальной системы позиционирования в качестве альтернативного решения или дополнительно к этому может быть выполнен с возможностью применения с другими радионавигационными, соответственно глобальными, системами позиционирования, такими как развернутая российской космической организацией для Российской Федерации спутниковая навигационная система Глонас или будущая европейская система Галилей. Согласно вариантам выполнения изобретения приемник 102 глобальной системы позиционирования может быть также выполнен с возможностью приема и использования улучшенной позиционной информации, которую поставляют дифференциальные глобальные системы позиционирования и поверхностные дифференциальные глобальные системы позиционирования (WADGPS), такие как разработанная фирмой Deere & Company of Moline, Иллинойс, США система Starfire-WDGPS или созданная федеральным управлением авиации правительства США расширенная глобальная система (WAAS). В таких вариантах выполнения приемник 102 глобальной системы позиционирования может содержать радиоприемник для приема дифференциальной информации коррекции погрешностей или же может быть соединен с ним.

Система 104 управления навигацией использует выдаваемую приемником 102 глобальной системы позиционирования навигационную информацию для выдачи оператору сухопутного транспортного средства 116 информации навигации или управления. Система 104 управления навигацией дополнительно использует информацию для управления устройствами 108 рулевого управления, которые направляют сухопутное транспортное средство 116 вдоль желаемого пути или по желаемой колее, если используется автоматическое управление. Например, навигационная система 104 в сельскохозяйственных вариантах выполнения изобретения (в которых навигационная система 104 используется в сельскохозяйственных транспортных средствах, таких как тракторы, зерноуборочные комбайны, оросители, хлопкоуборочные машины или т.п.) может быть выполнена с возможностью осуществления навигации и, не обязательно, направления сухопутного транспортного средства 116 вдоль по существу параллельных путей или борозд в поле с целью выполнения в поле обработки почвы, внесения химикалий, таких как гербициды или пестициды для растений, которые растут на поле, снятия урожая растений и т.п. Эти борозды предпочтительно имеют ширину (W), которая соответствует ширине приводимого в движение сухопутным транспортным средством 116 рабочего устройства 120, и находятся на таком расстоянии друг от друга, что они проходят по существу параллельно и по касательной друг к другу для исключения огрехов или двойных проходов при обработке поля.

В варианте выполнения навигационной системы 100, при котором обеспечивается автоматическое управление, датчик 110 угла рулевого управления поставляет в систему 104 управления навигацией сигналы обратной связи, которые отражают действительный угол, который задан устройствами 108 рулевого управления, с целью обеспечения управления с помощью системы 104 управления навигацией выбранного пути или борозды, посредством сравнения действительного заданного направления от датчика 110 угла рулевого управления с выдаваемыми приемником 102 глобальной системы позиционирования позицией и направлением. Согласно примерам выполнения может быть также предусмотрен датчик 112 избыточного поворота рулевого управления. Датчик 112 избыточного поворота рулевого колеса измеряет движение рулевого колеса сухопутного транспортного средства 116 оператором для обеспечения оператору сухопутного транспортного средства 116 возможности ручной коррекции автоматических функций управления, поставляемых системой 104 управления навигацией. Таким образом, оператор может выполнять корректировки направления или осуществлять ручное управление сухопутным транспортным средством 116 для объезда препятствия на своем пути.

Как показано на фиг.3, приемник 102 глобальной системы позиционирования показанной на фиг.1 навигационной системы 100 содержит антенну 114 для глобальной системы позиционирования, которая закреплена на сухопутном транспортном средстве в точке Р_А, которая обеспечивает свободный обзор неба и тем самым направление на спутники глобальной системы позиционирования. Точка Р_А, в которой расположена антенна 114, удалена от желательной точки Р_С отсчета или контрольной точки сухопутного транспортного средства 116 и буксируемого им рабочего устройства 120 (например, точки на почве 118 под сухопутным транспортным средством 116) на расстояние, которое обычно называется в уровне техники рычажным плечом (D_L) и имеет по существу вертикальную составляющую D_LZ рычажного плеча и по существу горизонтальные составляющие D_LX и D_LY рычажного плеча. Таким образом, показанная на фиг.1 система 104 управления навигацией обеспечивает высокоточную навигацию или управление сухопутным транспортным средством 116 при по существу плоской местности, поскольку горизонтальные и вертикальные составляющие D_LX, D_LY, D_LZ рычажного плеча остаются постоянными относительно друг друга. Однако, когда пересекается неровная местность (например, местность с уклоном, холмами, ложбинами, бороздами, буграми или т.п.), то горизонтальные и вертикальные составляющие D_LX, D_LY, D_LZ рычажного плеча изменяются относительно друг друга, когда сухопутное транспортное средство кренится (наклоняется вбок, что называется также бортовой качкой) и рыскает (поворачивается в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси). В соответствии с этим определяемые с помощью глобальной системы позиционирования позиция и направление сухопутного транспортного средства 116 являются неправильными, что приводит к показанной на фиг.4 поперечной погрешности (D_ОТ) колеи и/или к показанной на фиг.5 погрешности (Е_С) направления.

Для компенсации этих погрешностей и для обеспечения тем самым возможности более точного управления сухопутным транспортным средством 116 на неровной местности данное изобретение предлагает компенсационную систему 122 системы координат, которая вводится между приемником 102 глобальной системы позиционирования и системой 104 управления навигацией, как показано на фиг.2. Компенсационная система 122 системы координат измеряет крен и рыскание сухопутного транспортного средства 116 (смотри фиг.3-5) для компенсации погрешностей в информации о позиции и направлении, поставляемой приемником 102 глобальной системы позиционирования, когда сухопутное транспортное средство 116 пересекает неровную местность. В показанном на фиг.2 варианте выполнения компенсационная система 122 системы координат соединена с приемником глобальной системы позиционирования через выделенную отдельную (используемую исключительно для этой цели) шину 124. Компенсационная система 122 системы координат извлекает информацию о позиции (например, долготу и широту) и информацию о направлении из создаваемой приемником 102 глобальной системы позиционирования навигационной информации и заменяет эту информацию скорректированной информацией о позиции (например, долготе и широте) и информацией о направлении, которая скорректирована относительно погрешностей, вызываемых креном и рысканием сухопутного транспортного средства (например, вызываемых боковыми наклонами, холмами и т.д.), прежде чем информация через системную шину 126 передается в навигационную систему 110. Все другие поставляемые приемником 102 глобальной системы позиционирования информации (например, о скорости, времени и т.п.) компенсационная система 122 системы координат передает из отдельной шины 124 без изменений в системную шину 126. Кроме того, компенсационная система 122 системы координат может выполнять измерения уклона, которые через системную шину 126 передаются в навигационную систему 110 со скорректированной информацией о позиции и направлении, поскольку расстояние между смежными пересечениями для рабочего устройства 120 могут изменяться в зависимости от уклона. Таким образом можно задавать скомпенсированную на уклон ширину колеи, соответственно рабочий шаг для сухопутного транспортного средства 116 или для буксируемого им рабочего устройства.

Согласно вариантам выполнения поставляемая компенсационной системой 122 системы координат компенсированная относительно системы координат навигационная информация имеет формат, который идентичен с форматом поставляемой приемником 102 глобальной системы позиционирования навигационной информации. Поэтому компенсированную относительно системы координат навигационную информацию, включая компенсированную относительно системы координат информацию о позиции и направлении из компенсационной системы 122 системы координат, вместе с некомпенсированной информацией, такой как скорость, время и т.п., которая поставляется приемником 102 глобальной системы позиционирования и передается компенсационной системой 122 системы координат в системную шину 126, можно использовать в системе 104 управления навигацией без дополнительной модификации или форматирования с целью поставки оператору навигационной информации и, не обязательно, управления сухопутным транспортным средством 116 без модификации информации. Таким образом, компенсационную систему 122 системы координат можно добавлять к навигационной системе 100 без изменения существующих компонентов навигационной системы 100, таких как приемник 102 глобальной системы позиционирования или система 104 управления навигацией.

На фиг.6 показана компенсационная система 122 системы координат показанной на фиг.2 навигационной системы 100. Компенсационная система 122 системы координат содержит гироскоп 128 для измерения угла рыскания сухопутного транспортного средства 116 (смотри фиг.3), устройство 130 для измерения ускорений (акселерометр) для измерения угла крена сухопутного транспортного средства 116, когда оно пересекает неровную местность, и систему 132 обработки, которая соединена с гироскопом 128 и устройством 130 измерения ускорения, для создания информации о позиции и направлении сухопутного транспортного средства 116. Как показано на фиг.6, система 132 обработки может иметь процессор 134 для осуществления вычислений позиции и направления, контролирования связи с другими компонентами навигационной системы 100 (смотри фиг.1 и 2), выполнения диагностики погрешностей и т.п., а также память, такую как EEPROM (электрически стираемая программируемая постоянная память) 136, флэш-память 138 и оперативная память 140, для хранения программного обеспечения и/или аппаратурное обеспечение для системы 132 обработки и параметры, которые используются в системе 132 обработки для вычисления скорректированных позиции и направления.

Согласно вариантам выполнения изобретения гироскоп 128 содержит волчок, который измеряет степень рыскания сухопутного транспортного средства 116. Измеренная степень рыскания используется в системе 132 обработки для определения истинного направления транспортного средства (т.е. гироскопического направления), что компенсирует погрешности направления, определенного с помощью глобальной системы позиционирования, обусловленные рысканием и креном. Поставляемое приемником 102 глобальной системы позиционирования направление применяется для ограничения дрейфа гироскопа 128. Определяемое с помощью глобальной системы позиционирования направление можно использовать также для калибровки положения покоя и калибровки шкалы гироскопа 128 во время работы компенсационной системы 122 системы координат. Поскольку измеренное с помощью гироскопа 128 направление эффективно поставляет величину измерения направления, которое наблюдается в центре тяжести (например, на задней оси трактора или т.п.) сухопутного транспортного средства 116, то гироскопическое направление проецируется на точку на сухопутном транспортном средстве 116, в которой установлена антенна 114 приемника 102 глобальной системы позиционирования (например, точку Р_А сухопутного транспортного средства 116 на фиг.3), для получения скорректированного направления, которое совпадает с направлением, извлекаемым из информации о направлении, поставляемой приемником 102 глобальной системы позиционирования. Затем скорректированное направление подается через системную шину 126 в систему 104 управления навигацией.

Система 132 обработки компенсационной системы 122 системы координат предпочтительно определяет скорректированное направление с использованием уравнения:

C_C=[G_R/F_MEAS]+[(C_GPS-C_G)·K_C/CFR]+Pf, (1)

где С_С обозначает скорректированное направление, G_R – степень рыскания, F_MEAS – частоту измерения степени рыскания с помощью гироскопа 128, C_GPS – направление, определяемое на основе навигационной информации, созданной приемником 102 глобальной системы позиционирования, С_G – направление, определенное с помощью гироскопа 128, CFR – переменная разрешения фильтра направления, К_C – переменная величина фильтра, при этом CFR>К_C > положительной минимальной величины, и Pf является величиной, которая проецирует скорректированное направление с центра тяжести сухопутного транспортного средства 116 на точку, в которой на сухопутном транспортном средстве установлена антенна 114 приемника 102 глобальной системы позиционирования.

Как следует из уравнения (1) с учетом фиг.5, со временем гироскопическое направление С_G становится преобладающим по сравнению с направлением C_GPS. измеренным с помощью глобальной системы позиционирования. Для больших расхождений между измеренным с помощью глобальной системы позиционирования направлением C_GPS и гироскопическим направлением С_G переменную фильтра КС устанавливают равной переменной CFR разрешения фильтра направления, что уравнивает гироскопическое направление С_G с действительным направлением C_GPS, полученным с помощью глобальной системы позиционирования. Затем величину переменной фильтра К_C со временем уменьшают до минимальной величины, что обеспечивает перевес гироскопического направления С_G над определяемым с помощью глобальной системы позиционирования направлением C_GPS. Постоянная фильтра К_C предпочтительно имеет отличное от нуля минимальное значение, так что, по меньшей мере, часть полученного с помощью глобальной системы позиционирования направления C_GPS используется в компенсационной системе 122 системы координат в качестве опорной величины при вычислении корректированного направления С_C. Кроме того, при соответствующих условиях можно согласовать величины шкалы и смещения для компенсации дрейфа гироскопа 128.

Как показано на фиг.6, для измерения бокового ускорения сухопутного транспортного средства 116 предусмотрено устройство 130 измерения ускорения. Устройство 130 измерения ускорения не измеряет бокового ускорения, когда сухопутное транспортное средство 116 нивелировано (т.е. пересекает по существу ровную местность). Однако, когда сухопутное транспортное средство 116 пересекает неровную местность, то за счет бокового наклона устройства 130 измерения ускорения на основании движения крена сухопутного транспортного средства 116, с помощью устройства 130 измерения ускорения измеряется положительная или отрицательная составляющая ускорения относительно силы тяжести.

Измеренное устройством 130 измерения ускорения боковое ускорение используется в системе 132 обработки для вычисления бокового расстояния смещения (D_от) для сухопутного транспортного средства 116, которое содержит вычисленное на основе системы координат сухопутного транспортного средства 116 оценочное значение бокового расстояния между определенной с помощью глобальной системы позиционирования позиции (P_GPS) и действительной позицией желательной опорной или контрольной точки для сухопутного транспортного средства 116, обычно проецированной на землю точки антенны 114 (т.е. точки (Р_C) на фиг.3 и 4). Таким образом, боковое расстояние смещения D_OT можно определить как высоту устройства 130 измерения ускорения над опорной точкой (Р_C) (или в качестве альтернативного решения как высоту системы 122 компенсации системы координат над опорной точкой (Р_C), если компенсационная система 122 системы координат содержит единственный блок, который содержит устройство 130 измерения ускорения), умноженную на синус угла бокового наклона сухопутного транспортного средства 116. Боковое расстояние смещения D_OT можно затем использовать для корректировки определенной с помощью глобальной системы позиционирования позиции (P_GPS), так что получают скорректированную позицию сухопутного транспортного средства 116, которая компенсирована относительно рычажного плеча D_L и лучше соответствует действительной позиции сухопутного транспортного средства 116.

При вычислении корректированной позиции можно с помощью системы 132 обработки также компенсировать центробежные (высокоскоростные) ускорения, которые возникают при поворотах сухопутного транспортного средства 116. Согласно одному варианту выполнения изобретения эта компенсация выполняется за счет динамического сравнения изменения позиции сухопутного транспортного средства 116 относительно направления сухопутного транспортного средства 116. Поэтому можно вычислять боковое расстояние смещения D_OT как сумму расстояния на основе ускорения наклона и расстояние на основе высокоскоростного ускорения, при этом ускорение наклона равно измеренному устройством 130 измерения ускорения боковому ускорению за вычетом любого радиального ускорения и быстрого ускорения крена сухопутного транспортного средства 116. Однако синус угла наклона сухопутного транспортного средства 116 равен определенному с помощью устройства 130 измерения ускорения боковому ускорению (А), поделенному на ускорение силы тяжести (g). Таким образом, расстояние на основе ускорения наклона равно высоте устройства измерения ускорения (Н_A), умноженной на измеренное с помощью устройства 130 измерения ускорения боковое ускорение (А), поделенное на ускорение силы тяжести (g).

Таким образом, система 132 обработки может определять боковое расстояние смещения D_OT для сухопутного транспортного средства 116 на основе уравнения:

D_OT=(H_A·A/g)+D_HSA, (2)

где D_OT обозначает боковое расстояние смещения сухопутного транспортного средства 116, Н_A – высоту устройства 130 измерения ускорения над желательной опорной или контрольной точкой над землей (например, точкой Р_C), А – боковое ускорение, определенное с помощью устройства 130 измерения ускорения, g – ускорение силы тяжести и D_HSA – получаемое на основе измеренного центробежного (быстрого) ускорения расстояние, которое согласно вариантам выполнения измеряется посредством динамического сравнения изменений позиции сухопутного транспортного средства 116 относительно направления сухопутного транспортного средства 116. Расстояние смещения D_OT предпочтительно раскладывают на составляющие долготы и широты после их вычисления и прибавляют определенную с помощью глобальной системы позиционирования позицию, которая также измеряется по долготе и широте, с целью получения корректированной позиции (долготы и широты) сухопутного транспортного средства 116.

При сельскохозяйственных применениях, в которых сухопутное транспортное средство 116 снабжено рабочим устройством для внесения материала, такого как зерно, удобрение, пестициды, гербициды или т.п., на поверхность поля (например, сухопутное транспортное средство 116 буксирует рабочее устройство 120 или же в качестве альтернативного решения оно закреплено на сухопутном транспортном средстве 116), может изменяться расстояние между смежными колеями, по которым движется сухопутное транспортное средство 116, в зависимости от градиентов или уклона местности, поскольку сила тяжести тянет вносимый (например, капаемый, разбрызгиваемый или т.п.) материал вниз. Таким образом, когда сухопутное транспортное средство 116 направляют по параллельным колеям по неровной местности, которая имеет уклон относительно рабочего устройства 120, то может происходить наложение друг на друга проходящих по касательной борозд, когда выбранная ширина колеи (рабочая ширина) является слишком большой. Это наложение приводит к неравномерному внесению материала, расточительству материала и возможно к уменьшению урожая с поля, когда шаг колеи не согласован соответствующим образом.

Согласно вариантам выполнения изобретения боковое ускорение, которое измеряется устройством 130 измерения ускорения, можно также использовать в системе 132 обработки для определения угла крена сухопутного транспортного средства 116, на основании которого можно определять уклон (S) пересекаемой сухопутным транспортным средством 116 местности. Затем уклон (S) можно использовать в системе 104 управления навигацией для определения эффективной ширины колеи или рабочей ширины рабочего устройства 120. Таким образом, для рабочего устройства 120 в реальном времени определяется компенсированная относительно уклона рабочая ширина и шаг колеи, когда уклон пересекаемой рабочим устройством 120 местности увеличивается или уменьшается.

На фиг.7 и 8 показано влияние уклона (S) пересекаемой сухопутным транспортным средством 116 местности на эффективную ширину полосы (Е) буксируемого сухопутным транспортным средством 116 рабочего устройства 120. Как показано на фиг.7, эффективная ширина колеи (Е) уменьшается, когда боковой уклон или боковой градиент пересекаемой сухопутным транспортным средством 116 местности увеличивается. Эффективная ширина (E₁) колеи, по которой следует сухопутное транспортное средство 116 при пересечении местности с боковым уклоном, будет больше эффективной ширины (Е₂) колеи, которую оставляет сухопутное транспортное средство 116 на местности с лишь небольшим уклоном или без уклона. Таким образом, как показано на фиг.8, эффективная ширина (Е) колеи рабочего устройства находится при заданном уклоне (S) с эффективной шириной колеи рабочего устройства 120 в следующем соотношении:

E=ICos(S), (2)

где Е является эффективной шириной колеи, I – ширина полосы рабочего устройства на плоской местности и S – уклон.

Согласно примерам выполнения изобретения систему 122 компенсации системы координат можно калибровать перед и во время использования для повышения точности определения корректированных позиции и направления. Например, устройство 130 измерения ускорения может иметь один или более датчиков температуры для измерения температуры устройства 130 измерения ускорения, за счет чего можно с помощью системы 132 обработки компенсировать колебания измеряемого устройством 130 бокового ускорения, которые обуславливаются вызванными температурой погрешностью смещения и погрешностью чувствительности устройства 130 измерения ускорения. Для калибровки реакции устройства 130 измерения ускорения на температуру можно провести калибровку компенсационной системы 122 системы координат при известных условиях (например, при изготовлении) для приведения в соответствие выходной величины датчика температуры с действительной температурой окружающей среды и измерение погрешности смещения в диапазоне температур. Система 132 обработки может хранить данные калибровки в памяти (например, во флэш-памяти 138) с целью обеспечения возможности выполнения корректировки при измерениях угла крена в зависимости от температуры устройства 130 измерения ускорения.

Кроме того, компенсационная система 122 системы координат может быть выполнена с возможностью идентификации угла крена сухопутного транспортного средства 116, равного нулю (0°). Эту калибровку можно выполнять каждый раз, когда компенсационная система 122 системы координат устанавливается в навигационную систему 104 сухопутного транспортного средства 116. Оператор сухопутного транспортного средства 116 может выполнять эту калибровку вручную за счет установки сухопутного транспортного средства 116 в неподвижное ровное положение и сообщения в систему 132 обработки, что сухопутное транспортное средство стоит неподвижно и ровно (например, с помощью предусмотренных в навигационной системе 104 элементов ввода). В качестве альтернативного решения оператор может выполнять калибровку угла крена в ноль градусов за счет поездки сухопутного транспортного средства 116 по прямому пути взад и вперед, что обеспечивает компенсационной системе 122 системы координат возможность определения угла крена в ноль градусов за счет сравнения измеряемых величин угла крена в различных точках вдоль проделанного пути.

Поскольку компенсационная система 122 системы координат создает не саму информацию о позиции и направлении, а вместо этого применяет инерционные измерения с целью улучшения поставляемой приемником 102 глобальной системы позиционирования информации о позиции и направлении, то достаточно, чтобы гироскоп 128 и устройство 130 измерения ускорения содержали лишь соответствующее единственное устройство 130 измерения ускорения для измерения бокового ускорения сухопутного транспортного средства 116 и единственный гироскоп 128 для измерения степени рыскания сухопутного транспортного средства 116. Поэтому компенсационная система 122 системы координат согласно изобретению не нуждается в полном количестве гироскопов и устройств измерения ускорения, которое обычно необходимо в известных инерционных системах. Поэтому компенсационная система 122 системы координат является более простой, содержит меньше компонентов и является более дешевой в изготовлении, чем известные системы. Однако следует отметить, что компенсационная система 122 системы координат может содержать дополнительные гироскопы в качестве избыточности или для обеспечения более точного измерения степени рыскания и бокового ускорения.

На фиг.9 показана схема 200 примера выполнения способа, с помощью которого можно улучшить основывающуюся на глобальной системе позиционирования информацию о позиции и направлении, которая используется в навигационной системе 110 сухопутного транспортного средства 116, при этом информацию о позиции и направлении компенсируют с помощью инерционных измерений относительно движения рыскания и крена транспортного средства, когда транспортное средство пересекает неровную местность. Как показано на фиг.9, на стадии 202 принимают сигналы глобальной системы позиционирования из приемника глобальной системы позиционирования и используют их на стадии 204 для создания основанной на глобальной системе позиционирования навигационной информации, включая позицию (например, долготу и широту), направление или ориентацию, скорость, время и т.п. На стадии 206 измеряют также степень рыскания и боковое ускорение сухопутного транспортного средства 116 с применением гироскопа и устройства измерения ускорения. Затем на стадии 208 можно вычислить для сухопутного транспортного средства 116 корректированную позицию и направление, которые компенсированы относительно крена и рыскания сухопутного транспортного средства 116, когда транспортное средство 116 пересекает неровную местность, с использованием (основывающихся на глобальной системе позиционирования) позиции и направления из созданной навигационной информации и измеренных степени рыскания и бокового ускорения сухопутного транспортного средства 116. Согласно вариантам выполнения изобретения корректированное направление можно вычислять на основе уравнения 1, в то время как корректированную позицию можно определить посредством вычисления расстояния смещения для сухопутного транспортного средства 116 с использованием уравнения 2, при этом расстояние смещения раскладывают на составляющие долготы и широты и складывают с позицией, определенной с помощью глобальной системы позиционирования. Затем извлекают позицию и направление из созданной на стадии 204 навигационной информации и на стадии 210 заменяют корректированными позицией и направлением, которые были вычислены на стадии 208, с целью получения корректированной навигационной информации для сухопутного транспортного средства 116. Затем на стадии 212 корректированную навигационную информацию можно использовать для навигации и/или управления сухопутным транспортным средством 116.

Как показано на фиг.9, устройство 130 измерения ускорения может дополнительно использовать измеренное на стадии 206 боковое ускорение для определения угла крена сухопутного транспортного средства 116, из которого на стадии 214 можно определить уклон (S) пересекаемой сухопутным транспортным средством 116 местности. Затем уклон (S) можно использовать в системе 104 управления навигацией для определения на стадии 216 эффективной ширины колеи или шаг колеи буксируемого сухопутным транспортным средством 116 рабочего устройства 120. Определенную на стадии 216 эффективную ширину колеи можно затем использовать для того, чтобы поддержать на стадии 212 навигацию или управление сухопутным транспортным средством 116, если предусмотрено параллельное или автоматическое управление сухопутным транспортным средством 116. Таким образом можно определять и согласовывать в реальном времени компенсированную относительно уклона ширину колеи для рабочего устройства 120 для многократного пересечения местности, когда уклон пересекаемой сухопутным транспортным средством местности увеличивается или уменьшается.

Согласно примерам выполнения изобретения раскрытые способы можно осуществлять в виде множества команд, которые содержит программное обеспечение или аппаратурное обеспечение и которые можно считывать с помощью системы 132 обработки компенсационной системы 122 системы координат, приемника 102 глобальной системы позиционирования или компонентов навигационной системы 104. Кроме того, следует отметить, что специальная последовательность или иерархия стадий в раскрытых способах являются лишь примерами исходной идеи. На основе предпочтений конструкции можно по другому располагать специальную последовательность или иерархию стадий в способе. Кроме того, следует отметить, что в описанном варианте выполнения информация о скорости выдается в виде скалярной величины. Вместо этого она может задаваться в виде двумерного или трехмерного вектора и корректироваться с помощью компенсационной системы системы координат, так что отпадает необходимость в отдельной информации о направлении. Информация о позиции может также выдаваться трехмерно, т.е. может содержать составляющую Z.

Формула изобретения

1. Компенсационная система системы координат сухопутного транспортного средства, соединенная с приемником глобальной системы позиционирования, который выполнен с возможностью подачи в компенсационную систему системы координат, основывающихся на глобальной системе позиционирования информации о позиции и информации о направлении, и со средствами для измерения рыскания сухопутного транспортного средства, отличающаяся тем, что компенсационная система (122) системы координат выполнена с возможностью компенсации информации о направлении приемника (102) глобальной системы позиционирования относительно рыскания сухопутного транспортного средства (116).

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит гироскоп (128) для измерения степени рыскания и/или угла рыскания сухопутного транспортного средства (116).

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью использования информации о направлении приемника (102) глобальной системы позиционирования для ограничения дрейфа гироскопа (128).

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью определения корректированной информации о направлении на основании следующего уравнения:

C_C=[G_R/F_MEAS]+[(C_GPS-C_G)·K_C/CFR]+Pf,

где С_С – обозначает корректированное направление, G_R – измеренную степень рыскания, F_MEAS – частоту измерения степени рыскания, C_GPS – направление, определяемое на основе навигационной информации, созданной приемником (102) глобальной системы позиционирования, С_G – направление, определяемое на основе измерения степени рыскания, CFR – переменная разрешения фильтра направления, К_C – переменная величина фильтра, при этом CFR>K_C > положительной минимальной величины, и Pf является величиной, которая проецирует корректированное направление с центра тяжести сухопутного транспортного средства (116) на точку, в которой на сухопутном транспортном средстве (116) установлена антенна (114) приемника (102) глобальной системы позиционирования.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью компенсации информации о позиции приемника (102) глобальной системы позиционирования относительно угла крена сухопутного транспортного средства (116).

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что она содержит устройство (130) измерения ускорения для измерения бокового ускорения сухопутного транспортного средства (116).

7. Система по п.5, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью коррекции измеренного бокового ускорения, которое появляется при поворотах транспортного средства, на основании степени рыскания и скорости транспортного средства.

8. Система по п.5, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью вычисления бокового расстояния смещения сухопутного транспортного средства (116) на основе измеренного бокового ускорения и обусловленного быстрым ускорением расстояния, при этом обусловленное быстрым ускорением расстояние смещения определяется на основе изменений позиции сухопутного транспортного средства (116) относительно направления сухопутного транспортного средства (116).

9. Система по п.7, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью вычисления уклона пересекаемой местности на основе измеренного бокового ускорения сухопутного транспортного средства (116) и добавления к компенсированной информации о позиции и направлении.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью использования уклона для определения эффективной ширины колеи сухопутного транспортного средства (116) и/или приводимого им в движение рабочего устройства (120).

11. Навигационная система (100) сухопутного транспортного средства, содержащая приемник глобальной системы позиционирования, компенсационную систему (122) системы координат по любому из пп.1-10, и систему (104) управления навигацией, которая принимает скорректированную с помощью компенсационной системы системы координат информацию о позиции и направлении и выполнена с возможностью применения для навигации и/или автоматического управления сухопутным транспортным средством (116).

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью направления сухопутного транспортного средства (116) вдоль колеи, которая проходит, по существу, параллельно предыдущей колее.

13. Система по п.11, отличающаяся тем, что компенсационная система (122) системы координат выполнена с возможностью извлечения информации о позиции и информации о направлении из информации о позиции и информации о направлении приемника (102) глобальной системы позиционирования и замены компенсированной информацией о позиции и информацией о направлении и подачи в систему (104) управления навигацией.

14. Способ вычисления скорректированной информации о направлении сухопутного транспортного средства (116), включающий следующие стадии: прием сигнала определения позиции от глобальной системы позиционирования, создание выведенной из этого сигнала информации о позиции и информации о направлении и измерении рыскания сухопутного транспортного средства (116), отличающийся тем, что измеренную величину рыскания сухопутного транспортного средства (116) применяют для вычисления скорректированной относительно рыскания информации о направлении.

РИСУНКИ