专利名称：地面车辆上用于gps导航的惯性扩增的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于诸如拖拉机、联合收割机、喷洒机、播种机等类似地面车辆的基于全球定位系统(GPS)的导航系统领域，尤其是用于基于全球定位系统的导航系统的惯性补偿装置，该惯性补偿装置能够为穿越非水平或不平坦地形的地面车辆姿态提供惯性补偿。
背景技术：
用于农用地面车辆且基于全球定位系统的导航系统的缺点在于这种系统的全球定位系统接收器仅仅可以测定全球定位系统的天线位置。在大多数的地面车辆中，全球定位系统天线的安装定位受约束于要求天空的清晰视界，并且全球定位系统卫星也是这样。但糟糕的是，对于多数地面车辆，该位置通常不是所需的控制点(例如拖拉机的牵引点、地面车辆轮轴、拖拉机牵引点之下地面上的点等)。结果当穿越非水平地形(例如具有斜坡，丘陵，山谷等的地形)时，上述全球定位系统测定的地面车辆的位置和航向可能不正确，导致轨迹交叉并产生误差。
为了计算上述所需控制点的位置，必须进行地面车辆相对于导航坐标系统的空间定向(姿态)的精确测量。测量上述地面车辆姿态的一种方式是在车辆上固定安装多个全球定位系统的天线。当进行精确的全球定位系统测量时，在导航架内测量航向时，可以利用上述多个天线的相对位置来计算上述整个地面车辆的定向(位置、姿态和航向)。但利用该方式的导航系统需要多个精确的全球定位系统接收器，从而造价十分昂贵。
可选择地，上述全球定位系统可以与一惯性系统相结合使用。在这种方式中，上述惯性系统确定地面车辆导向或转向的初始位置和航向信息。随后，由全球定位系统提供的信息用以校准上述惯性系统所确定的位置和航向信息的偏移。惯性系统包括测量侧滚、偏航和牵引的回转仪，还可以包括用以提高回转仪测量信息精度的加速计。因此，此惯性系统与多个天线系统一样，在很多应用中非常昂贵。
所以，为导航系统提供一惯性补偿装置或模块是合乎需要的，其利用惯性扩增(inertial augmentation)为穿越非水平地形时地面车辆姿态变化(即侧滚和偏航)所产生误差补偿基于全球定位系统的诸如位置、航向和轨迹间距等导航信息，但并不需要传统惯性系统中提供的整套回转仪和加速计。

发明内容
本发明致力于一种用于地面车辆、尤其是农用车辆，例如拖拉机、联合收割机、喷洒机、棉花采摘机等的导航系统的惯性补偿装置。该导航系统利用惯性扩增为穿越非水平地形时地面车辆姿态变化(即侧滚和偏航)所产生误差补偿基于全球定位系统的诸如位置、航向和轨迹间距等导航信息。通过这种方式，不需要增加费用就可以提高上述导航系统的精确度。
根据本发明的第一方面，公开了一种地面车辆导航系统的惯性补偿装置。在一示意性实施例中，上述惯性补偿装置包括一用以测定地面车辆偏航角度的回转仪装置，一用以测定地面车辆横向加速度的加速计装置，以及一耦接到上述回转仪装置、加速计装置的处理系统。上述处理系统利用已测定的偏航角度和横向加速度，通过惯性补偿装置校准导航系统的全球定位系统接收器装置所产生的位置和航向信息，使得当地面车辆穿越非水平地形时，导航系统所用的位置和航向信息可惯性补偿上述地面车辆的侧滚和偏航。上述处理装置可进一步计算地面车辆所穿越非水平地形的坡度，以便于计算和地面车辆相连的器具(例如，可由地面车辆牵引或安装到上述地面车辆上)的有效轨迹间距。
根据本发明的第二方面，公开了一种确定地面车辆位置和航向信息的方法。在示意性实施例中，上述方法包括以下步骤从全球定位系统接收一基于全球定位系统的位置和航向；利用回转仪装置测量地面车辆偏航角度；利用加速计装置测量地面车辆横向加速度；以及通过利用已测定的偏航角度和横向加速度，校准上述基于全球定位系统的位置和航向，来计算地面车辆位置和航向信息，以使得当地面车辆穿越非水平地形时，上述计算的位置和航向信息由于地面车辆的侧滚和偏航而被惯性补偿。上述方法还进一步包括计算地面车辆所穿越非水平地形的坡度的步骤，以便于确定和地面车辆相连的器具(可由地面车辆牵引或安装到上述地面车辆上)的有效轨迹间距。
根据本发明的第三方面，公开了一种地面车辆的导航系统。上述导航系统包括一全球定位系统接收器装置，用以从全球定位系统接收定位信号，并产生一基于全球定位系统的地面车辆位置和航向，以及一转向系统，上述转向系统和全球定位系统接收器装置互连，用以利用上述位置和航向信息控制地面车辆的航向。一惯性补偿装置可耦接于上述全球定位系统接收器装置、导航控制系统，用于确定地面车辆的已校准的位置和航向信息，上述已校准的信息可被导航控制系统用以导航和/或转向上述地面车辆。在一示意性实施例中，上述惯性补偿装置包括一用以测定地面车辆偏航角度的回转仪装置，一用以测定地面车辆横向加速度的加速计装置，以及一耦接到上述回转仪装置、加速计装置的处理装置。上述处理装置通过利用已测定的偏航角度和横向加速度，校准上述全球定位系统位置和航向，来确定地面车辆的位置和航向信息。上述惯性补偿装置可进一步计算非水平地形的坡度，以便于确定和地面车辆相连的器具(可由地面车辆牵引或安装到上述地面车辆上)的有效轨迹间距。
根据本发明的第四方面，公开了一种和穿越非水平地形的地面车辆相连的器具(例如由地面车辆牵引或安装到地面车辆上)的有效轨迹间距的确定方法。在示意性实施例中，该方法包括以下步骤确定地面车辆侧滚角度；利用已测定的侧滚角度确定非水平地形坡度；计算上述有效轨迹间距，其中上述有效轨迹间距可补偿上述非水平地形的坡度。随后，上述地面车辆可利用已校准的轨迹间距进行转向，以使地面车辆的轨迹基本和前一导航的轨迹相平行或相切。通过这种方式，就可以减少或消除定位上述器具中产生的轨迹交叉误差。
可以理解，前述的概略描述和下列的详细说明都仅仅是示意性和示例性的，并不是限制本发明要求保护的范围。作为说明书一部分的附图结合上述作为解释本发明原理的概略描述，用以说明本发明的实施例。


通过参考附图，本发明的诸多优点可以更好地被本领域的技术人员理解，其中图1和2是本发明示意性实施例中基于全球定位系统、能够利用惯性补偿装置的导航系统框图；图3是说明本发明中利用导航系统穿越非水平地形的地面车辆侧视图；图4是图3所示的地面车辆的前视图，进一步说明在车辆位置地面车辆的侧滚效果；图5是图3所示地面车辆的顶视图，进一步说明在车辆航向地面车辆的偏航效果；图6是图2所示导航系统中惯性补偿装置的框图；图7是图3所示地面车辆的顶视图，说明了基于地面车辆牵引器具的有效轨迹间距，该地面车辆所穿越地形的坡度效果；图8是进一步说明地面车辆或地面车辆所牵引器具的轨迹有效宽度和地面车辆所穿越地形坡度之间的关系；图9是说明扩增基于全球定位系统的地面车辆导航系统所利用的位置和航向信息的方式的流程图，其中在地面车辆穿越非水平地形时，上述位置和航向信息由于地面车辆的侧滚和偏航而被惯性补偿。
具体实施例方式
现在详细参考本发明的优选实施例，它们的一些实例在附图中示出。
图1和2表示本发明所述示例性的基于全球定位系统的导航系统100。当农用车辆116穿越一区域内的路径或轨迹时，该导航系统100提供基于全球定位系统的尤其诸如拖拉机、联合收割机、喷洒机、棉花采摘机等农用车辆的地面车辆116(图3)的导航和/或转向。根据本发明的一个方面，在地面车辆116穿越非水平地形时，该导航系统100可利用惯性补偿校准诸如位置(例如纬度、经度)和航向等全球定位系统导航参数或地面车辆姿态变化(即地面车辆侧滚或偏航)引起的航程误差。该导航系统100还可以通过确定地面车辆116所穿越的地形坡度，来确定地面车辆116或地面车辆116所牵引器具的有效轨迹间距。
在图1所示的实施例中，上述导航系统100包括一全球定位系统接收器装置102和一互联在总线结构106上的导航控制系统104。该全球定位系统接收器装置102从一全球定位系统接收定位信号并产生基于全球定位系统的包括位置(例如经度和纬度)、航向或航程、速度、时间等的导航信息，这些导航信息被导航控制系统104和导航系统100的其它元件利用。在示意性实施例中，该全球定位系统接收器装置102从上述全球定位系统(GPS)，即由美国政府的空军所管理的空间无线导航系统，接收定位信号。但可以想到的是，该全球定位系统接收器装置102也可以选择适用于其他无线导航/全球定位系统，例如由俄联邦的俄罗斯空间局管理的GLONASS卫星导航系统。另外，在本发明的实施例中，全球定位系统接收器装置102还能够接收并利用不同GPS系统和广域差分GPS(WADGPS)提供的增强定位信息，例如由伊利诺州John Deere和Moline公司研发的STARFIRETM WDGPS系统，美国政府联邦航空管理器具提供的广域扩增系统(WAAS)等。在该实施例中，该全球定位系统接收器装置102可包括或被连接到一用以接收差分误差校准信息的无线接收器。
上述导航控制系统104利用该全球定位系统接收器装置102提供的导航信息向上述车辆的操作者提供导航或导向信息。另外，使用自动转向时，导航系统104利用上述信息控制车辆转向控制器108，该车辆转向控制器108沿所需路径或轨迹控制车辆的航向。举例来说，在本发明用于农业的实施例中(其中导航系统100被应用在例如拖拉机、联合收割机、喷洒机、棉花采摘机等农用车辆上)，该导航控制系统104能够导航并选择性地大致转向经过耕作区域的平行路径或轨迹，在田间应用除草剂和杀虫剂等化学药品进行耕作庄稼，并从田间收割庄稼。优选地，这些轨迹具有与地面车辆116所牵引的器具120的宽度相对应的宽度(W)，并且这些轨迹彼此间隔，使得基本上平行但又彼此相切，从而避免在田间产生间隙或重叠。
在上述提供有自动转向的导航系统100的实施例中，转向角度传感器110为导航控制系统104提供指示由转向控制器108转向的实际角度的反馈，允许上述导航控制系统通过比较从转向角度传感器110转向的实际航向与全球定位系统接收器装置102提供的航向和位置，来控制上述转向的路径或轨迹。在示意性实施例中，可以提供有一个转向轮优先调节传感器112。该转向轮优先调节传感器112可使操作者感应上述地面车辆116的转向轮运动，使地面车辆116的操作者可优先进行导航控制系统104所提供的自动转向功能。通过这种方式，操作者可进行航向校准或将地面车辆116手动转向，以避免路途上的障碍。
如图3所示，图1中导航系统100的全球定位系统接收器装置102包括一安装在地面车辆116上的点(PA)的全球定位系统天线114，用以提供天空的清晰视图，全球定位系统的全球定位系统卫星也是这样。上述安装有全球定位系统天线114的点(PA)同地面车辆116、所牵引器具120的所需控制点(PC)(例如地面车辆116之下的地面118某点)相间隔一段通常作为现有技术中杠杆臂(DL)的距离。该杠杆臂(DL)具有一大致垂直杠杆臂分量DLZ和大致水平杠杆臂分量DLX和DLY。由于上述水平和垂直杠杆臂分量DLX、DLY和DLZ保持相对恒定，因此如图1所述的导航系统100可以为在大致水平地形上的地面车辆116提供高精确的导航和转向。但当穿越非水平地形(例如具有斜坡，丘陵，山谷、车辙、颠簸路面等地形)时，上述水平和垂直杠杆臂分量DLX、DLY和DLZ就随地面车辆116侧滚和偏航而彼此变化。因此，确定地面车辆116位置和航向的上述全球定位系统就会不准确，导致如图4所示的轨迹交叉误差(DOT)和/或图5所示的航程或航向误差(EC)。
为了补偿这些误差，使地面车辆116在非水平地形上可更加精确地转向，如图2所示，本发明利用一插入在全球定位系统接收器装置102和导航控制系统104之间的惯性补偿装置122。当地面车辆116穿越非水平地形时，上述惯性补偿装置122可动态地测量地面车辆116的侧滚和偏航(图3、4和5)，以补偿全球定位系统接收器装置102所提供的位置和航向信息中的误差。在图2所示的实施例中，上述惯性补偿装置122和全球定位系统接收器装置102通过一专用加密总线124相联系。惯性补偿装置122从全球定位系统接收器装置102测定的导航信息中得到位置(如经度和纬度)和航向信息，并在通过系统总线126向导航系统104发送信息之前，用校准的位置(例如经度和纬度)及航向信息替换该信息，以补偿车辆侧滚和偏航(例如由于侧坡，丘陵等)所引起的误差。惯性补偿装置122可在专用总线124和系统总线126之间传送所有由全球定位系统接收器装置102提供的其它信息(例如速度、时间等)，而不需要调整。而且，由于器具的通过距离(pass-to-pass distance)可以作为斜率的函数而改变，所以利用上述校准的位置和航向信息，上述惯性补偿系统122可产生由系统总线124被传送到上述导航系统104的坡度测量。通过这种方式，就可以测定地面车辆116和地面车辆116所牵引器具120的坡度补偿通过轨迹宽度(slope-compensated pass-to-pass track widths)。
在示意性实施例中，上述惯性补偿装置122所提供的惯性补偿导航信息在形式上和全球定位系统接收器装置102所提供的非补偿导航信息一致。因此包括来自惯性补偿装置122的惯性补偿位置和航向信息的该惯性补偿导航信息与诸如速度、时间等非补偿的信息一起，由全球定位系统接收器装置102提供，并由惯性补偿装置122传送到该系统总线124，上述惯性补偿导航信息可以被导航控制系统104利用，而不需要额外的调整或格式化，就可以向操作者提供导航信息，而且还可以有选择地将上述地面车辆116转向，也不需要调整上述信息。通过这种方式，上述惯性补偿装置122可被添加到上述导航系统100中，以提供被该系统所用的基于全球定位系统的导航信息的惯性扩增，而不需要调整诸如全球定位系统接收器装置102和导航控制系统104等导航系统100的现有元件。
现在参考图6，描述了图2所示导航系统100的惯性补偿装置122。上述惯性补偿装置122包括一用以测量地面车辆116(图3)偏航角度的偏航回转仪装置128；一用以在地面车辆116穿越非水平地形时测量地面车辆116侧滚角度的加速计130；一连接到上述回转仪128和加速计130、且用以测定地面车辆116的位置和航向信息的处理系统132。如图6所示，在一实施例中，上述处理系统132可包括一处理器134、以及诸如EEPROM(可电擦除可编程只读存储器)136、闪存138和RAM(随机存储器)140的存储器，该存储器用于存储该处理系统132的软件和/或固件和该处理系统用来计算上述校准位置和航向的参数，该处理器134可用于执行位置和航向计算、控制与导航系统100其他元件的通信(图1和2)以及执行故障诊断等。
在本发明的示意性实施例中，上述偏航回转仪装置128包括一测量地面车辆(例如图3中地面车辆116)侧滚率的回转仪。上述处理系统132利用上述测量的侧滚率以确定实际的车辆航向(例如回转航向)，从而补偿车辆侧滚和偏航所引发全球定位系统航向中的误差。全球定位系统接收器装置102所提供的全球定位系统航向可用于限定回转仪的偏移。在上述惯性补偿装置122的工作过程中，该全球定位系统航向还可以用于校准回转仪的偏置和比例因数。而且当在车辆支点(例如拖拉机后轴等)观察的时候，由于上述回转航向可有效提供航向测量，所以在地面车辆116上，计划设定回转仪的点，即全球定位系统接收器天线114物理安装的位置(如图3所示的地面车辆116的点(PA))，就可以提供一与上述从导航信息中得到的航向相一致的校准的航向。而上述导航信息由全球定位系统接收器装置102所提供。随后，上述校准航向通过系统总线126被提供给上述导航控制系统104。
根据本发明，惯性补偿装置122的处理系统132利用下列方程确定上述校准的航向CC＝[GR/FMEAS]+[(CGPS-CG)·KC/CFR]+Pf方程1其中，CC为上述校准航向；GR是偏航率；FMEAS是上述偏航率的测量频率；CGPS是上述来自全球定位系统接收器装置产生的导航信息的航向；CG是上述回转航向；CFR是一航向滤波分辨率变量；KC是一可变滤波值，其中CFR＞KC＞某一最小正值；Pf是一从地面车辆116的支点到在地面车辆116上安装全球定位系统接收器装置的点换算得到的上述校准航向的值。
如上述方程1所示，参看图5，上述回转仪测量的回转航向CG有时优先于上述全球定位系统航向CGPS。对于上述回转航向CG和全球定位系统航向CGPS之间的显著差异，可设定上述滤波变量KC以用于上述航向滤波分辨率CFR，将回转航向CG重新设定到现有的全球定位系统航向CGPS。此后，滤波变量KC的值减小到一最小值，使得上述回转航向CG优先于上述全球定位系统航向CGPS。最好是，上述滤波变量KC具有一非零最小值，使得全球定位系统航向CGPS的至少一部分由惯性补偿装置122作为参考地被加权到上述校准航向CC的计算中。另外，可以在合适的条件下调节上述增益和零偏航率比率因数，以补偿上述回转仪的偏移。
再参考图6，上述加速计装置130包括一用以测量地面车辆(图3中地面车辆116)横向加速的加速计。根据本发明，加速计装置130在地面车辆116处于水平时(即地面车辆116穿越水平地形时)，不会测量上述横向加速。但当地面车辆116穿越非水平地形时，由于地面车辆116的侧滚，加速计装置130的横向倾斜使得加速计装置130可以测量重力加速度的正向分量和负向分量。
上述处理系统132利用加速计装置130测量的横向加速计算地面车辆116的偏离轨迹距离(DOT)，包括在全球定位系统测定的位置(PGPS)和地面车辆116所需控制点的实际位置之间的横向距离惯性计算估值，该控制点通常设为在全球定位系统接收器天线114的下面(即图3和4中的点(PC))。这样上述偏离轨迹距离DOT可由控制点(PC)之上的加速计装置130的高度(如果惯性补偿装置包括一含有该加速计装置130的单个单元，或者还可为控制点(PC)之上惯性补偿装置122的高度)乘以地面车辆116横向倾斜角的正弦而确定。随后，上述偏离轨迹距离(DOT)可用于校准上述全球定位系统测定的位置(PGPS)，从而为地面车辆116提供一校准的位置，补偿上述杠杆臂DL，以便于更接近地面车辆116的实际位置。
在计算校准位置航向中，上述处理系统132还可以补偿地面车辆116转动航向中产生的离心(高速)加速。在本发明的一个实施例中，可相对于地面车辆116的航向动态地比较地面车辆116的位置变化，从而完成该补偿。所以上述偏离轨迹距离(DOT)可由坡度加速度产生的距离同高速加速产生的距离之和来确定，其中坡度加速度等于加速计装置130测量的横向加速度，但该横向加速度小于任何地面车辆116的径向加速度和高速侧滚加速度。但是，地面车辆116倾斜角的正弦等于加速计装置(A)除以重力加速度(g)所确定的横向加速度。所以，由于坡度加速度产生的距离就是加速计装置测定的横向加速度(A)除以重力加速度(g)加上加速计装置的高度(HA)而确定的横向加速度所产生。
所以，处理装置132可利用下列方程计算地面车辆116的偏离轨迹距离DOT
DOT＝(HA·A/g)+DHSA方程2其中，DOT是地面车辆116的偏离轨迹距离；HA是加速计装置在诸如地面的所需控制点之上(如点(PC))的高度；A是加速计装置130确定的横向加速度；g是重力加速度；在本发明的示意性实施例中，DHSA是通过相对于地面车辆116的航向动态地比较地面车辆116的位置变化而测量的离心(高速)加速度所产生的距离。优选地，一旦经过计算，上述偏离轨迹距离DOT就被分为经度和纬度分量，并被添加到上述全球定位系统位置中，其同样在经度和纬度方向上得以测量，从而为地面车辆116提供校准的位置(即经度和纬度)。
在农业应用中，地面车辆116与用于向田间撒播种子、肥料、杀虫剂和除草剂等材料的器具(例如地面车辆116牵引的上述器具120或安装至地面车辆116的器具)相连。上述器具的通过轨迹宽度由于撒播(例如下落、喷洒等)材料的重力牵引，可以作为地形坡度或斜率的函数而改变。结果，当地面车辆116沿非水平地形的平行轨迹转向时，相对上述器具就具有一横向坡度，如果选择的轨迹宽度过宽，就会发生相切轨迹重叠。如果没有调节轨迹的宽度，这种重叠就会导致撒播材料不均匀，浪费上述材料，并可能减少耕地的产量。
在本发明的示意性实施例中，加速计装置130测量的横向加速度还可被处理系统132用来确定地面车辆116的侧滚角度，由此可以测定地面车辆116穿越地形的坡度(S)。随后，该坡度(S)可用于导航控制系统104，以测定上述器具120的有效轨迹宽度或间距。通过这种方式可以实时测定坡度补偿通过轨迹宽度，并可以在地面车辆116所穿越地形的坡度增加或降低时进行调节。
图7和8示出了在地面车辆116所牵引器具120的有效轨迹宽度(E)上，地面车辆116所穿越地形的坡度(S)的效果。如图7所示，当地面车辆116所穿越地形的横向坡度或斜率增加时，上述有效轨迹间距(E)减少。这样，地面车辆116所穿越具有这样横向斜率的地形的有效轨迹间距(E1)要大于地面车辆116所穿越具有很小或没有横向斜率的地形的有效轨迹间距(E2)。这样如图8所示，对于给定的坡度(S)，器具的有效轨迹间距(E)可通过下列方程和上述器具在水平地形上的轨迹宽度相关E＝I·cos(S)方程3其中，E是有效轨迹宽度，I是在水平地形上该器具的轨迹宽度，S是坡度。
在示意性实施例中，上述惯性补偿装置122可在使用之前或使用过程中进行校准，以提高校准位置和航向测定的精确性。举例来说，加速计装置130可包括一个或多个用以测量加速计温度的温度传感器，从而使处理系统132可根据温度感应加速计偏置误差和感应误差，补偿加速计装置130测量的横向加速度变化。为了校准上述加速计温度响应，上述惯性补偿装置122可在已知条件下(例如制造时)进行校准，从而相对实际环境温度，与上述温度传感器的输出相关联，并限定上述在温度范围内的偏置误差。上述处理系统132可将上述校准数据存储在存储器(例如闪存138)内，用于校正测量加速计温度变化的侧滚角度。
上述惯性补偿装置122可进一步进行校准，以识别地面车辆116的零度侧滚角度。这种校准可以在惯性补偿装置122每次安装在地面车辆116的导航系统100内时进行。地面车辆116的操作者可通过将地面车辆116安置在一静止水平位置，并对惯性补偿装置122的处理系统132进行识别，手动完成这种校准，地面车辆116静止并水平(例如通过导航控制系统104的控制)。而且，操作者通过沿直线路径来回驱动上述地面车辆116，校准上述零度侧滚角度，从而使得惯性补偿装置122通过在上述路径的不同点比较地面车辆116的测量侧滚角度得以测定上述零度侧滚角度。
由于惯性补偿装置122自身不会产生位置和航向信息，但会利用惯性测量来扩增全球定位系统接收器装置102所提供的位置和航向信息，所以上述回转仪装置128和加速计装置130只需包括一个用以测量地面车辆116横向加速度的单个加速计，以及一个用于测量地面车辆116偏航率的单个偏航回转仪。因此，本发明的惯性补偿装置122不再需要早期惯性测量系统所具有的全套回转仪和加速计。所以惯性补偿装置122更简单，包含更少元件，制造成本也低于早期的系统。但可以理解，惯性补偿装置122还可包括另外的回转仪，以提高偏航率和横向加速度的测量精度。这些调整惯性补偿装置122并不会偏离本发明的精神和范围。
现在参考图9，介绍扩增地面车辆导航系统所使用的基于全球定位系统的位置和航向信息的示意性方法200。其中，当地面车辆穿越非水平地形时，上述位置和航向信息可惯性补偿上述地面车辆的侧滚和偏航。如图9所示，在步骤202，从全球定位系统接收全球定位系统定位信号，并在步骤204，产生基于全球定位系统的包括位置(例如经度和纬度)、航向或航程、速度、时间等的导航信息。在步骤206，可以利用回转仪装置和加速计装置，测量地面车辆的偏航率和横向加速度。随后在步骤208，计算当地面车辆穿越非水平地形时，利用基于全球定位系统的位置和航向，补偿地面车辆侧滚、偏航的校准位置和航向。上述位置和航向由导航信息和地面车辆的已测偏航率和横向加速度产生。举例来说，在本发明的示意性实施例中，如图6所述，上述校准航向可以利用方程1来计算，而校准位置也如图6所述，可以利用方程2，由地面车辆的偏离轨迹距离计算来确定。其中，上述偏离轨迹距离被拆分为经度分量和纬度分量，并被添加到基于全球定位系统的位置(经度和纬度)中。随后在步骤210，上述位置和航向从在步骤204所产生的基于全球定位系统的导航信息中得到，并利用在步骤208中计算的校准位置和航向相替换，从而为地面车辆提供校准的导航信息。在本发明的示意性实施例中，随后在步骤212中，利用上述校准的导航信息，对地面车辆进行导航和/或转向。
如图9所示，在步骤206处，加速计装置测量的横向加速度可进一步用于确定地面车辆116的侧滚角度。在步骤214，可以测定地面车辆116所穿越地形的坡度(S)。随后在步骤216，可利用上述坡度(S)，通过导航控制系统104确定地面车辆所牵引器具的有效轨迹间距或间隔。此后可以利用在步骤216确定的有效轨迹间距，在步骤212中对地面车辆进行导航或转向，其中设有地面车辆的平行转向或自动转向。通过这种方式，可以实时确定上述器具的坡度补偿通过轨迹宽度，当地面车辆穿越地形的坡度增大或减少时，也可进行调节。
在示意性实施例中，所公开的方法可以作为一系列指令得以实施。这些指令可包括由惯性补偿装置122的处理系统132、全球定位系统接收器装置102或导航控制系统104的元件可读的软件或固件。而且可以理解，所公开方法中的特定顺序和分级步骤都是示意性的实例。基于优选设计，可以理解上述方法中的特定顺序和分级步骤在本发明的范围之内还可以进行重新排列。随后的方法权利要求仅仅是以示例顺序表示了不同步骤，并不限定于所示的特定顺序和分级步骤。
可以相信，本发明及其众多优点可通过前述的描述得以理解。还可以相信在不偏离本发明的范围和精神、或在不牺牲所有材料优点的情况下，对元件的结构和布置，以及形式上的各种变化都是显而易见的。在这里，之前描述的形式仅仅是示意性实施例。可以想到的是，随后的权利要求书包含这些所有的变化。
权利要求
1.一种地面车辆导航系统的惯性补偿装置，上述导航系统包括一全球定位系统接收器装置，用以从全球定位系统接收定位信号，上述定位信号用以产生基于全球定位系统的上述地面车辆的位置和航向，上述惯性补偿装置包括一用以测定地面车辆偏航角度的回转仪装置；一用以测定地面车辆横向加速度的加速计装置；以及一耦接到上述回转仪装置、加速计装置的处理系统，上述处理系统利用已测定的偏航角度和横向加速度，通过校准全球定位系统位置和航向，来测定地面车辆的位置和航向信息，其中当地面车辆穿越非水平地形时，上述位置和航向信息由于地面车辆的侧滚和偏航而被惯性补偿。
2.如权利要求1所述的惯性补偿装置，其特征在于，上述处理装置由回转仪装置测量的偏航角度计算偏航率和回转航向，其中上述处理装置利用下列方程确定上述航向信息CC＝[GR/FMEAS]+[(CGPS-CG)·KC/CFR]+Pf其中，CC是经地面车辆偏航校准的地面车辆航向；GR是偏航率；FMEAS是上述偏航率的测量频率；CGPS是GPS航向；CG是上述回转航向；CFR是一航向滤波分辨率变量；KC是一可变滤波值；Pf是一地面车辆以前航向，该地面车辆以前航向由从地面车辆控制点到全球定位系统接收器装置换算而得。
3.如权利要求1所述的惯性补偿装置，其特征在于，上述处理装置进一步计算地面车辆的偏离轨迹距离，该偏离轨迹距离可由加速计装置测定的横向加速度计算得出，和进一步计算地面车辆高速加速所产生的距离，上述高速加速所产生的距离是由相对于地面车辆的航向的地面车辆的位置变化而确定，上述偏离轨迹距离被添加到GPS位置中，以提供校准的位置信息，其中上述处理装置可利用下列方程确定上述偏离轨迹距离DOT＝(HA·A/g)+DHSA其中，DOT是地面车辆的偏离轨迹距离；HA是相对于地面车辆控制点的加速计装置的高度；A是加速计装置确定的横向加速度；g是重力加速度；DHSA是高速加速所产生的距离。
4.一种确定地面车辆位置和航向信息的方法，包括从全球定位系统接收一基于全球定位系统的位置和航向；利用回转仪装置测量地面车辆偏航角度；利用加速计装置测量地面车辆横向加速度；通过利用已测定的偏航角度和横向加速度，校准上述基于全球定位系统的位置和航向，来计算地面车辆的位置和航向信息，以使得当地面车辆穿越非水平地形时，上述计算的位置和航向信息由于地面车辆的侧滚和偏航而被惯性补偿。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括由已测偏航角度计算偏航率和回转航向，上述偏航率和回转航向用于确定地面车辆的校准航向，其中可利用下列方程确定上述校准航向CC＝[GR/FMEAS]+[(CGPS-CG)·KC/CFR]+Pf其中，CC为上述校准航向；GR是偏航率；FMEAS是上述偏航率的测量频率；CGPS是由全球定位系统接收器装置产生的导航信息的航向；CG是上述回转航向；CFR是一航向滤波分辨率变量；KC是一可变滤波值；Pf是一地面车辆以前航向，该地面车辆以前航向由从地面车辆控制点到全球定位系统接收器装置换算而得。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，计算地面车辆位置和航向信息的步骤包括计算地面车辆的偏离轨迹距离，该偏离轨迹距离可由加速计装置测定的横向加速度计算得出，和计算地面车辆高速加速所产生的距离，上述高速加速所产生的距离是由相对于地面车辆的航向的地面车辆的位置变化而确定，和添加上述偏离轨迹距离到GPS位置中，以提供校准的位置信息，其中上述偏离轨迹距离由下列方程确定DOT＝(HA·A/g)+DHSA其中，DOT是地面车辆的偏离轨迹距离；HA是相对于地面车辆控制点的加速计装置的高度；A是加速计装置确定的横向加速度；g是重力加速度；DHSA是高速加速所产生的距离。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括计算非水平地形的坡度，上述坡度用于确定地面车辆所牵引器具的有效轨迹间距，其中该有效轨迹间距可通过下列方程计算E＝I·cos(S)其中，E是有效轨迹间距，I是在水平地形上述器具的轨迹宽度，S是坡度。
8.一种地面车辆的导航系统，包括一全球定位系统接收器装置，用以从全球定位系统接收定位信号，并产生基于全球定位系统的地面车辆位置和航向；及一惯性补偿装置，其包括一用以测定地面车辆偏航角度的回转仪装置；一用以测定地面车辆横向加速度的加速计装置；以及一耦接到上述回转仪装置、加速计装置的处理装置，上述处理装置通过利用已测定的偏航角度和横向加速度，校准上述全球定位系统位置和航向，来确定地面车辆的位置和航向信息，其中当地面车辆穿越非水平地形时，上述位置和航向信息由于地面车辆的侧滚和偏航而被惯性补偿。
9.一种测定穿越非水平地形的地面车辆所牵引器具的有效轨迹间距的方法，包括测定地面车辆侧滚角度；利用已测定的侧滚角度确定非水平地形坡度；以及计算上述有效轨迹间距，该有效轨迹间距补偿上述非水平地形的坡度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，地面车辆的侧滚角度可由地面车辆的横向加速度计算，上述地面车辆的横向加速度可由加速计装置测量，其中上述有效轨迹间距可通过下列方程计算E＝I·cos(S)其中，E是有效轨迹间距，I是在水平地形上该器具的轨迹宽度，S是坡度。
全文摘要
本发明涉及一种用在基于全球定位系统的地面车辆、尤其是诸如拖拉机、联合收割机等农用车辆的导航系统中的惯性补偿装置，该惯性补偿装置提供惯性扩增，为非水平地形上地面车辆姿态变化(即侧滚和偏航)所产生误差补偿诸如位置、航向和轨迹间距等GPS导航信息。
文档编号G01C21/16GK1550757SQ200410037289
公开日2004年12月1日 申请日期2004年4月30日 优先权日2003年5月9日
发明者安德鲁·卡尔·威廉·瑞考, 詹尼弗·路易丝·朗, 大卫·斯科特·默塞尔, 弗雷德里克·W·纳尔逊, 路易丝 朗, 安德鲁 卡尔 威廉 瑞考, 斯科特 默塞尔, 里克 W 纳尔逊 申请人:迪尔公司