袁玉敏

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽　550008)

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農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)—基于GPS和GPRS

袁玉敏

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽550008)

摘要：農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)憑借其高效率、低作業(yè)成本等特點(diǎn)，目前正逐步地取代人工植保，成為農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的一種重要裝備。定位系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)控制系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主工作和飛行的關(guān)鍵，也是無人機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)植保飛行作業(yè)的基礎(chǔ)，研發(fā)和設(shè)計(jì)高精度的無人機(jī)定位系統(tǒng)是未來農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)技術(shù)進(jìn)一步突破和應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，針對(duì)GPS定位系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性差、定位精度有限、無法為農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)提供高精度穩(wěn)定的定位服務(wù)的問題，提出了一種基于GPS和GPRS的混合農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過該系統(tǒng)可以有效地彌補(bǔ)GPS在復(fù)雜環(huán)境的定位不足，提高農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的定位精度，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)技術(shù)發(fā)展具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)；定位；高精度；GPS；GPRS

0引言

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵就是大量應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，近年來隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)在測(cè)繪、農(nóng)業(yè)植保、航拍等民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的變革和二次發(fā)展[1]。

植保作為農(nóng)業(yè)種植的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的人工植保方式由于人力成本攀升、作業(yè)效率低、作業(yè)時(shí)間控制難度大等一系列問題，已經(jīng)無法滿足我國農(nóng)業(yè)大規(guī)?；l(fā)展的需求[2]。特別是一些大型的農(nóng)場(chǎng)和承包戶，在農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的情況下，如何快速、高效地進(jìn)行農(nóng)業(yè)植保已經(jīng)成為了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的一個(gè)重要難題[3-5]。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)憑借其高效、精準(zhǔn)的快速作業(yè)方式，成為了解決這一問題的有效方式，近年來憑借其低成本、高效率的特點(diǎn)在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展。尤其是在2014年，中央“一號(hào)文件”明確了促進(jìn)農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[5-7]，使得我國農(nóng)業(yè)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了飛速的發(fā)展。無人機(jī)定位作為無人機(jī)飛行控制的核心，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)植保作業(yè)的基礎(chǔ)，在植保作業(yè)中通常需要借助于先進(jìn)的定位技術(shù)對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行高精度的定位。目前，市場(chǎng)上常用的無人機(jī)定位

都是基于GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的[5-8]，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是一些山區(qū)的植保作業(yè)中，由于環(huán)境復(fù)雜，GPS定位系統(tǒng)通常很難提供穩(wěn)定、精準(zhǔn)的定位服務(wù)，導(dǎo)致作業(yè)飛行風(fēng)險(xiǎn)和無人機(jī)操控難度增大，嚴(yán)重地限制了植保無人機(jī)作業(yè)，成為了未來植保無人機(jī)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的障礙[10-11]。

針對(duì)這一背景，本文針對(duì)GPS定位服務(wù)系統(tǒng)的不足進(jìn)行研究和分析，借助于GPRS網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)研發(fā)和設(shè)計(jì)了一種基于GPS和GPRS的混合定位系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)為植保無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下提供高精度的定位服務(wù)，確保植保無人機(jī)作業(yè)高效、精準(zhǔn)。

1GPS和GPRS定位技術(shù)

GPS(全球定位系統(tǒng))技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)，其借助于定位衛(wèi)星系統(tǒng)為GPS用戶提供精確的導(dǎo)航和定位服務(wù)，其定位示意圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由GPS導(dǎo)航衛(wèi)星和地面基站及用戶終端設(shè)備組成[12]。其中，用戶終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)GPS信息接收，GPS衛(wèi)星和基站負(fù)責(zé)提供位置信息服務(wù)。在目前無人機(jī)飛行控制中，借助于GPS提供位置服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行自主導(dǎo)航和作業(yè)線路規(guī)劃，被廣泛地應(yīng)用于各種無人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)中。

GPRS定位技術(shù)又稱為LBS(移動(dòng)基站定位)技術(shù)，其主要是利用GPRS網(wǎng)絡(luò)基站信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位，其定位精度高、對(duì)環(huán)境的要求低[13]，可以抵抗各種復(fù)雜環(huán)境給定位信號(hào)帶來的干擾，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外的全方位定位，是未來移動(dòng)定位系統(tǒng)發(fā)展的主流。其可以有效地彌補(bǔ)GPS定位系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求高、在復(fù)雜環(huán)境下定位精度不足等特點(diǎn)，與GPS定位服務(wù)系統(tǒng)配合使用可以使得整個(gè)定位服務(wù)更加準(zhǔn)確和可靠。典型的GPRS定位原理示意圖如圖2所示[14]。

圖1　GPS定位原理示意圖

圖2　LBS定位系統(tǒng)原理示意圖

2無人機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成

無人機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)一般包括空中飛行器、地面監(jiān)控兩個(gè)部分，如圖3所示。

圖3　無人機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，飛行控制器部分主要包括無人機(jī)、GPS接收器、慣性測(cè)量單元及電源模塊等，主要是將GPS接收機(jī)、慣性測(cè)量單元和電源模塊的信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)綑C(jī)載控制器中，機(jī)載控制器根據(jù)這些信息通過相關(guān)的導(dǎo)航定位算法計(jì)算出飛行器的飛行姿態(tài)和導(dǎo)航定位控制信息，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。

地面監(jiān)控站通常是以平板或者手機(jī)作為監(jiān)控終端，通過無線傳感器接收無人飛行器的飛行信息進(jìn)行顯示，同時(shí)監(jiān)控站還包括無人機(jī)飛行遙控器，通過遙控器可以操控飛機(jī)飛行，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行控制。在農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)中，通常是采用集成式遙控器，在遙控器上集成簡單的飛行參數(shù)顯示屏，對(duì)飛行參數(shù)進(jìn)行顯示，同時(shí)采用操控桿對(duì)飛機(jī)飛行進(jìn)行操作。

以上是常用的無人機(jī)飛行定位導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹。本文在設(shè)計(jì)過程中將借助于GPRS定位服務(wù)，通過GPRS終端模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)基站信息的接收和通信，為控制器提供GPRS定位信息。

3植保無人機(jī)定位系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的定位導(dǎo)航硬件控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)飛行導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括飛行主控、電機(jī)PWM控制器、GPS/GPRS接收模塊、加速度傳感器單元及電源模塊5個(gè)部分。其中，飛行主控器采用STM32控制器作為控制核心，對(duì)GPS/GPRS傳感器、加速度傳感器等模塊的信息進(jìn)行采集，根據(jù)這些模塊提供的位置信息執(zhí)行相應(yīng)的控制算法輸出PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人飛行器的精準(zhǔn)穩(wěn)定控制。GPS/GPRS模塊主要是為飛行器提供接收GPS和GPRS信號(hào)支持，本文采用華為提供的mu609 GPS/GPRS模塊。該模塊是一個(gè)GPRS通信控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS和GPRS信號(hào)的接收和基于GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，在設(shè)計(jì)過程中主要是利用模塊的串口對(duì)模塊進(jìn)行控制，控制模塊讀取GPS和GPRS的位置信息。電源模塊主要是為系統(tǒng)提供電源支持，在設(shè)計(jì)過程中充分地考慮到無人機(jī)的低功耗特性，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源服務(wù)，設(shè)計(jì)過程中采用了PM4040F集成開關(guān)電源控制器作為開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低功耗的控制器和傳感器的電源供電。電機(jī)PWM控制模塊主要是由電橋組成，通過電橋接收控制器的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)和飛行動(dòng)作進(jìn)行控制。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1　軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)之寶無人機(jī)的主控采用STM32，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)高精度定位控制，其軟件主程序流程如圖5所示。

圖5　無人飛行器定位系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)執(zhí)行定位控制軟件時(shí)，首先對(duì)GPS/GPRS模塊進(jìn)行初始化，初始化GPS/GPRS定位服務(wù)，然后對(duì)植保無人飛行器的姿態(tài)控制參數(shù)進(jìn)行初始化，保持無人飛行器的當(dāng)前飛行姿態(tài)和飛行動(dòng)作；接著設(shè)置中斷定時(shí)器，其響應(yīng)時(shí)間間隔設(shè)置為50ms，進(jìn)入中斷等待，執(zhí)行系統(tǒng)其他服務(wù)程序；每次定時(shí)器中斷響應(yīng)的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)行定位控制相關(guān)算法，主要包括讀取GPS/GPRS位置系想你數(shù)據(jù)、執(zhí)行GPS/GPRS位置信息數(shù)據(jù)融合算法和執(zhí)行定位控制算法輸出控制PWM參數(shù)3個(gè)子過程；這3個(gè)子過程在進(jìn)入中斷的時(shí)候順序執(zhí)行，完成整個(gè)無人機(jī)的飛行定位控制。其中，飛行控制子過程主要是采用無人機(jī)上提供的飛行控制程序，本文只是為其提供位置服務(wù)，后續(xù)將對(duì)讀取GPS/GPRS位置信息和執(zhí)行GPS/GPRS位置信息數(shù)據(jù)融合值兩個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和說明。

4.2　讀取GPS/GPRS位置信息程序設(shè)計(jì)

讀取GPS/GPRS位置信息程序流程如圖6所示。整個(gè)程序在STM32定時(shí)器中斷中完成，首先STM32主控發(fā)送GPS數(shù)據(jù)讀取指令到GPS/GPRS模塊，模塊返回GPS數(shù)據(jù)；接收到GPS數(shù)據(jù)之后，緊接著發(fā)送LBS信息數(shù)據(jù)讀取指令，讀取移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的LBS位置信息，最后處理成x、y、z三維坐標(biāo)的位置信息，并將該位置信息通過內(nèi)存變量的方式傳遞到位置信息數(shù)據(jù)融合算法模塊中進(jìn)行后續(xù)的位置信息優(yōu)化，進(jìn)一步提高位置信息的精度和可靠性。

圖6　GPS/GPRS位置信息讀取程序流程

4.3　GPS/GPRS位置信息數(shù)據(jù)融合處理程序設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高本文設(shè)計(jì)的高精度植保無人機(jī)定位系統(tǒng)的定位精度，在計(jì)算無人機(jī)位置信息的時(shí)候利用GPS/GPRS模塊提供的GPS位置信息和LBS位置信息進(jìn)行融合處理，對(duì)其位置信息進(jìn)一步優(yōu)化，相對(duì)于只利用GPS位置信息進(jìn)行定位其具有更好的精度和穩(wěn)定性。其融合處理流程如圖7所示。算法執(zhí)行過程中，首先初始化兩個(gè)位置信息的權(quán)值，初始過程中的定位算法將以GPS信號(hào)優(yōu)先，設(shè)定其權(quán)值為0.8，GPRS信號(hào)作為輔助位置信號(hào)，設(shè)置其權(quán)值為0.2；然后計(jì)算軌跡偏差，軌跡偏差計(jì)算中主要是根據(jù)實(shí)際位置信息和上次的預(yù)測(cè)位置信息進(jìn)行減法計(jì)算德奧其差值，完成軌跡偏差計(jì)算后從GPS/GPRS模塊中獲取兩種信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。其中，GPS以衛(wèi)星數(shù)目作為信號(hào)強(qiáng)度值劃分為5個(gè)等級(jí)，等級(jí)劃分過程中按照1～15進(jìn)行均分。GPRS以LB數(shù)據(jù)作為信號(hào)強(qiáng)度值，為了進(jìn)一步融合處理，對(duì)GPRS進(jìn)行等價(jià)量化處理，將其放大10倍，同時(shí)劃分為5個(gè)等級(jí)等級(jí)劃分過程中按照1～15進(jìn)行均分。完成GPS和GPRS信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算處理之后，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度和軌跡偏差重新就算兩種信號(hào)的權(quán)值，最后根據(jù)權(quán)值計(jì)算得到融合后的優(yōu)化的位置信息輸出到定位控制算法模塊，定位控制算法模塊根據(jù)位置信息輸出控制PWM進(jìn)行飛行姿態(tài)和飛行動(dòng)作控制。

圖7　GPS/GPRS位置信息數(shù)據(jù)融合處理程序設(shè)計(jì)流程

5實(shí)驗(yàn)仿真測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的植保無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)的正確性和可靠性，本文完成了該模塊的設(shè)計(jì)和開發(fā)，并且在云南斯威弗萊科技有限公司研發(fā)的SW8-1300ZB八旋翼植保無人機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。無人機(jī)平臺(tái)如圖8所示。

圖8　無人機(jī)平臺(tái)

測(cè)試過程中，將本文開發(fā)和設(shè)計(jì)的基于GPS和GPRS的農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)安裝到該型植保無人機(jī)平臺(tái)上，為其提供位置信息服務(wù)。連接過程中，將輸出的PWM信號(hào)連接到該無人機(jī)的飛行控制器的位置信號(hào)輸入接口中(由于不是做整體平臺(tái)開發(fā)，所以沒有直接去控制電調(diào)進(jìn)行無人機(jī)控制，本文在實(shí)驗(yàn)過程中只是將其位置信息輸入到飛行主控)；然后SW8-1300ZB飛行主控通過接收本文設(shè)計(jì)的定位模塊的位置信息進(jìn)行飛行姿態(tài)和飛行動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和飛行控制。通過實(shí)際農(nóng)田自主飛行測(cè)試，每20m設(shè)置位置定標(biāo)測(cè)試飛行誤差，統(tǒng)計(jì)1 000m內(nèi)50次測(cè)試的誤差，并與SW8-1300ZB使用自帶的定位系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

表1　誤差統(tǒng)計(jì)分析表

通過測(cè)試分析可以看出：本文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)可以為植保無人機(jī)提供更好的位置信息服務(wù)，有效地提高了植保無人機(jī)的飛行控制精度，其誤差可以有效地控制在15cm以內(nèi)，可以很好地滿足植保無人機(jī)自主導(dǎo)航服務(wù)及高精度控制需求。

6結(jié)論

針對(duì)采用單一的GPS定位系統(tǒng)提供的位置服務(wù)的精度低、容易被干擾等問題，提出了一種基于GPS和GPRS混合定位的無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)，給出了具體的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方案，最后開發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)。通過在SW8-1300ZB無人機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，表明本文設(shè)計(jì)的基于GPS和GPRS的植保無人機(jī)定位系統(tǒng)可以有效地提高無人機(jī)的定位精度，對(duì)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精準(zhǔn)控制和自主導(dǎo)航服務(wù)具有非常重要的意義。

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Research and Design of High-precision Positioning System for Agricultural Plant Protection UAV—Based on GPS and GPRS

Yuan Yumin

(Guizhou Industry Polytechnic College,Guiyang 550008, China)

Abstract：Agricultural plant protection UAV, with its high efficiency and low operating costs, etc., are being gradually replaced artificial plant protection, has become an important field of application of agricultural plant protection, the positioning system as the core of the agricultural crop protection UAV control system, is a key UAV autonomous work and flying, but also the basis for the plant protection UAV flight operations, research and development and design precision positioning system is the key to the future of UAV agricultural crop protection UAV technology further breakthroughs and applications , aiming GPS positioning system stability in a complex environment of poor positioning accuracy is limited, can not provide a stable high-precision positioning services for agricultural crop protection UAV, a hybrid plant protection UAV precision agriculture based on GPS and GPRS design positioning system, through the system can effectively fill the gap condensate GPS positioning in a complex environment, improve positioning accuracy of agriculture plant protection UAV, to further promote the development of agricultural crop protection UAV technology has a very important significance.

Key words：agricultural crop protection UAV; positioning; high accuracy; GPS; GPRS

作者簡介：袁玉敏(1979-)，男，貴州畢節(jié)人，副教授，工程碩士，(E-mail)yLq72@126.com。

基金項(xiàng)目：2012現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與農(nóng)村科技項(xiàng)目(【2012102】3-28)

收稿日期：2015-11-06

中圖分類號(hào)：S252+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0227-05