劉曉光,劉秀玲,王光磊

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定　071002；2.河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定　071002)

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基于插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)模型的DGPS野值剔除方法研究

劉曉光1,2,劉秀玲1,2,王光磊1,2

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定071002；2.河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071002)

摘要：DGPS定位系統(tǒng)在外界干擾的作用下會(huì)導(dǎo)致定位信息中含有野值。這些野值對(duì)插秧機(jī)的精準(zhǔn)控制有很大的影響，必須對(duì)DGPS的野值進(jìn)行處理。為此，提出了一種基于插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的DGPS野值在線剔除方法。該方法根據(jù)插秧機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型設(shè)定野值判定閾值，然后采用基于插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行推算的估計(jì)值對(duì)野值進(jìn)行替換。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠很好地剔除DGPS位置信息中的野值。

關(guān)鍵詞：插秧機(jī)；GPS；野值；運(yùn)動(dòng)模型；精準(zhǔn)控制

0引言

GPS定位系統(tǒng)由于能夠提供全球性、全天候的三維定位信息，已經(jīng)在陸地、航空航天和航海探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。伴隨精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化程度越來(lái)越高，在發(fā)達(dá)國(guó)家GPS定位系統(tǒng)已經(jīng)逐步成為農(nóng)業(yè)機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著智能化農(nóng)業(yè)的發(fā)展和逐步推廣，田間作業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的定位精度要求越來(lái)越高。在空曠的田間DGPS定位系統(tǒng)能夠提供連續(xù)的高精度定位信息，但當(dāng)農(nóng)機(jī)在田間地頭作業(yè)或者周圍有高大建筑物等遮擋時(shí)，DGPS輸出的信息會(huì)受到干擾而出現(xiàn)一些異常的定位信息。這些異常值即DGPS接收機(jī)觀測(cè)信息中的野值。這些野值點(diǎn)不能反映農(nóng)機(jī)業(yè)機(jī)械的實(shí)際位置，如果不剔除這些野值，GPS定位系統(tǒng)的定位誤差就會(huì)突然增大，從而影響整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航控制精度，進(jìn)而導(dǎo)致不能完成農(nóng)機(jī)的精準(zhǔn)作業(yè)任務(wù)。所以，研究一種DGPS野值在線剔除方法具有實(shí)際的意義。

常用的野值剔除算法主要是基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的殘差特性分析，利用殘差信號(hào)的變化規(guī)律對(duì)野值進(jìn)行檢測(cè)和替換。一些文獻(xiàn)中，針對(duì)不同的對(duì)象提出了基于小波變換和時(shí)間序列分析等方法的野值檢測(cè)方法[2-6]。一些研究人員也提出了基于濾波的自適應(yīng)野值剔除方法[7-10]。

安利等基于牛頓差值的方法針對(duì)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了野值處理，仿真試驗(yàn)效果良好[11]。周含冰等利用濾波信息來(lái)消除無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)中的野值，結(jié)果表明該方法具有較強(qiáng)的魯棒性[12]。朱新巖等基于數(shù)據(jù)殘差特性分析，使用萊特準(zhǔn)則對(duì)野值進(jìn)行判斷，結(jié)果表明該方法在初始階段檢測(cè)能力較差，穩(wěn)定后能夠較好地剔除數(shù)據(jù)中的野值[13]。祝轉(zhuǎn)民等提出了基于Kalman濾波的野值辨識(shí)及剔除方法，有效解決了濾波過(guò)程的發(fā)散問(wèn)題[14]。葛堯等提出了基于小波變換剔除數(shù)據(jù)野點(diǎn)的方法，結(jié)果表明：采用小波變換去除了隨機(jī)測(cè)量誤差與野值點(diǎn)對(duì)多普勒頻率的影響[15]。

以上方法雖然能夠檢測(cè)野值，但有些算法只對(duì)于單個(gè)野值的剔除效果很好，不能夠很好地處理連續(xù)多個(gè)野值。而有些算法比較復(fù)雜，一般不適合在線野值剔除。為此，本文以插秧機(jī)為實(shí)際應(yīng)用對(duì)象，提出了基于插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的DGPS野值在線剔除方法。

1插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由于插秧機(jī)作業(yè)時(shí)，一般在平整的農(nóng)田中行走，海拔高度變化很小，所以可以認(rèn)為插秧機(jī)在田間的運(yùn)動(dòng)為二維平面運(yùn)動(dòng)。忽略海拔高度變化的影響，選擇當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系作為參考坐標(biāo)系，建立載體坐標(biāo)系X-Y-Z，如圖1所示。其中，載體坐標(biāo)系X軸指向農(nóng)機(jī)的縱軸方向，Y軸指向農(nóng)機(jī)的左側(cè)，Z軸垂直指向農(nóng)機(jī)的正上方，農(nóng)機(jī)可簡(jiǎn)化為一個(gè)矩形塊。參考坐標(biāo)系的X軸指向東，Y軸指向北。

圖1中，ax、ay和ω分別為插秧機(jī)在載體坐標(biāo)系下沿X軸、Y軸的加速度和繞Z軸的角速度。由于忽略了海拔高度的變化，所以假設(shè)插秧機(jī)繞載體坐標(biāo)系X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度都為0，在不考慮地球的自傳及哥氏效應(yīng)的影響下，可得插秧機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

(2)

由以上分析，結(jié)合式(1)和式(2)可得插秧機(jī)的二維運(yùn)動(dòng)模型，有

(3)

圖1　插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2基于插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的野值剔除

根據(jù)插秧機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可得在單個(gè)采樣周期T內(nèi)，插秧機(jī)行駛距離的預(yù)測(cè)增量為

(4)

定義插秧機(jī)位置增量的最大預(yù)測(cè)值max△d為3倍的△D(見(jiàn)式5)。判定DGPS定位信息為野值的準(zhǔn)則為：如果當(dāng)前時(shí)刻的位置增量△D超過(guò)最大預(yù)測(cè)值max△d，則判定當(dāng)前的DGPS定位點(diǎn)是異常值，需要進(jìn)行野值剔除。對(duì)野值點(diǎn)的處理是采用基于插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行推算的方法來(lái)對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行估計(jì)。采用前一時(shí)刻的位置、當(dāng)前時(shí)刻的速度和航向信息遞推獲得當(dāng)前時(shí)刻位置的估計(jì)值來(lái)替代野值，則有

maxΔd=3Δd

(5)

(6)

(7)

為避免出現(xiàn)無(wú)休止的外推而導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)偏離插秧機(jī)的真實(shí)行駛軌跡，必須限制連續(xù)剔除野值的個(gè)數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)連續(xù)剔除野值個(gè)數(shù)超過(guò)10個(gè)時(shí)，基于插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型遞推的估計(jì)值與插秧機(jī)的實(shí)際位置會(huì)有較大偏差，已經(jīng)不能用來(lái)估計(jì)插秧機(jī)的實(shí)際位置。一般情況下，設(shè)置最大連續(xù)剔除野值個(gè)數(shù)3

3試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1數(shù)據(jù)采集

為了驗(yàn)證所提出的DGPS野值剔除方法的有效性和實(shí)用性，人工駕駛插秧機(jī)在水泥路面上勻速行駛進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖2為本研究采用的洋馬插秧機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)。其中，GPS接收機(jī)安裝在插秧機(jī)的左側(cè)，右側(cè)安裝GPS定位系統(tǒng)的供電電池，GPS天線安裝在插秧機(jī)的中部。

圖2　插秧機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

在試驗(yàn)場(chǎng)地，部分路段有樹(shù)木遮擋，從而影響了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，因此GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)中含有野值數(shù)據(jù)。為了對(duì)比分析，分別針對(duì)直線行駛和曲線行駛的進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，如圖3和圖4所示。

圖3　直線行駛含有野值數(shù)據(jù)

圖4　直線行駛含有野值數(shù)據(jù)

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 為直線行駛數(shù)據(jù)采用提出的GPS野值剔除方法處理后，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的信息。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，該方法能夠有效地識(shí)別出野值并對(duì)野值進(jìn)行處理。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：利用GPS野值剔除方法處理后，在受到干擾時(shí)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信息得到了明顯的改善。

圖6是曲線行駛數(shù)據(jù)利用所提出的方法處理后，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)輸出曲線數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：該方法不僅對(duì)于能夠有效地識(shí)別出孤立的野值點(diǎn)，也能較好地識(shí)別出連續(xù)的多個(gè)野值點(diǎn)，并對(duì)野值進(jìn)行處理。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：該方法對(duì)于曲線行駛的情況下的野值，也具有較好的效果。

圖5　直線行駛剔除野值后數(shù)據(jù)

圖6　處理后的曲線數(shù)據(jù)

4結(jié)論

本文提出了一種基于插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)模型的DGPS野值在線剔除方法，該方法根據(jù)插秧機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型設(shè)定野值判定閾值，然后采用線性外推的方法對(duì)野值進(jìn)行替換。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)GPS信號(hào)短時(shí)間缺失時(shí)，在插秧機(jī)直線行駛和曲線行駛時(shí)，該方法都能夠很好地辨識(shí)和剔除野值；經(jīng)過(guò)野值剔除后插秧機(jī)的導(dǎo)航控制效果得到明顯的改善。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間缺失時(shí)，該方法會(huì)由于累積誤差的逐漸增大而產(chǎn)生較大的定位誤差，從而導(dǎo)致剔除野值的效果不是很明顯。針對(duì)衛(wèi)星信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間缺失情況下，導(dǎo)致定位信息中含有大量野值的情況，還有待于進(jìn)一步研究。

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Research on DGPS Outliers Eliminating Method Based on the Movement Model of Transplanter

Liu Xiaoguang1,2, Liu Xiuling1,2,Wang Guanglei1,2

(1.College of Electronic and Information Engineering，Hebei University, Baoding 071002，China; 2.Key Laboratory of Digital Medical Engineering of Hebei Province, Baoding 071002,China)

Abstract：The locating information of DGPS contains outliers in the disturbed environment.These outliers that must be treated,has a great influence on the control precision of transplanter.The thesis proposed a method to treat the ouliers online based on the kinematics model of transplanter.The method get the outliers threshold by the movement model of transplanter. And then the outliers is replaced by the estimated value. The experimental results show that the method can eliminate the outliers better in DGPS location information.

Key words：transplanter; GPS; outliers; kinematics model; precision control

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0120-04

中圖分類號(hào)：S223.9;S24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉曉光(1983-),男，河北保定人，講師，(E-mail)lxg_hbu@163.com。通訊作者：劉秀玲(1977-)，女，河北滄州人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)liuxiuling121@hotmail.com。

基金項(xiàng)目：保定市科技局項(xiàng)目(15ZG010)；河北省教育廳項(xiàng)目(QN2015071)

收稿日期：2015-06-29