陶婧

摘要：傳統(tǒng)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)定位精度未達(dá)到預(yù)期效果，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)一種新的農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分包含飛控板的主要電子元器件、GPS 芯片、主控芯片、陀螺儀和飛控板印刷線路板選型。系統(tǒng)軟件部分利用3維點(diǎn)深度算法完成農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)。軟、硬件結(jié)合完成農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)在靜態(tài)測(cè)試5 h后的CEP為2.538 9 m，傳統(tǒng)系統(tǒng)在靜態(tài)測(cè)試5 h后的CEP為6.305 2 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明所提系統(tǒng)單點(diǎn)定位精度更高，實(shí)際應(yīng)用效果更好。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用無(wú)人機(jī);高精度定位;硬件結(jié)構(gòu);軟件功能;GPS 芯片;陀螺儀

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2020）04-0030-04

Research on High-precision Positioning System of Agricultural UAV

TAO Jing

（Institute of Public Administration， Wuhu Institute of Technology， Wuhu 241000， China）

Abstract： The positioning accuracy of the high-precision positioning system of traditional agricultural UAV has not reached the expected effect. In order to solve this problem， a new high-precision positioning system for agricultural Uav was designed. The hardware part of the system includes the main electronic components of the flight control board， GPS chip， main control chip， gyroscope and the flight control board printed circuit board. In the part of the system software， three-dimensional point depth algorithm was used to complete the process design of high-precision positioning system of agricultural UAV. The combination of hardware and software completed the design of high-precision positioning system of agricultural UAV. The experimental results show that the CEP of the proposed system after 5 hours of static testing was 2.538 9 m， while the GPE of the traditional system after 5 hours of static testing is 6.305 2 m. The experimental results show that the proposed system has higher single point positioning accuracy and better practical application effect.

Keywords：

Agricultural UAV; high precision positioning; hardware structure; software function; GPS chip; gyroscope

無(wú)人機(jī)是根據(jù)事先編寫好的程序自主完成飛行的不載人飛機(jī)，在軍事領(lǐng)域可用于目標(biāo)偵查和巡檢，在民用領(lǐng)域可用于娛樂拍攝或農(nóng)業(yè)等方面[1]。目前，農(nóng)用無(wú)人機(jī)已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如用裝載攝像頭和感應(yīng)器的無(wú)人機(jī)來監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)、病蟲害情況或者定點(diǎn)精確噴灑殺蟲劑和農(nóng)藥等等，而這一過程的實(shí)現(xiàn)需要利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行高精度定位。在田間作業(yè)時(shí)，單點(diǎn)定位精度的無(wú)人機(jī)無(wú)法按照預(yù)定的路線噴灑農(nóng)藥，在多點(diǎn)無(wú)人機(jī)定位配合時(shí)還容易發(fā)生碰撞，造成嚴(yán)重后果。因此，相關(guān)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng)的研究受到廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[2]中設(shè)計(jì)了一種基于GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）和GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)）的混合農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)，利用GPRS彌補(bǔ)GPS在復(fù)雜地理環(huán)境中定位準(zhǔn)確性較差的問題，建立包括無(wú)人機(jī)和地面監(jiān)控站在內(nèi)的導(dǎo)航定位架構(gòu)，利用主控模塊、傳感器單元和電源組件系統(tǒng)硬件環(huán)境，并結(jié)合STM32設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以有效消除GPS測(cè)量誤差，但是無(wú)法根據(jù)不同的差分測(cè)量值實(shí)現(xiàn)高精度定位。為此，本文研究了一種新的農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。

1 硬件功能設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)穩(wěn)定、高效的系統(tǒng)硬件電路，必須選擇合適的電子元器件。選型過程如下：

首先選擇無(wú)人機(jī)飛控板的主要電子元器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)的控制，使得無(wú)人機(jī)能夠采集到有效的環(huán)境信息，為軟件部分真實(shí)環(huán)境尺度信息估計(jì)過程提供支持。主控芯片要求：1）可以接收遙控器傳來的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)）波信號(hào);2）能夠準(zhǔn)確計(jì)算PWM波信號(hào)占空比;3）讀取GPS和氣壓計(jì)、陀螺儀等傳感器的數(shù)據(jù);4）計(jì)算出無(wú)人機(jī)在各個(gè)方向上的姿態(tài)角。運(yùn)用PID運(yùn)算，得到無(wú)人機(jī)控制信號(hào);5）將控制信號(hào)以PWM波信號(hào)的形式，傳送給無(wú)人機(jī)的電調(diào)電機(jī)，當(dāng)無(wú)人機(jī)接收到控制信號(hào)，即可執(zhí)行各種飛行動(dòng)作。

根據(jù)上述需求，選擇高通Snapdragon芯片，該芯片主頻最大支持為36 MHz，性能參數(shù)為：支持高達(dá)2.5 Gb/s的4G LTE速度，支持寬電壓范圍1.8～3.3 V，有8個(gè)ARM Cortex-A7內(nèi)核，工作頻率可達(dá)700 MHz左右，支持HDCP V1.2協(xié)議，通信接口包含3個(gè)USART接口和2個(gè)I2C接口，以及2個(gè)速度高達(dá)18 Mb/s的SPI接口[3]。

GPS芯片需能夠解算天線的GPS信號(hào)，以滿足軟件部分初始位姿估計(jì)和重定位過程的要求。因此，選擇SiRF公司提供的高精度GNSS基帶芯片SNB1008，性能參數(shù)為：Atlas-V支持各種外圍設(shè)備，芯片體積小，支持OPENGL等3D硬加壓電路，具有600 MHz的高頻率。SNB1008芯片功耗低，運(yùn)算能力能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，且能提供差分運(yùn)算所需要的原始數(shù)據(jù)。表1為SNB1008芯片技術(shù)指標(biāo)。

接下來選擇陀螺儀。無(wú)人機(jī)可以利用陀螺儀的3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上的角速度，對(duì)角速度上的時(shí)間做積分，這樣就可以準(zhǔn)確計(jì)算出無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角[4]。陀螺儀需具備高度靈敏度，故選用慣性傳感器MPU9250，其性能參數(shù)如下：支持速率高達(dá)400 kHz，可在2.4～3.6 V工作。MPU9250中包含加速度計(jì)，可測(cè)量物體的加速度。當(dāng)物體加速度為0時(shí)，可以根據(jù)加速度計(jì)在3個(gè)坐標(biāo)軸上的受力大小推算出物體的傾斜姿態(tài)角。

最后，選擇飛控板的印刷線路板（PCB）。本設(shè)計(jì)采取兩面板，一面放置傳感器，另一面放置SNB1008芯片，這樣可以充分利用板上的空間[5]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 軟件功能設(shè)計(jì)

為保證農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確估計(jì)出地圖相對(duì)真實(shí)環(huán)境的尺度信息，引入3維點(diǎn)深度算法，設(shè)計(jì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位流程如下：

第1步：初始化過程。以幀圖像為基準(zhǔn)構(gòu)建金字塔，提取特征點(diǎn)。若第1幀圖像提取的特征點(diǎn)大于設(shè)定閾值，就可以對(duì)其右側(cè)右?guī)瑘D像做光流跟蹤，解算出左幀圖像與右?guī)瑘D像的單點(diǎn)矩陣。完成上述計(jì)算步驟后，要求解出當(dāng)前跟蹤的特征點(diǎn)內(nèi)點(diǎn)數(shù)。若求算結(jié)果小于閾值，就要標(biāo)記左幀圖像的關(guān)鍵幀，再將其添加到地圖當(dāng)中。需要注意的是，同時(shí)刻的左右2幀圖像都需要經(jīng)過殘差計(jì)算，否則得到的圖像是未經(jīng)過初始化的[6]。

第2步：初始位姿估計(jì)。應(yīng)用相機(jī)標(biāo)定初始位置，先確定左右相機(jī)的相對(duì)位姿，再將當(dāng)前時(shí)刻的左幀圖像假設(shè)為單位矩陣[7]。通過多幀特征檢測(cè)，即可得知當(dāng)前左幀特征點(diǎn)位置的深度。然后估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的右?guī)瑘D像中特征塊的初始位置，同左幀圖像工作原理一樣。多視圖幾何原理示意圖如圖2所示。

第3步：重定位。得知當(dāng)前左幀圖像的某個(gè)特征塊的位置和深度，就可以將該特征投影到坐標(biāo)系當(dāng)中，該三維空間坐標(biāo)系是定義左攝像機(jī)坐標(biāo)系的。完成左幀圖像投影后，需要位姿轉(zhuǎn)換，得到右攝像機(jī)坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)[8]。

第4步：解算結(jié)果輸出。運(yùn)用RTK定位程序解算左幀圖像和右?guī)瑘D像的三維坐標(biāo)，即可得到串口讀取的數(shù)據(jù)[9]。先運(yùn)用迭代最小二乘法單點(diǎn)定位用戶的接收機(jī)，再由接收基準(zhǔn)站通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送定位數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，作為相對(duì)定位。相對(duì)定位是基于用戶接收機(jī)完成的，觀測(cè)相同位的時(shí)鐘和位置等數(shù)據(jù)[10]。解算成功后，運(yùn)用EKF算法驗(yàn)證浮點(diǎn)解，經(jīng)過驗(yàn)證后，通過LAMBDA算法搜索整周模糊度，經(jīng)過驗(yàn)證的為固定解。由此，得到定位位置結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)分析

完成農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)部分，分別測(cè)試傳統(tǒng)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)與所提系統(tǒng)的定位精度在靜態(tài)5小時(shí)下的定位精度，是否能夠達(dá)到預(yù)期效果。實(shí)驗(yàn)過程如下。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證所提的農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)主要器材有：

雙頻板卡擁有良好的屏蔽功能和抗干擾能力，80針的引腳提供了豐富的通訊接口，具有BD920功耗極低和標(biāo)配20 Hz的數(shù)據(jù)更新率，比其他的雙頻板卡性價(jià)比更高。雙頻板卡負(fù)責(zé)輸出高精度基站坐標(biāo)數(shù)據(jù);U-BLOX定位模塊選擇深圳市德速科技有限公司開發(fā)的DS-26-U8L GPS/GLONASS/Beidou模塊，是一款超高功耗和超高靈敏度、超小外型GNSS接收模組，內(nèi)置SAW+LNA，可支持多系統(tǒng)定位;U-BLOX定位模塊負(fù)責(zé)采集單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)的。實(shí)驗(yàn)中，需將U-BLOX定位模塊與串口轉(zhuǎn)USB模塊連接，將定位數(shù)據(jù)保存在電腦上。

農(nóng)用無(wú)人機(jī)選用植保無(wú)人機(jī)六旋翼10L，源自濰坊安飛智能科技有限公司。無(wú)人機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。

連接飛控板卡并接通電源后，接上右旋極化陶瓷介質(zhì)天線，通過putty遠(yuǎn)程登錄啟動(dòng)RTK程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用Matlab算法分析定位數(shù)據(jù)。

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，將文獻(xiàn)[2]中的基于GPS和GPRS的混合農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)所謂對(duì)比系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)系統(tǒng)），通過對(duì)比定位精度來判斷不同系統(tǒng)的有效性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將無(wú)人機(jī)放置樓頂，在同一處采集靜態(tài)數(shù)據(jù)5 h，衡量系統(tǒng)定位指標(biāo)選擇CEP 。CEP是誤差概率單位。記錄不同系統(tǒng)在靜態(tài)測(cè)試5 h后的定位效果，結(jié)果如圖4、圖5所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用本系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試5 h單點(diǎn)定位精度CEP為2.538 9 m;使用傳統(tǒng)系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試5 h單點(diǎn)定位精度CEP為6.305 2 m，且大多數(shù)點(diǎn)都是重合的，未達(dá)到預(yù)期效果。

由此可知，本系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)定位精度更高，應(yīng)用效果更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的定位精度不足的問題，設(shè)計(jì)一種新的農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要由飛控板的印刷線路板和陀螺儀以及飛控板的其他主要電子元器件構(gòu)成。系統(tǒng)軟件采用三維點(diǎn)深度算法完成農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)。將軟、硬件部分結(jié)合，完成對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)部分分別測(cè)試傳統(tǒng)系統(tǒng)與本系統(tǒng)的定位精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)定位精度更高。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐海亮，張?zhí)嵘址?面向旋翼無(wú)人機(jī)的高精度組合導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)與評(píng)估[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，23（6）：156-166.

[2]吳冬.基于GPS和GPRS的混合農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2018，8（5）：37-40.

[3]陳丁，馬躍龍，曹雪峰.融合IMU與單目視覺的無(wú)人機(jī)自主定位方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2017，29（1）：13-18.

[4]索文凱，胡文剛，張炎.無(wú)人機(jī)自主降落過程視覺定位方法研究[J].激光技術(shù)，2019，43（5）：65-66.

[5]馬娟，張鳴之，馮振.適用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的微型無(wú)人機(jī)航線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2019，25（2）：37-41.

[6]葉偉林，宿星，魏萬(wàn)鴻，等.無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在滑坡應(yīng)急中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2017：23（9）：70-74.

[7]趙太飛，郭嘉文，李晗辰.無(wú)人機(jī)航跡中電力線電暈紫外探測(cè)與定位[J].光學(xué)精密工程，2019，27（2）：14-15.

[8]陳丹琪，金國(guó)棟，譚力寧.基于非線性最小二乘法的無(wú)人機(jī)機(jī)載光電平臺(tái)目標(biāo)定位[J].光電工程，2019，46（9）：155-156.

[9]孫健，張奇夫，惠斌.基于混沌變異蝙蝠算法的無(wú)人機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)偵察目標(biāo)跟蹤[J].信息與控制，2018，47（2）：140-148.

[10]李繼宇，蘭玉彬，施葉茵.基于狀態(tài)預(yù)測(cè)的田間機(jī)-地傳感器系統(tǒng)協(xié)同采集方式研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，22（6）：246-253.