解彬彬，劉繼展※，何 蒙，蔡連江，徐朱潔，崔冰波

（1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的老齡化、短缺與成本增加以及信息技術(shù)的快速發(fā)展，無人大田農(nóng)業(yè)將成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，“以機(jī)換人”的需求是必然發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)無人大田農(nóng)業(yè)的前提是農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向自動(dòng)化、規(guī)?；⒕珳?zhǔn)化和低成本方向發(fā)展以及目前常用的衛(wèi)星定位-預(yù)建農(nóng)田地圖的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)在面對(duì)生產(chǎn)特征呈現(xiàn)區(qū)域化、分布零散和適度規(guī)模種植的小型農(nóng)田有難以滿足便捷跨區(qū)域作業(yè)的困難[1-4]。因此，研究一種低成本、高精度和使用便捷的導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)是必要的。

近年來，UWB（超寬帶，Ultra Wide Band）技術(shù)在無線通信傳輸領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，是目前高精度定位最有前景的技術(shù)之一[5-6]，為農(nóng)業(yè)和工業(yè)的自主導(dǎo)航技術(shù)研究提供了便利和新的思路。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)UWB導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了諸多研究：孫小文等[7]考慮了時(shí)鐘偏移等因素開發(fā)了適用于農(nóng)資倉儲(chǔ)環(huán)境下的脈沖超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)；林相澤等[8]利用K-means聚類與截段處理方法優(yōu)化距離測(cè)量誤差，獲得準(zhǔn)確的農(nóng)用車輛定位信息，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)農(nóng)用車輛的精確作業(yè)；姚立健等[9]基于超寬帶無線定位，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型動(dòng)態(tài)前視距離的純追蹤模型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)施需求的車輛自動(dòng)導(dǎo)航；符世琛等[10-13]在狹長(zhǎng)巷道內(nèi)利用超寬帶定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的三維空間內(nèi)厘米級(jí)定位和自主導(dǎo)控。以上研究的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式是在作業(yè)區(qū)域邊界布置3個(gè)及以上UWB基站并建立精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)，通過偽衛(wèi)星法采集農(nóng)機(jī)本體上UWB標(biāo)簽與UWB基站的實(shí)時(shí)距離，確定作業(yè)機(jī)具在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，計(jì)算作業(yè)機(jī)具關(guān)于目標(biāo)作業(yè)路徑的橫向偏差和航向偏差，對(duì)規(guī)?；鸵呀?jīng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境具有良好的適用性。室外開放且需要經(jīng)常更換作業(yè)地塊的大田環(huán)境不適宜建立永久固定基站且使用過程繁瑣，所以該技術(shù)方式不適用大田環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航需求。

目前國(guó)內(nèi)大田農(nóng)業(yè)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)體制和家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制為主，分布零散，尤其以南方水田為主，以百米級(jí)別的小田塊集中種植模式為主。從測(cè)量范圍上，目前UWB定位技術(shù)有短距離和長(zhǎng)距離2種類型，其中長(zhǎng)距離測(cè)量模塊可達(dá)300 m以上，最大可至1 200 m，測(cè)距定位精度最優(yōu)在 5 cm以內(nèi)[14]，因此長(zhǎng)距離的 UWB無線測(cè)距傳感器在使用范圍和檢測(cè)精度上能夠滿足大田農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航駕駛需求的。

針對(duì)上述問題，本文以大田環(huán)境下無人駕駛農(nóng)機(jī)往復(fù)作業(yè)模式為研究背景，基于UWB基站-標(biāo)簽相對(duì)測(cè)距信息，設(shè)計(jì)了改進(jìn)AOA（信號(hào)到達(dá)角度，Angle-of-Arrival）模式的農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)方法，并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，分析了關(guān)鍵因素對(duì)檢測(cè)精度的影響規(guī)律，以期通過近距-成對(duì)布置UWB基站組方式實(shí)現(xiàn)大田環(huán)境下成本低、檢測(cè)精度高和系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單的自主導(dǎo)航。

1 改進(jìn)AOA模式自主導(dǎo)航系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 改進(jìn)AOA組合布置方式

傳統(tǒng)AOA定位需要配置復(fù)雜的天線系統(tǒng)且角度誤差對(duì)定位精度的影響遠(yuǎn)比測(cè)距誤差大，該技術(shù)方式通過獲取待測(cè)標(biāo)簽至 2個(gè)基站的信號(hào)到達(dá)角度進(jìn)行定位，僅能實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)相對(duì)移動(dòng)標(biāo)簽的自動(dòng)跟隨作業(yè)，不具備又快又好的直線自主導(dǎo)航能力，使得傳統(tǒng)AOA定位方式無法滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航作業(yè)需求[15]。依據(jù)本文提出一種改進(jìn)AOA模式的大田農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航方案，利用農(nóng)田邊界外圍布置雙 UWB基站作為導(dǎo)航參數(shù)（橫向偏差或航向偏差）檢測(cè)參照，農(nóng)機(jī)車身布置雙UWB標(biāo)簽，利用UWB基站-標(biāo)簽實(shí)時(shí)測(cè)距信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)本體的導(dǎo)航參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

農(nóng)田邊界雙 UWB基站有垂直作業(yè)路徑的田頭布置方式和平行作業(yè)路徑的田邊布置方式。影響AOA定位精度的主要因素是信號(hào)達(dá)到角度（UWB標(biāo)簽信號(hào)與雙UWB基站天線中心連線的夾角）的計(jì)算精度，由于UWB基站-標(biāo)簽本身具有一定的測(cè)距誤差，根據(jù)三角形特征和三角函數(shù)關(guān)系，田頭布置方式求解橫向偏差需要計(jì)算UWB標(biāo)簽與雙UWB基站的方位角（信號(hào)到達(dá)角度），導(dǎo)致誤差二次累計(jì)放大，會(huì)造成自主導(dǎo)航參數(shù)的檢測(cè)誤差變大，而田邊布置方式通過3邊距離求解橫向偏差和航向偏差，不需要進(jìn)行方位角測(cè)量，理論上可以獲得較高的精度，因此本文研究采用平行作業(yè)路徑的田邊雙 UWB基站布置方式，如圖1a所示。

通過安裝在農(nóng)機(jī)車身的雙 UWB標(biāo)簽與農(nóng)機(jī)車身中心點(diǎn)構(gòu)成的幾何關(guān)系可求解農(nóng)機(jī)中心點(diǎn)與雙 UWB基站中心軸線的垂直距離和目標(biāo)作業(yè)路徑距離之差，即橫向偏差，農(nóng)機(jī)車身縱向中心軸線或橫向中線軸線與目標(biāo)作業(yè)路徑的夾角即為航向偏差。為簡(jiǎn)化自主導(dǎo)航參數(shù)的計(jì)算過程和降低計(jì)算過程難度，本文將農(nóng)機(jī)車身雙UWB標(biāo)簽安裝方式分為2種，如圖1b所示。

田邊雙UWB基站與農(nóng)機(jī)車身雙UWB標(biāo)簽有2種布置方式，如圖2所示，分別是雙基站-縱向雙標(biāo)簽布置方式（下文簡(jiǎn)稱TBZ布置方式）和雙基站-橫向雙標(biāo)簽布置方式（下文簡(jiǎn)稱TBH布置方式）。

1.2 無人駕駛導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)組成及工作原理

農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)主要由 2組UWB基站-標(biāo)簽套件（DWM1000 UWB模塊，其測(cè)量距離≤300 m，測(cè)距精度±5 cm）、STM32控制器、人機(jī)交互顯示屏（4.3寸LCD電容觸摸屏）和RS485通信接口等組成，如圖3所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先STM32控制器檢測(cè)UWB標(biāo)簽1和UWB標(biāo)簽2與雙UWB基站間的實(shí)測(cè)距離（UWB基站-標(biāo)簽間距離信息是通過雙向雙邊測(cè)距算法自行解算，STM32控制器僅負(fù)責(zé)接收并解析UWB標(biāo)簽輸出的測(cè)距信息），然后STM32控制器依據(jù)解算模型計(jì)算橫向偏差和航向偏差，偏向狀態(tài)判定表格計(jì)算橫向偏差和航向偏差的偏航方位，通過RS485通信接口輸出固定的數(shù)據(jù)幀格式[16]，供給PC機(jī)或下位機(jī)控制器，最后由PC機(jī)或下位機(jī)控制器構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的橫向偏差和航向偏差結(jié)合農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向路徑校正控制器實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航作業(yè)。導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖4所示，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。為便于調(diào)試和簡(jiǎn)化開發(fā)過程，橫向偏差和航向偏差的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一采用16進(jìn)制壓縮BCD碼，利用8字節(jié)數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行輸出，具體設(shè)計(jì)如sxxxyy，sx為符號(hào)位（sx為00表示橫向偏差和航向偏差相對(duì)農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑偏右為正，sx為10表示橫向偏差和航向偏差相對(duì)農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑偏左為負(fù)），xx表示整數(shù)位，yy表示小數(shù)位，數(shù)據(jù)內(nèi)容為橫向偏差和航向偏差。其中，第0字節(jié)是0×01表示位姿參數(shù)報(bào)文的幀標(biāo)識(shí)符，第1、2和3字節(jié)表示橫向偏差，第4、5和6字節(jié)表示航向偏差，第7字節(jié)是校驗(yàn)和，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

表1 導(dǎo)航參數(shù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)表Table 1 Navigation parameter data frame structure table

1.3 田邊雙UWB基站空間偏移情況分析與檢測(cè)

對(duì)于TBZ和TBH布置方式，需要在同一高度水平面安裝UWB基站和UWB標(biāo)簽，在使用過程中，面對(duì)室外開放且需要更換作業(yè)田塊的大田環(huán)境下，UWB基站需要更換布置位置，在布置過程中往往會(huì)存在空間上的隨機(jī)偏移，在對(duì)導(dǎo)航參數(shù)求解時(shí)，必須對(duì)基站偏移進(jìn)行校正。圖5為2種組合布置方式的基站空間偏移示意圖，以農(nóng)田左下角O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，農(nóng)田長(zhǎng)度方向?yàn)閤軸，農(nóng)田寬度方向?yàn)閥軸，垂直地面向上為z軸。改進(jìn)AOA模式的自主導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)是假設(shè)雙 UWB基站中心線與農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑（y軸）平行，雙UWB基站與雙UWB標(biāo)簽處于同一水平面（與地面平行）。然而，雙UWB基站人工布置過程中存在隨機(jī)偏差，具體偏移情況說明如下：

1）雙UWB基站中心線不平行農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑，在xoy平面上的投影與農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑產(chǎn)生夾角，即水平偏角ψ；

2）雙UWB基站中心線應(yīng)與地面平行，雙UWB基站布置高度不一致，與xoy平面產(chǎn)生夾角，即垂直偏角φ；

3）雙UWB基站與雙UWB標(biāo)簽在z軸方向不處于同一水平面（雙UWB標(biāo)簽通過一次性校正處理固定安裝農(nóng)機(jī)車身上保證同一高度，誤差是雙UWB基站布置過程的隨機(jī)誤差造成），在z軸方向產(chǎn)生高度差，即縱垂偏距Vh。

通過偏移情況分析得知，實(shí)際布置的雙UWB基站中心線與假設(shè)的雙UWB基站中心線發(fā)生空間內(nèi)的偏移，實(shí)際參照路徑位置發(fā)生偏移，造成自主導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算誤差，主要原因是UWB基站與UWB標(biāo)簽相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生偏移，導(dǎo)致UWB基站-標(biāo)簽的距離發(fā)生偏移。為了校正基站布置偏移產(chǎn)生的誤差，通過后校正處理方法修正UWB基站-標(biāo)簽的距離值，將雙UWB基站空間內(nèi)的偏移量消除，修正自主導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算誤差。

通過機(jī)載電子羅盤（慧聯(lián)D435三維電子羅盤，測(cè)量精度≤0.1°）預(yù)設(shè)置作業(yè)路徑初始航向，通過另一電子羅盤（慧聯(lián)D435三維電子羅盤，測(cè)量精度≤0.1°）檢測(cè)雙 UWB基站中心線方位角與機(jī)載電子羅盤預(yù)設(shè)置作業(yè)路徑初始航向角并做差得出水平偏角ψ；固定UWB基站的三腳架上裝有測(cè)距傳感器，測(cè)量UWB基站距地面垂直距離，通過計(jì)算UWB基站1和UWB基站2的高度差與基站間距的比值得出垂直偏角φ；農(nóng)機(jī)車身與雙UWB標(biāo)簽同一高度水平安裝激光掃描測(cè)距儀，測(cè)得UWB基站所在水平面高度與雙 UWB標(biāo)簽安裝高度做差即是縱垂偏距Vh。

1.4 農(nóng)機(jī)車身姿態(tài)角分析與檢測(cè)

農(nóng)機(jī)在大田作業(yè)時(shí)，由于地表不平會(huì)導(dǎo)致農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)俯仰角和橫滾角，影響檢測(cè)精度[17]。為盡可能避免多徑干擾對(duì)UWB信號(hào)的影響，UWB標(biāo)簽離地高度至少 2 m左右[18]，所以即使較小的姿態(tài)角也會(huì)對(duì)導(dǎo)航參數(shù)產(chǎn)生較大影響。因此，必須對(duì)農(nóng)機(jī)姿態(tài)角對(duì)導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行誤差校正。俯仰角和橫滾角僅影響橫向偏差的檢測(cè)精度，本文采用后校正處理方法修正補(bǔ)償誤差。俯仰角是農(nóng)機(jī)縱向中心軸線與水平地表面的夾角，俯角為正，仰角為負(fù)；橫滾角是農(nóng)機(jī)橫向中心軸線與水平地表面的夾角，沿作業(yè)方向左傾為負(fù)，右傾為正。農(nóng)機(jī)車身的俯仰角和橫滾角由安裝在車體上的電子羅盤檢測(cè)得出。

2 無人駕駛導(dǎo)航參數(shù)解算模型

改進(jìn)AOA模式農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛導(dǎo)航參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)首先根據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)幅寬、農(nóng)機(jī)實(shí)際作業(yè)所在行數(shù)和雙UWB基站天線中心線距田邊垂直距離計(jì)算理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離（農(nóng)機(jī)所在作業(yè)行與雙UWB基站天線中心線的垂直距離）、然后計(jì)算農(nóng)機(jī)車身安裝的雙UWB標(biāo)簽天線中心與雙 UWB基站天線中心線的垂直距離作為實(shí)時(shí)計(jì)算農(nóng)機(jī)橫向偏差和航向偏差依據(jù)。

2.1 理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離計(jì)算

理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離是本文求解農(nóng)機(jī)車身橫向偏差的一個(gè)關(guān)鍵變量，隨著農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航作業(yè)的轉(zhuǎn)彎換行完成，理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離增大，即農(nóng)機(jī)所在作業(yè)行與基站的理論垂直距離增大。隨著作業(yè)行數(shù)增大，理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離也增大。由于往復(fù)作業(yè)模式分為農(nóng)機(jī)沿長(zhǎng)邊行走和沿短邊行走，因此，農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)彎換行次數(shù)不同，并且轉(zhuǎn)彎換行的最大次數(shù)與農(nóng)田的長(zhǎng)、寬和農(nóng)機(jī)作業(yè)幅寬有關(guān)，因此，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)無人駕駛?cè)^程自主導(dǎo)航，還需要確定最大轉(zhuǎn)彎次數(shù)和理論目標(biāo)作業(yè)路徑的關(guān)系。圖6是最大轉(zhuǎn)彎次數(shù)和理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離計(jì)算方法示意圖。由于目前國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)種植較多采用等幅寬，因此理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離的計(jì)算僅由農(nóng)機(jī)的具體作業(yè)行數(shù)和農(nóng)機(jī)作業(yè)幅寬確定，如式（1）所示。圖7為目標(biāo)作業(yè)路徑距離和最大換行轉(zhuǎn)彎次數(shù)計(jì)算流程，理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離計(jì)算公式如式（2）所示。

式中Kmax1為沿短邊作業(yè)的轉(zhuǎn)彎次數(shù)；Kmax2為沿長(zhǎng)邊作業(yè)的轉(zhuǎn)彎次數(shù)；[]表示取整。

式中K為實(shí)際作業(yè)所在行數(shù)，第一行作業(yè)時(shí)K為0。

2.2 TBZ組合布置方式

2.2.1 導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算

圖8為TBZ布置方式正向和反向作業(yè)工況下導(dǎo)航參數(shù)解算模型，首先假設(shè)雙UWB基站布置不存在偏移，根據(jù)UWB基站-標(biāo)簽的幾何關(guān)系，求解農(nóng)機(jī)任意姿態(tài)情況下農(nóng)機(jī)車身關(guān)于理論目標(biāo)作業(yè)路徑的橫向偏差X和航向偏差θ，如式（3）所示。

式中X為農(nóng)機(jī)車身橫向偏差，m；Hb為UWB標(biāo)簽1距地面高度，m；α為農(nóng)機(jī)車身俯仰角，（°）；β為農(nóng)機(jī)車身橫滾角，（°）。

式（3）是假設(shè)雙UWB基站布置不存在偏移，但雙UWB基站在田間通過人工布置，空間上存在隨機(jī)的偏移誤差，因此，雙UWB基站布置不存在空間偏移的情況是不存在的。雙UWB基站布置的空間偏移會(huì)導(dǎo)致農(nóng)機(jī)車身關(guān)于理論目標(biāo)作業(yè)路徑的橫向偏差X和航向偏差θ的檢測(cè)精度降低，影響農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航作業(yè)性能，必須對(duì)雙UWB基站的空間偏移進(jìn)行誤差校正。

根據(jù)圖5可知，雙UWB基站布置偏移主要包括水平偏角ψ、垂直偏角φ和縱垂偏距Vh，其中，水平偏角ψ根據(jù)基站偏移方位需要分為正負(fù)區(qū)間考慮，在UWB基站1發(fā)生水平偏移，水平偏角ψ∈(-π/2,0]在負(fù)區(qū)間時(shí)d12和d22出現(xiàn)測(cè)量誤差；在 UWB基站 2發(fā)生水平偏移，水平偏角ψ∈[0,π/2)在正區(qū)間時(shí)d11和d21出現(xiàn)測(cè)量誤差；雙UWB基站中心軸線水平面與雙 UWB標(biāo)簽中心軸線水平面的高度差縱垂偏距Vh同時(shí)影響d11、d12、d21和d22；垂直偏角φ使UWB基站1相對(duì)于UWB基站2縱垂方向出現(xiàn)高度差，導(dǎo)致UWB基站中心軸線的延長(zhǎng)線與y軸之間產(chǎn)生夾角，使d11和d21出現(xiàn)測(cè)量誤差，綜上得到，如式（4）和式 （5），雙 UWB 基站空間偏移的誤差校正方程。ψ∈(-π/2,0]或ψ∈[0,π/2)情況下，分別通過式（4）或式（5）求出的d12′和d22′替換式（3）中的d12和d22，d11′′和d21′′替換式 （3）中的d11和d21，求解橫向偏差X和航向偏差θ。

式中d12′為UWB標(biāo)簽1與UWB基站2距離d12的偏移校正值，m；d22′為UWB標(biāo)簽2與UWB基站1距離d22的偏移校正值，m；d11′′為UWB標(biāo)簽1與UWB基站1距離d11的偏移校正值，m；d21′′為UWB標(biāo)簽2與UWB基站1距離d21的偏移校正值，m。

2.2.2 農(nóng)機(jī)車身偏航狀態(tài)判定

根據(jù)農(nóng)機(jī)車身中心點(diǎn)關(guān)于農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑的位置關(guān)系，即農(nóng)機(jī)車身中心點(diǎn)距雙UWB基站中心線的垂直距離H與理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離x的差值正負(fù)確定橫向偏差X的偏向方向。表2是TBZ布置方式的橫向偏差判定表格，當(dāng)h1=h2=x時(shí)，農(nóng)機(jī)車身不存在橫向偏差。根據(jù)UWB標(biāo)簽1和UWB標(biāo)簽2距雙UWB基站中心線的位置關(guān)系，即根據(jù)UWB標(biāo)簽1距雙UWB基站中心線的垂直距離h1與UWB標(biāo)簽2距雙UWB基站中心線的垂直距離h2的差值正負(fù)判斷農(nóng)機(jī)車頭相對(duì)農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑的航向偏差θ的偏向方向，表3是TBZ布置方式的航向偏差判定表格。

表3 TBZ布置方式的航向偏差狀態(tài)判定Table 3 Determination of heading deviation state of TBZ layout

2.3 TBH組合布置方式

2.3.1 導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算

圖9為TBH布置方式正向和反向作業(yè)工況下導(dǎo)航參數(shù)解算模型。與TBZ布置方式類似，根據(jù)三角形關(guān)系考慮基站布置空間偏移和農(nóng)機(jī)存在姿態(tài)角情況下，求解農(nóng)機(jī)本體關(guān)于目標(biāo)作業(yè)路徑的橫向偏差X和航向偏差θ，如式（6）所示，ψ∈ (-π/2,0]時(shí)，由式（4）中求出的d12′和d22′替換式（6）中的d12和d22，d11′′和d21′′替換式（6）中的d11和d21計(jì)算求解橫向偏差X和航向偏差θ；ψ∈[0,π/2)時(shí)，由式（5）中求出的d12′和d22′替換式（6）中的d12和d22，d11′′和d21′′替換式（6）中的d11和d21計(jì)算求解橫向偏差X和航向偏差θ。

2.3.2 農(nóng)機(jī)車身偏航狀態(tài)判定

根據(jù)農(nóng)機(jī)車身中心點(diǎn)關(guān)于農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑的位置關(guān)系，即農(nóng)機(jī)車身中心點(diǎn)距雙UWB基站中心線的垂直距離H與理論目標(biāo)作業(yè)路徑距離x的差值正負(fù)確定橫向偏差X的偏向方向.表4是TBH布置方式的橫向偏差判定表格。根據(jù)UWB標(biāo)簽1和UWB標(biāo)簽2距UWB基站1的實(shí)際距離位置關(guān)系以及UWB標(biāo)簽1和UWB標(biāo)簽2距UWB基站2的縱向相對(duì)位置關(guān)系判斷農(nóng)機(jī)車頭相對(duì)農(nóng)機(jī)目標(biāo)作業(yè)路徑的航向偏差θ的偏向方向，表5是TBH布置方式的航向偏差判定表格。

表4 TBH布置方式的橫向偏差狀態(tài)判定Table 4 Determination of lateral deviation state of TBH layout

表5 TBH布置方式的航向偏差狀態(tài)判定Table 5 Determination of heading deviation state of TBH layout

2.4 影響檢測(cè)精度的關(guān)鍵參數(shù)分析

雙UWB標(biāo)簽中心距雙UWB基站中心軸線的垂直距離（h1和h2）是通過三角形面積的海倫凱勒公式求得，通過分析，影響h1和h2計(jì)算精度與雙UWB基站間距（dj）和UWB基站-標(biāo)簽的實(shí)測(cè)距離有關(guān)，其中UWB基站-標(biāo)簽測(cè)距是不可控的隨機(jī)誤差，可以通過改變雙UWB基站間距（dj）提高測(cè)量精度。橫向偏差由雙UWB標(biāo)簽距雙UWB基站中心軸線的垂直距離（h1和h2）、雙UWB標(biāo)簽間距（db）與目標(biāo)作業(yè)路徑距離（x）的差值關(guān)系求得，所以橫向偏差檢測(cè)精度與雙 UWB基站間距（dj）和雙UWB標(biāo)簽間距（db）有關(guān)。航向偏差由雙UWB標(biāo)簽距雙 UWB基站中心軸線的垂直距離（h1和h2）差值與雙UWB標(biāo)簽間距（db）的比值反三角函數(shù)求得，因此可知：航向偏差的檢測(cè)精度與雙UWB基站間距（dj）和雙UWB標(biāo)簽間距（db）有關(guān)。

通過上述分析可知，除基站布置偏移和農(nóng)機(jī)姿態(tài)角對(duì)檢測(cè)精度影響外，所以 2種布置方式的基站布置間距和標(biāo)簽布置間距對(duì)檢測(cè)精度影響較大。下文針對(duì)雙UWB基站間距和雙UWB標(biāo)簽間距對(duì)檢測(cè)精度的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3 室外試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)選用 DWM1000 UWB模塊，其測(cè)量距離≤300 m，測(cè)距精度±5 cm，采用STM32F103ZET6正點(diǎn)原子開發(fā)板，具備LCD電容觸摸交互顯示屏，RS485輸入/輸出端口、工業(yè)級(jí)USB轉(zhuǎn)RS485數(shù)據(jù)傳輸模塊，試驗(yàn)在江蘇大學(xué)京江操場(chǎng)進(jìn)行，如圖10所示。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

以GB/T 37164—2018《自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)作業(yè)性能要求及評(píng)價(jià)方法》為依據(jù)[19]，對(duì)TBZ和TBH布置方式進(jìn)行直線導(dǎo)航精度檢測(cè)試驗(yàn)，以偏航距離誤差、導(dǎo)航誤差和變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，驗(yàn)證本文研制的農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的可行性以及關(guān)鍵參數(shù)對(duì)檢測(cè)精度性能的影響。

試驗(yàn)時(shí)，以雙UWB基站間距和雙UWB標(biāo)簽間距為自變量，對(duì) 2種不同布置方式的橫向偏差和航向偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)使用較多的拖拉機(jī)、收割機(jī)和插秧機(jī)尺寸[20-21]，農(nóng)業(yè)機(jī)械長(zhǎng)度l=1～5 m；作業(yè)幅寬w=1～3 m；所以雙UWB標(biāo)簽db取值范圍根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)際有效長(zhǎng)度和寬度決定，縱向雙UWB標(biāo)簽db=1～5 m；橫向雙UWB標(biāo)簽db=1～3 m；考慮導(dǎo)航系統(tǒng)搭建時(shí)便捷，雙UWB基站間距設(shè)置dj∈[1,3]，單位：m。因此，設(shè)定雙 UWB基站間距和雙UWB標(biāo)簽間距為1、2和3 m共3個(gè)水平，機(jī)具作業(yè)幅寬以東方紅拖拉機(jī)加旋耕平地機(jī)為參照，設(shè)定為3 m。指標(biāo)計(jì)算方法如式（7）所示。

式中E為檢測(cè)精度（誤差），取正值，m；di為第i個(gè)采樣點(diǎn)的檢測(cè)精度（誤差），m；N為采樣個(gè)數(shù)。

TBZ組合布置方式檢測(cè)精度試驗(yàn)：選取一條長(zhǎng)100 m的直線，以1 m為間距進(jìn)行橫向偏差和航向偏差的檢測(cè)精度測(cè)量，為了保證數(shù)據(jù)測(cè)量的有效性，單次測(cè)量 350個(gè)數(shù)據(jù)，重復(fù)3次，并計(jì)算檢測(cè)精度變異系數(shù)[22]。

TBH組合布置方式檢測(cè)精度試驗(yàn)：與TBZ組合布置方式檢測(cè)精度試驗(yàn)方法一致，重復(fù) 3次試驗(yàn)，單次測(cè)量350個(gè)數(shù)據(jù)，記錄橫向偏差和航向偏差的檢測(cè)精度，并計(jì)算檢測(cè)精度變異系數(shù)。

正交試驗(yàn)：通過上述分析可知，影響本文改進(jìn)AOA模式農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)精度的因素有布置方式、基站間距和標(biāo)簽間距，為了進(jìn)一步研究布置方式對(duì)檢測(cè)精度的影響，采取擬水平法進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[23]，試驗(yàn)因素和水平如表6所示，并進(jìn)行方差分析、顯著性和主次影響因素分析以及最優(yōu)組合參數(shù)確定。

表6 試驗(yàn)因素及水平表Table 6 Test factors and level table

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表7可知，為TBZ布置方式在基站間距固定情況下，隨著標(biāo)簽間距增大，橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度均有提高，在標(biāo)簽間距固定情況下，隨著基站間距增大橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度均有提高，橫向偏差檢測(cè)誤差不大于8 cm，最大變異系數(shù)為10%，最小變異系數(shù)為 7.29%，航向偏差檢測(cè)誤差小于 1°，變異系數(shù)在 3%以下，最大變異系數(shù)為2.55%，最小變異系數(shù)為0.40%，檢測(cè)精度穩(wěn)定且基本滿足導(dǎo)航需求。因此，在滿足機(jī)具尺寸要求和系統(tǒng)使用便捷性的前提下，應(yīng)選取較大基站間距和標(biāo)簽間距。

在基站間距和簽間距固定情況下，TBH布置方式，隨著標(biāo)簽間距或基站間距增大，橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度均有提高基本呈線性變化；橫向偏差檢測(cè)誤差小于8 cm，最大變異系數(shù)為10%，最小變異系數(shù)為3.45%，航向偏差檢測(cè)誤差小于 1°，變異系數(shù)在 1%以下，最大變異系數(shù)為1.00%，最小變異系數(shù)為0.34%，檢測(cè)精度穩(wěn)定且基本滿足導(dǎo)航需求。因此，在滿足機(jī)具尺寸要求和系統(tǒng)使用便捷性的前提下，應(yīng)選取較大基站間距和標(biāo)簽間距。

根據(jù)表7的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，在同樣限制條件下，TBZ組合布置方式的檢測(cè)精度優(yōu)于TBH組合布置方式的檢測(cè)精度。表8為正交試驗(yàn)結(jié)果與方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，方差分析表明：基站間距顯著影響橫向偏差檢測(cè)精度，標(biāo)簽布置方式和標(biāo)簽間距顯著影響航向偏差檢測(cè)精度；標(biāo)簽布置方式和標(biāo)簽間距對(duì)橫向偏差檢測(cè)精度影響不顯著，基站間距和標(biāo)簽間距對(duì)航向偏差檢測(cè)精度影響顯著。

表7 TBZ和TBH布置方式試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of TBZ and TBH layout mode

表8 試驗(yàn)結(jié)果與方差統(tǒng)計(jì)Table 8 Experiment results and variance statistics

表9為最佳組合布置方式分析表，影響橫向偏差檢測(cè)精度的主次因素分別是基站間距、標(biāo)簽間距、標(biāo)簽布置方式。橫向偏差最優(yōu)方案是A1B3C3，說明適當(dāng)增加基站間距有助于提高橫向偏差檢測(cè)精度。航向偏差的最優(yōu)方案是A1B1C3，說明影響航向偏差檢測(cè)精度的主次因素分別是標(biāo)簽布置方式、標(biāo)簽間距、基站間距。農(nóng)機(jī)在大田進(jìn)行自主導(dǎo)航作業(yè)時(shí)橫向偏差檢測(cè)精度比航向偏差檢測(cè)精度要求高，因此本文最佳組合選取A1B3C3。農(nóng)機(jī)車身標(biāo)簽布置因根據(jù)農(nóng)田場(chǎng)景和農(nóng)機(jī)車身尺寸的實(shí)際情況進(jìn)行，當(dāng)不方便采用縱向雙UWB標(biāo)簽布置，則需要采用橫向雙UWB標(biāo)簽布置，此時(shí)最佳組合選取A2B3C3。

表9 最佳組合布置方式影響因素分析表Table 9 Analysis table of influencing factors of optimal combination layout mode

根據(jù)正交試驗(yàn)分析可知，不同基站-標(biāo)簽間距組合對(duì)橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度誤差有交互作用，如表10所示。圖11為不同基站-標(biāo)簽間距組合對(duì)橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度誤差交互作用的擬合結(jié)果。式（8）和式（9）為不同基站-標(biāo)簽間距組合對(duì)橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度交互作用影響方程。

表10 不同基站-標(biāo)簽間距組合對(duì)橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度交互作用表Table 10 Interaction of different base station-label spacing combinations on lateral and heading deviation detection accuracy

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

如圖12所示，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，將UWB標(biāo)簽搭載在自制電動(dòng)底盤上，在靜態(tài)試驗(yàn)的路徑上以固定勻速行駛進(jìn)行連續(xù)采樣試驗(yàn)，以國(guó)內(nèi)大田農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)組田間作業(yè)低速（3和4 km/h）、中速（5和6 km/h）和高速（7和8 km/h）共6個(gè)水平開展模擬試驗(yàn)，為了保證數(shù)據(jù)測(cè)量的有效性，每個(gè)速度水平下重復(fù)3次試驗(yàn)，按照式（7）計(jì)算位姿檢測(cè)精度及變異系數(shù)。

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

按照上述車速設(shè)定的工況下，以 2種不同標(biāo)簽布置方式的最佳組合開展試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的檢測(cè)效果。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表11為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)于TBZ和TBH組合布置方式的橫向偏差精度均不超過10 cm，變異系數(shù)小于3%，航向偏差的檢測(cè)精度均小于 3°，變異系數(shù)不大于10%，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

從表11可知，隨著車速增大，橫向偏差和航向偏差的檢測(cè)精度有所降低，但變異系數(shù)均小于 10%，說明系統(tǒng)工作性能是穩(wěn)定的。在低速和中速情況下，2種組合布置方式的橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度，隨著車速增加精度略有降低，但是波動(dòng)不大，主要原因是低速工況下UWB信號(hào)傳輸分辨率不受影響。對(duì)比于低速和中速情況，在高速情況下，2種組合布置方式下，隨著車速增加橫向偏差檢測(cè)精度下降了2～3 cm左右，航向偏差檢測(cè)精度下降了3°。由此可以看出，高速行駛對(duì)檢測(cè)精度影響極大，但仍然具有較高的檢測(cè)精度。

表11 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 11 Dynamic test results

4 結(jié) 論

針對(duì)目前生態(tài)無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)以及現(xiàn)有大田環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航技術(shù)不足，本文選用UWB測(cè)距傳感器設(shè)計(jì)改進(jìn)AOA模式農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，以期在大田環(huán)境下實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的成本低、精度高和使用便捷自主導(dǎo)航調(diào)控，主要結(jié)論如下：

1）設(shè)計(jì)了平行目標(biāo)作業(yè)路徑布置的雙UWB基站，農(nóng)機(jī)本體上安裝雙UWB標(biāo)簽，明確了2種布置方式，考慮基站布置偏移和農(nóng)機(jī)姿態(tài)偏角對(duì)檢測(cè)精度影響，建立導(dǎo)航參數(shù)解算模型和農(nóng)機(jī)車身偏向狀態(tài)判定分析表，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)進(jìn)行農(nóng)機(jī)車身關(guān)于目標(biāo)作業(yè)路徑的橫向偏差和航向偏差解析。

2）室外靜態(tài)試驗(yàn)表明：對(duì)于田邊雙基站-車身縱向雙標(biāo)簽組合布置方式（TBZ布置方式）和田邊雙基站-車身橫向雙標(biāo)簽組合布置方式（TBH布置方式），隨著基站間距或標(biāo)簽間距增大的情況下，系統(tǒng)檢測(cè)精度均有所提高，橫向偏差檢測(cè)精度誤差小于 8 cm，航向偏差檢測(cè)精度誤差小于1°，最大變異系數(shù)均不超過10%，檢測(cè)性能穩(wěn)定；2種布置方式對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，TBZ布置方式的檢測(cè)性能優(yōu)于TBH布置方式，基站間距對(duì)橫向偏差檢測(cè)精度影響顯著，可以通過適當(dāng)增大基站間距獲取高精度橫向偏差檢測(cè)性能，影響橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度的主次因素為基站間距、布置方式、標(biāo)簽間距，標(biāo)簽間距對(duì)橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度影響不顯著。在TBZ布置方式下，基站間距為3 m和標(biāo)簽間距為3 m條件下，橫向偏差和航向偏差檢測(cè)精度為4.25 cm和0.0009°，最佳組合方式是橫向雙UWB標(biāo)簽布置，基站間距3 m，標(biāo)簽間距3 m。

3）室外動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：橫向偏差和航向偏差的位姿檢測(cè)精度略有降低，但橫向偏差檢測(cè)精度誤差仍然保持在10 cm以內(nèi)，航向偏差檢測(cè)精度不大于3°，最大變異系數(shù)不超過10%，符合大田導(dǎo)航作業(yè)的精度需求。

本研究的改進(jìn)AOA模式農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)橫向偏差和航向偏差高精度檢測(cè)。影響自主導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)精度的因素較多，其中主要有傳感器自身精度、信號(hào)數(shù)據(jù)失效和傳感器布置安裝精度，針對(duì)上述因素，下一步擬開展冗余信息處理、失效容錯(cuò)機(jī)制判斷和慣性測(cè)量模塊融合校正算法等研究，以提高自主導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)精度，為研制大田環(huán)境下高精度和低成本農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。