基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 穎，王衛(wèi)星,1b,2，陸健強(qiáng)，胡子昂，黃德威

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電子工程學(xué)院；b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2.國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642)

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基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 穎1a，王衛(wèi)星1a,1b,2，陸健強(qiáng)1a，胡子昂1a，黃德威1a

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電子工程學(xué)院；b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2.國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642)

為滿足精細(xì)農(nóng)業(yè)中農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航對高精度定位數(shù)據(jù)的需求，闡述了GPS差分定位技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中存在的問題，并介紹了CORS技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的重要地位。根據(jù)分析，采用低成本的GPS板卡和4G無線通訊網(wǎng)絡(luò)模塊，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于CORS技術(shù)的低成本農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)靜態(tài)內(nèi)符合精度測試和動(dòng)態(tài)誤差測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，在晴天和陰天2種天氣情況下，其靜態(tài)定位內(nèi)符合精度為7～8cm(95%)；通過多次測量求平均值，其動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)與真實(shí)值的誤差不超過10cm，動(dòng)態(tài)符合度高，可作為高精度的位置傳感器用于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航。

精細(xì)農(nóng)業(yè)；CORS技術(shù)；自動(dòng)導(dǎo)航；低成本；4G網(wǎng)絡(luò)

0 引言

在精細(xì)農(nóng)業(yè)的推廣和實(shí)施中，為了使農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠在其復(fù)雜的工作環(huán)境中自動(dòng)完成播種、施藥、采摘等工作任務(wù)，GPS定位技術(shù)起到了舉足輕重的作用，其定位精度也成為了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航發(fā)展的關(guān)鍵[1-2]。GPS單機(jī)定位精度低且不穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械定位導(dǎo)航。目前，利用差分定位技術(shù)是提高GPS定位精度的重要手段，但在差分定位系統(tǒng)中對建立差分基準(zhǔn)站的要求非常專業(yè)，過程繁瑣且成本極高，給農(nóng)業(yè)機(jī)械定位的管理者帶來了技術(shù)上的難題和經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)[3]。另外，市場上的差分GPS接收機(jī)產(chǎn)品在性能和定位精度(差分定位)上雖然能夠滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械定位導(dǎo)航要求[4]；但總體來看，這些產(chǎn)品的價(jià)位普遍偏高，其功能在農(nóng)業(yè)機(jī)械復(fù)雜的工作環(huán)境中得不到充分發(fā)揮，在使用上不夠靈活，造成不同程度上的資源和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)[5-6]。

隨著GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展和融合，產(chǎn)生了連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(Continuously Operating Reference System，CORS)。由于CORS是由政府相關(guān)部門建立，在CORS覆蓋范圍內(nèi)，用戶只要申請購買相應(yīng)的服務(wù)，就可以全天候、實(shí)時(shí)地獲取差分源進(jìn)行差分定位。另外，利用GPS—OEM(Original Equipment Manufacturer)和單片機(jī)或計(jì)算機(jī)相結(jié)合，組成定位導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng)，在精細(xì)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的實(shí)例也很常見[7-8]。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械定位管理者只要建立自己的差分定位接收系統(tǒng)，利用CORS進(jìn)行差分定位，就能解決自建差分基準(zhǔn)站所面臨的難題，同時(shí)也能滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械定位的精度[6]。

1 CORS技術(shù)及CORS在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

CORS是在差分GPS(DGPS)和常規(guī)RTK技術(shù)上發(fā)展而來的，是全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)GNSS(Global Navigation Satellite System)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物。CORS的基本原理就是在一定的研究區(qū)域內(nèi)，綜合應(yīng)用GNSS定位技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊、互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立若干個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站，聯(lián)合數(shù)據(jù)通訊鏈路、數(shù)據(jù)中心和用戶終端構(gòu)成一個(gè)局域參考站網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心根據(jù)各種數(shù)學(xué)模型對參考站上傳的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理，實(shí)時(shí)地向不同需求、不同類型的用戶自動(dòng)地提供各種穩(wěn)定可靠的GPS觀測值、改正數(shù)等信息，因而廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)導(dǎo)航、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、國土測繪及交通監(jiān)控等領(lǐng)域[9]。

CORS最大的優(yōu)勢在于在保證定位導(dǎo)航精度的情況下可以降低用戶的工作強(qiáng)度，進(jìn)而降低成本。CORS在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)有主要有以下幾個(gè)方面[10]：

1)利用CORS技術(shù)、無線通信技術(shù)組成的農(nóng)業(yè)機(jī)械車載終端，能夠?qū)崿F(xiàn)田間農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航智能化，完成噴藥、灌溉及施肥等作業(yè)。

2)根據(jù)農(nóng)作物產(chǎn)量和GPS定位信息，能夠精確繪制農(nóng)作物的產(chǎn)量與位置關(guān)系圖。

3)與GIS、RS結(jié)合，根據(jù)農(nóng)作物生長態(tài)勢和土、肥、水之間的空間關(guān)系，繪制肥力分布圖及產(chǎn)量分布圖。

4)根據(jù)蟲、病、草害與農(nóng)作物之間的空間分布關(guān)系，繪制病蟲害分布圖和雜草分布圖等實(shí)時(shí)空間信息分布圖。

5)結(jié)合遙感技術(shù)，進(jìn)行植被覆蓋采樣及產(chǎn)量估計(jì)采點(diǎn)。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)包括主控芯片、GPS板卡、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、人機(jī)交互模塊及供電模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware structure diagram

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體(ST)公司出品的STM32F4作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)GPS板卡定位數(shù)據(jù)采集處理、實(shí)時(shí)接收CORS中心的差分?jǐn)?shù)據(jù)及顯示定位數(shù)據(jù)等。STM32F4是一款高性能的32位單片機(jī)，主頻可達(dá)到168MHz，具有192kB的SRAM、1024KB的FLASH、2個(gè)USB接口和6路串口等硬件資源。

GPS板卡選取Hemisphere公司的P307板卡，該板卡是一款三星七頻板，可同時(shí)接收GPS、GLONASS和北斗信號(hào)，支持RTK工作模式，支持RTCM和CMR格式差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入。P307有4個(gè)端口，端口A、B、C輸出標(biāo)準(zhǔn)的NMEA語句，端口D只接收外部差分信息，本文選取端口A作為定位數(shù)據(jù)輸出端口。由于P307串口是3.3V CMOS電平，故其與STM32F4通信時(shí)，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換電路原理如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選擇龍尚公司的4G模塊，型號(hào)為U8300W，該模塊支持電信、聯(lián)通和移動(dòng)3個(gè)運(yùn)營商的手機(jī)卡。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊沒有SIM卡接口，根據(jù)mini PCI-E標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議設(shè)計(jì)了SIM卡接口電路，其原理如圖3所示。

圖2 串口通信原理圖Fig.2 The principle diagram of serial communication

圖3 SIM卡接口電路圖Fig.3 The interface circuit diagram of SIM card

人機(jī)交互模塊由按鍵和顯示屏組成，按鍵主要用于輸入申請得到的CORS賬號(hào)和密碼；顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)連接、CORS連接及定位等狀態(tài)。電源采用鋰電池供電，保證其在戶外能夠長時(shí)間工作。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 The main program flow chat

該定位差分模塊在進(jìn)行差分定位時(shí)需要GPS板卡先進(jìn)行單機(jī)定位，得到概略的定位信息，并通過串口傳給主控芯片；主控芯片將這些NMEA格式的定位數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到CORS中心，CORS中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立誤差模型來修正定位相關(guān)的誤差，在用戶端附近產(chǎn)生一個(gè)物理上不存在的虛擬參考站，并且計(jì)算出該虛擬站的差分改正數(shù)，通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送給農(nóng)機(jī)差分定位系統(tǒng)；農(nóng)機(jī)差分定位系統(tǒng)接收差分?jǐn)?shù)據(jù)后在GPS板卡上進(jìn)行差分定位，然后GPS板卡輸出高精度定位信息，主控芯片通過串口讀取高精度定位數(shù)據(jù)后在顯示屏上顯示出來。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，USB口使用查詢方式發(fā)送和中斷方式接收。另外，兩個(gè)串口用來與GPS OEM板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：GPS板卡通過串口1發(fā)送NMEA數(shù)據(jù)；主控芯片通過串口2發(fā)送RTCM數(shù)據(jù)給GPS板卡。為了避免串口之間的中斷沖突，在4G模塊撥號(hào)的時(shí)候，只開啟USB口，等待撥號(hào)成功后，才開啟串口1和串口2。

3 數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

307板卡在差分定位后，輸出標(biāo)準(zhǔn)NMEA格式的定位數(shù)據(jù)為WGS-84地心大地坐標(biāo)，不能將立體坐標(biāo)在平面上直接使用，這給農(nóng)機(jī)定位導(dǎo)航和精度測試帶來不便[11]。因此，需要將接收的原始GPS定位數(shù)據(jù)通過高斯-克呂格投影變換轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，以方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理和滿足實(shí)際應(yīng)用需求。具體轉(zhuǎn)換過程如下[12]：

設(shè)原始定位數(shù)據(jù)中的某一個(gè)緯度值為Bο，經(jīng)度值為Lο，其對應(yīng)的弧度分別為B和L，轉(zhuǎn)換后平面直角坐標(biāo)系中縱坐標(biāo)為x，橫坐標(biāo)為y。計(jì)算公式為

(1)

t4+14η4-58t2η2)]+500000

(2)

式中 a—橢球長半軸，a=6378137m；

b—橢球短半軸；

?—橢球扁率，?=(a-b)/a=3.3528107×10-3；

其中，中間變量η=e′cosB，t=tanB，m=lcosB，l=L-Lο(Lο為投影帶中央子午線經(jīng)度：Lο=114°)。

3.2 系統(tǒng)的靜態(tài)精度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和穩(wěn)定性，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院樓頂1個(gè)C級點(diǎn)處進(jìn)行試驗(yàn)。將定位系統(tǒng)固定在該點(diǎn)上，然后連接到廣州市CORS中心，接收RTCM3.0格式差分?jǐn)?shù)據(jù)，分別在晴天和陰天2種天氣條件下，在固定點(diǎn)上做靜態(tài)定位測試9～10min。將采集到的GGA格式定位數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后統(tǒng)計(jì)，定位精度統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

在兩種天氣條件下，對農(nóng)機(jī)差分定位系統(tǒng)的內(nèi)符合精度進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。從圖5可以看出：晴天時(shí)其內(nèi)符合精度小于7cm(95%)，陰天時(shí)其內(nèi)符合精度略大于7cm，在8cm以內(nèi)(95%)；但在晴天和陰天情況下，所有的測試點(diǎn)都落在以平均值為圓心、10cm為半徑的圓內(nèi)。

圖5 系統(tǒng)靜態(tài)定位精度統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistic of system positioning accuracy

3.3 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)精度測試實(shí)驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山運(yùn)動(dòng)場上進(jìn)行。首先在運(yùn)動(dòng)場上畫出半徑為5m的圓，讓所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)工作在廣州市CORS差分模式下沿著圓運(yùn)動(dòng)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，并記錄定位數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，取其相對值后畫出軌跡點(diǎn)圖，如圖6所示。

由圖6可以看出：所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)在沿著半徑為5m的圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，與實(shí)際軌跡的符合度較好，對圓的形狀保持得很好。表1給出定位系統(tǒng)在圓上運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從表1可以看出：測試數(shù)據(jù)計(jì)算的半徑與真實(shí)半徑的誤差在10cm以內(nèi)。這表明，所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)定時(shí)的精度能達(dá)到厘米級，動(dòng)態(tài)符合度高，可為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航提供高精度定位數(shù)據(jù)。

測試最大半徑最小半徑平均半徑誤差15.314.745.050.0525.354.875.100.1035.294.885.070.07

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)，可以免去農(nóng)田管理者自建基準(zhǔn)站的麻煩，且該農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)采用可二次開發(fā)的低成本GPS板卡和4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，在降低成本的同時(shí)其精度也得到保障。經(jīng)試驗(yàn)，基于CORS技術(shù)的低成本農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)在不同天氣情況下，其靜態(tài)定位的內(nèi)符合精度為7～8cm，通過多次測量求平均值，其動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)與真實(shí)值的誤差不超過10cm，動(dòng)態(tài)符合度高，可作為高精度的位置傳感器用于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航。

由于此次試驗(yàn)的地點(diǎn)處于比較空曠的地方，沒有高層建筑的遮擋，所以GPS板卡定位和4G網(wǎng)絡(luò)傳輸都比較理想，該農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)能夠較好地接收CORS中心的差分信息。農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)際的工作環(huán)境可能相對比較惡劣，遮擋物也比較多，可能會(huì)對信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性造成影響，從而影響到農(nóng)業(yè)機(jī)械差分定位系統(tǒng)的精度，這就需要在以后的研究和工作中能夠找到某種算法來利用在差分信號(hào)丟失前的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)定位，保證其精度不會(huì)受到影響。

[1] 李強(qiáng),李永奎.我國農(nóng)業(yè)機(jī)械GPS導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(8):242-244.

[2] 姬長英,周俊.農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014(9):44-54.

[3] 王素珍,吳崇友,袁文勝,等.基于CORS系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械定位問題研究[J].中國農(nóng)機(jī)化, 2011(5):50-52.

[4] 宋亞芳.差分GPS技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].河南農(nóng)業(yè),2014(9):54.

[5] 潘國兵,馮曉,徐兮. CORS系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械定位中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2013,35(7):225-228.

[6] 魏卓,鄭琪,張俐,等.基于GPS-OEM的車載農(nóng)田面積測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010(5):145-149.

[7] 李娜娜,何東健.基于ARM9和GPS的農(nóng)田面積測量儀設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2009,31(5):155-157.

[8] 葛君山.基于單片機(jī)和GPS定位的自主導(dǎo)航采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2016,38(12):237-241.

[9] 黃俊華,陳文森.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社, 2009.

[10] 汪偉,史廷玉,張志全.CORS系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展及展望[J].城市勘測, 2010(3):45-47.

[11] 喬天榮.計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)提高手持式GPS接收機(jī)定位精度的方法與探討[J].測繪與空間地理信息, 2012(4):97-99.

[12] 張智剛,羅錫文,胡煉,等.4種DGPS模塊動(dòng)態(tài)定位精度測試與分析[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010(1):102-107.Abstract ID:1003-188X(2017)06-0120-EA

Design of Agricultural Machinery Differential Positioning System Based on CORS

Shi Ying1a, Wang Weixing1a,1b,2, Lu Jianqiang1a, Hu Ziang1a, Huang Dewei1a

(1.South China Agricultural University, a.College of Electronic Engineering; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education;2.National Engineering Research Center for Breeding Swine Industry, Guangzhou 510642, China)

In order to meet the demand of the high precision data collection in agricultural machinery automatic navigation of precision agriculture, this paper describes the problems of GPS differential positioning technology existing in precision agriculture and shows the important role of CORS technology plays in the precision agriculture. According to the analysis, a low cost GPS board and 4G wireless communication network module are adopted and a low cost agricultural machinery differential positioning system based on CORS technology is designed and developed. Meanwhile, the static inner precision and dynamic error of the system are tested. The result of test shows that the system is stable and its inner precision of static positioning is between 7 and 8 cm(95%) in clear weather or overcast, and error between the dynamic positioning data and the true value is with 10cm during several measures of average value so its dynamic conformity is high. Therefore, the system can be used as high positioning position sensor in agricultural machinery automatic navigation.

precision agriculture; CORS technology; automatic navigation; low cost; 4G network

2016-05-05

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201411019)

石 穎(1989-)，男，廣東揭陽人，碩士研究生，(E-mail)1356516141@qq.com。

王衛(wèi)星(1963-)，男，河北宣化人，博士生導(dǎo)師，博士，中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員(E041200223S)，(E-mail)weixing@scau.edu.cn。

S127

A

1003-188X(2017)06-0120-04