割草機(jī)器人工作原理及試驗(yàn)研究——基于GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)

賀 濤，肖 勇

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，四川 宜賓 611231)

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割草機(jī)器人工作原理及試驗(yàn)研究
——基于GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)

賀 濤，肖 勇

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，四川 宜賓 611231)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)人民生活水平不斷提升，多種人工作業(yè)逐漸被機(jī)器所取代。GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠有效提升割草機(jī)器人定位精度，克服傳統(tǒng)割草機(jī)器人固有弊端，提高工作效率。為此，對(duì)GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理展開了分析，進(jìn)行了GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)割草機(jī)器人研究，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)割草機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)割草機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。

割草機(jī)器人；GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)；試驗(yàn)研究

0 引言

智能機(jī)器人已經(jīng)開始逐漸滲入到人們的生活中，代替人力作業(yè)提高各種工作效率，割草機(jī)器人就是其中一種。割草機(jī)器人在其他硬件方便并不存在技術(shù)難題，研究重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確定位。傳統(tǒng)割草機(jī)器人大多采用電纜在指定區(qū)域圍繞出工作范圍，并通過電渦流傳感器方式對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)航，存在導(dǎo)航精度不足、工作范圍比較固定及智能化較低的問題。基于此，出現(xiàn)了以GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)為平臺(tái)的割草機(jī)器人。本文運(yùn)用GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)建立相關(guān)模型，詳細(xì)闡述了GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理，并結(jié)合卡爾曼濾波等相關(guān)知識(shí)論證割草機(jī)器人可靠性，為割草機(jī)器人發(fā)展提供新思路。

1 GPS/DR 組合導(dǎo)航系統(tǒng)及原理

1.1 GPS/DR 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS是全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)的英文簡(jiǎn)稱。GPS接收裝置是離散型傳感器，能夠有效感應(yīng)位置、運(yùn)動(dòng)軌跡和速度。GPS是當(dāng)前常用的導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用廣泛；但在使用過程中，GPS信號(hào)容易中斷，會(huì)出現(xiàn)接受裝置信號(hào)丟失狀況。若單獨(dú)適應(yīng)GPS作為導(dǎo)航系統(tǒng)，容易受到外界干擾，建筑物的遮擋、天氣不好、外界電磁信號(hào)干擾等都會(huì)造成GPS信號(hào)中斷。因此，需要借助其他傳感設(shè)備與GPS設(shè)備相互配合使用，克服GPS信號(hào)不穩(wěn)定狀況。DR(數(shù)字羅盤)是另一種定位系統(tǒng)，信號(hào)穩(wěn)定，能在惡劣環(huán)境中保持其可靠性；DR的缺點(diǎn)是定位精度存在問題，因此需要另一種定位系統(tǒng)輔助提升精度。因此，GPS/ DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)誕生了。

GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)從根本上克服各自作為導(dǎo)航傳感器存在的弊端，二者組合使用性能超過其他定位傳感系統(tǒng)，起到1+1>2的效果。當(dāng)GPS因?yàn)榄h(huán)境因素導(dǎo)致信號(hào)丟失時(shí)，DR系統(tǒng)便會(huì)接替導(dǎo)航，保證導(dǎo)航工作不中斷；當(dāng)DR系統(tǒng)定位精度出現(xiàn)偏差時(shí)，可使用GPS對(duì)其定位進(jìn)行系統(tǒng)校正。GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)互補(bǔ)原則，兩種導(dǎo)航系統(tǒng)完美兼容，相輔相成。不僅如此，GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)在使用過程不僅能夠揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，還能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)最大化。例如，GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)使用過程中，DR系統(tǒng)能夠在一定程度上提高GPS系統(tǒng)對(duì)位置的定位精度。

1.2 GPS導(dǎo)航原理

GPS主要由衛(wèi)星、地面支持系統(tǒng)及地面接收系統(tǒng)組成。GPS接收機(jī)根據(jù)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行定位，在衛(wèi)星能夠覆蓋的地區(qū)皆可進(jìn)行定位。GPS定位系統(tǒng)主要有單點(diǎn)定位方式和差分定位方式兩種：?jiǎn)吸c(diǎn)定位方式原理為通過衛(wèi)星和接收裝置間直線距離，在定位時(shí)以此時(shí)衛(wèi)星瞬時(shí)位置為基準(zhǔn)確定定位點(diǎn)具體位置。導(dǎo)航時(shí)，GPS信號(hào)往往受到環(huán)境因素影響，因此在進(jìn)行高精度導(dǎo)航時(shí)往往誤差較大，因此難以將高精度載波運(yùn)用到割草機(jī)器人定位中，一般采用普通導(dǎo)航方式，即碼偽距定位原理，如圖1所示。接收器在定位時(shí)需要同時(shí)受到4顆及以上衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)才能夠進(jìn)行位置準(zhǔn)確計(jì)算。

圖1 碼偽距定位原理圖

碼偽距定位的優(yōu)點(diǎn)：僅需要1臺(tái)接受裝置即可完成定位工作，實(shí)施起來簡(jiǎn)單易行；自帶數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，用戶可根據(jù)顯示了解相關(guān)信息。其缺點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定性較差，容易受環(huán)境影響造成誤差。

差分GPS系統(tǒng)在地面設(shè)置接收站，并通衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)連接。信息主要從GPS基準(zhǔn)站發(fā)出，根據(jù)其發(fā)射方式差異可將差分GPS分為位置、偽距、相位及相位平滑偽距4類，這4類僅僅發(fā)射信號(hào)方式不同，就原理而言是一樣的。基站接受相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)并與實(shí)際位置進(jìn)行差分處理，計(jì)算出誤差值，使同一時(shí)刻被監(jiān)測(cè)載體得到的數(shù)據(jù)與基站計(jì)算出的誤差結(jié)果吻合，得出結(jié)果后，基站將相關(guān)信息發(fā)送至載體，載體將誤差值進(jìn)行差分，得出較為精確的結(jié)果，反饋到基站。其工作原理圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)差分原理圖

1.3 DR導(dǎo)航的原理

DR導(dǎo)航是一種基于航位推算法的定位技術(shù)，航位推算法主要根據(jù)航向及傳感器感應(yīng)距離方位的組合矢量得到載體相關(guān)位置信息，如圖3所示。

圖3 載體的位置信息坐標(biāo)圖

由圖3可得：xk=x0+∑Sicosθi, yk=y0+∑Sisinθi。其中，(x0,y0)為起始位置，Si、θi分別為某段時(shí)間絕對(duì)位移長(zhǎng)度及航向。

2 GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)卡爾受濾波模型

GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)是波的一種，需要進(jìn)行濾波，傳統(tǒng)割草機(jī)器人不僅活動(dòng)范圍受到拘束，其信號(hào)穩(wěn)定性常受到其他波的干擾。GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用濾波改進(jìn)方案就是利用輔助設(shè)備(濾波器)進(jìn)行誤差確認(rèn)。將狀態(tài)初始值設(shè)置為0，則狀態(tài)估計(jì)值誤差此刻等同于狀態(tài)誤差，一般將其命名為狀態(tài)矢量。實(shí)際操作過程中，可周期性輸入相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正，并定期重置初始值為0，將變量降到最小，以此降低誤差。進(jìn)行濾波計(jì)算時(shí)，可將矩陣元設(shè)置為0，以達(dá)到誤差最小化。為有效觀測(cè)整個(gè)過程，可通過建立卡爾曼濾波過程工作模型。首先，需要建立載體方程，取其狀態(tài)變量為X=[eveaenvnanεψ]。其中，e為東位置分量；n為北位置分量；ve為東速度分量；vn為北速度分量；ae為東加速度分量；an為北加速度分量；ε為誤差，ψ為里程計(jì)標(biāo)定示數(shù)。

X=[e veaen vnanε ψ]T

則統(tǒng)計(jì)模型為X=FX+U+W(t)。系統(tǒng)矩陣方程為

其中，Wxx為各分量的高斯白噪聲；Tne/Tnn為載體加速度變化率條件下預(yù)設(shè)時(shí)間常數(shù)；Tε為一階馬爾可夫過程的相關(guān)時(shí)間常數(shù)。

基于此矩陣即可建立系統(tǒng)量測(cè)方程，在此之前需預(yù)設(shè)幾個(gè)相關(guān)量。用經(jīng)緯度表示GPS接收機(jī)位置，經(jīng)度為eobs(B)，緯度為nobs(L)；DR顯示載體航向?yàn)棣龋恍羞M(jìn)距離為S。因此，可得觀測(cè)矢量Z=[eobsnobsθS]，觀測(cè)方程為eobs=e+v1，nobs=θ+v2，θ=arctan(ve/vn)+ε+εθ,s=S=ΨtSQR(ve2+vn2)+εs。由此可得

Z(t)=h[tX(t)]+V(t)

觀測(cè)線性方程需將其離散，則有

Z(k)=h[k， X(k)]+V(k)

結(jié)合相關(guān)條件展開為泰勒級(jí)數(shù)，可得

在以上幾個(gè)方程基礎(chǔ)上，可拓展自適應(yīng)卡爾曼濾波方程。設(shè)Q(k)為噪聲協(xié)方差矩陣Q離散形式，R為協(xié)方差矩陣，則

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)有效性，通過試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。為保證機(jī)器人在割草中平穩(wěn)行進(jìn)，采用雙道履帶作為行走裝置，動(dòng)力采用兩臺(tái)伺服馬達(dá)，馬達(dá)由PWM信號(hào)控制。機(jī)器人配備微型計(jì)算機(jī)等設(shè)備，并采用LP3300 型數(shù)字羅盤組合Ag GPS132 GPS接收機(jī)，組成GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過串口連接在機(jī)器人主機(jī)控制主板上，機(jī)器人主要控制程序通過C++編寫，主要程序存于機(jī)器人主機(jī)內(nèi)。

試驗(yàn)場(chǎng)地選取在一空曠草地上，方向選為朝北30°，機(jī)器人速度設(shè)置為0.1m/s。試驗(yàn)后對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，繪制成軸線圖,如圖4～圖9所示。

圖4 北向位置估計(jì)誤差

圖5 北向速度估計(jì)誤差

圖6 東向位置估計(jì)誤差

圖7 東向速度估計(jì)誤差

圖8 北向位置推算

圖9 東向位置推算

實(shí)際驗(yàn)證過程中，需將GPS接收器及數(shù)字羅盤接口斷開，以此作為對(duì)比項(xiàng)。試驗(yàn)表明：GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)于GPS或DR單個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)在精度、信號(hào)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等各方面性能都得到顯著提升。

4 結(jié)論

GPS定位技術(shù)是當(dāng)前較為常用的導(dǎo)航技術(shù)，應(yīng)用前景廣泛，為克服GPS定位技術(shù)固有弊端必須采用其他導(dǎo)航感應(yīng)系統(tǒng)作為輔助導(dǎo)航資源。通過組合導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)⒏鱾€(gè)子導(dǎo)航系統(tǒng)科學(xué)組織，取長(zhǎng)補(bǔ)短，克服單一定位系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)。本文通過數(shù)學(xué)建模進(jìn)行理論研究，結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證表明：GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠有效克服傳統(tǒng)割草機(jī)器人的不足之處，提高工作效率，促進(jìn)智能化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

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Robot Mower Working Principle and Experimental Research——Based on the GPS/DR Integrated Navigation System

He Tao, Xiao Yong

(Department of Information Engineering, Sichuan Water Conservancy Vocational College, Yibin 611231，China)

With the continuous development of the national economy, the people's living standards continue to improve, a variety of that the operation mode is gradually replaced by the machine.The 21st century is the era of intelligent, mowing also need to intelligent robot replace traditional manual work mowing robot requires the is quite intelligent.Automatic positioning and navigation system is required. GPS/DR integrated navigation system can effectively improve the positioning accuracy of mowing robot, to overcome the inherent drawbacks of traditional robot lawn mower, let the mowing robot can effectively serve the people. The GPS/DR integrated navigation system principle analysis and carry on the research for GPS/DR integrated navigation system for Robot Mower, develop the correlation experimental study and verification of GPS/DR integrated navigation system for Robot Mower with respect to the advantages of traditional robot lawn mower.

robot mower； GPS/DR integrated navigation system; experimental study

2016-06-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175515)

賀 濤(1977-)，女，四川宜賓人，講師，(E-mail)hetao06051@163.com。

S817.11+1；TP242

A

1003-188X(2017)08-0191-04