農用無人機高精度定位系統研究

陶婧

摘要：傳統的農用無人機高精度定位系統定位精度未達到預期效果，為了解決這一問題，設計一種新的農用無人機高精度定位系統。系統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。系統軟件部分利用3維點深度算法完成農用無人機高精度定位系統流程設計。軟、硬件結合完成農用無人機高精度定位系統的設計。實驗結果表明，所提系統在靜態測試5 h后的CEP為2.538 9 m，傳統系統在靜態測試5 h后的CEP為6.305 2 m。實驗結果說明所提系統單點定位精度更高，實際應用效果更好。

關鍵詞：農用無人機;高精度定位;硬件結構;軟件功能;GPS 芯片;陀螺儀

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：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

無人機是根據事先編寫好的程序自主完成飛行的不載人飛機，在軍事領域可用于目標偵查和巡檢，在民用領域可用于娛樂拍攝或農業等方面[1]。目前，農用無人機已在農業領域得到廣泛應用，如用裝載攝像頭和感應器的無人機來監測農作物生長狀態、病蟲害情況或者定點精確噴灑殺蟲劑和農藥等等，而這一過程的實現需要利用無人機進行高精度定位。在田間作業時，單點定位精度的無人機無法按照預定的路線噴灑農藥，在多點無人機定位配合時還容易發生碰撞，造成嚴重后果。因此，相關的農用無人機定位系統的研究受到廣泛關注。

文獻[2]中設計了一種基于GPS（Global Positioning System，全球定位系統）和GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術）的混合農業無人機高精度定位系統，利用GPRS彌補GPS在復雜地理環境中定位準確性較差的問題，建立包括無人機和地面監控站在內的導航定位架構，利用主控模塊、傳感器單元和電源組件系統硬件環境，并結合STM32設計系統軟件運行流程，實現對混合農業無人機定位系統的設計。該系統可以有效消除GPS測量誤差，但是無法根據不同的差分測量值實現高精度定位。為此，本文研究了一種新的農用無人機高精度定位系統，并通過仿真實驗驗證該系統的可行性。

1 硬件功能設計

為設計穩定、高效的系統硬件電路，必須選擇合適的電子元器件。選型過程如下：

首先選擇無人機飛控板的主要電子元器件，實現對無人機飛行狀態的控制，使得無人機能夠采集到有效的環境信息，為軟件部分真實環境尺度信息估計過程提供支持。主控芯片要求：1）可以接收遙控器傳來的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制技術）波信號;2）能夠準確計算PWM波信號占空比;3）讀取GPS和氣壓計、陀螺儀等傳感器的數據;4）計算出無人機在各個方向上的姿態角。運用PID運算，得到無人機控制信號;5）將控制信號以PWM波信號的形式，傳送給無人機的電調電機，當無人機接收到控制信號，即可執行各種飛行動作。

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

GPS芯片需能夠解算天線的GPS信號，以滿足軟件部分初始位姿估計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，性能參數為：Atlas-V支持各種外圍設備，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，運算能力能夠達到實驗要求，且能提供差分運算所需要的原始數據。表1為SNB1008芯片技術指標。

接下來選擇陀螺儀。無人機可以利用陀螺儀的3個旋轉軸上的角速度，對角速度上的時間做積分，這樣就可以準確計算出無人機的姿態角[4]。陀螺儀需具備高度靈敏度，故選用慣性傳感器MPU9250，其性能參數如下：支持速率高達400 kHz，可在2.4～3.6 V工作。MPU9250中包含加速度計，可測量物體的加速度。當物體加速度為0時，可以根據加速度計在3個坐標軸上的受力大小推算出物體的傾斜姿態角。

最后，選擇飛控板的印刷線路板（PCB）。本設計采取兩面板，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]，其結構如圖1所示。

2 軟件功能設計

為保證農用無人機高精度定位系統能夠準確估計出地圖相對真實環境的尺度信息，引入3維點深度算法，設計農用無人機高精度定位流程如下：

第1步：初始化過程。以幀圖像為基準構建金字塔，提取特征點。若第1幀圖像提取的特征點大于設定閾值，就可以對其右側右幀圖像做光流跟蹤，解算出左幀圖像與右幀圖像的單點矩陣。完成上述計算步驟后，要求解出當前跟蹤的特征點內點數。若求算結果小于閾值，就要標記左幀圖像的關鍵幀，再將其添加到地圖當中。需要注意的是，同時刻的左右2幀圖像都需要經過殘差計算，否則得到的圖像是未經過初始化的[6]。

第2步：初始位姿估計。應用相機標定初始位置，先確定左右相機的相對位姿，再將當前時刻的左幀圖像假設為單位矩陣[7]。通過多幀特征檢測，即可得知當前左幀特征點位置的深度。然后估計當前時刻的右幀圖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。得知當前左幀圖像的某個特征塊的位置和深度，就可以將該特征投影到坐標系當中，該三維空間坐標系是定義左攝像機坐標系的。完成左幀圖像投影后，需要位姿轉換，得到右攝像機坐標系的三維坐標[8]。

第4步：解算結果輸出。運用RTK定位程序解算左幀圖像和右幀圖像的三維坐標，即可得到串口讀取的數據[9]。先運用迭代最小二乘法單點定位用戶的接收機，再由接收基準站通過網絡發送定位數據，并保存到數據庫，作為相對定位。相對定位是基于用戶接收機完成的，觀測相同位的時鐘和位置等數據[10]。解算成功后，運用EKF算法驗證浮點解，經過驗證后，通過LAMBDA算法搜索整周模糊度，經過驗證的為固定解。由此，得到定位位置結果。

3 實驗分析

完成農用無人機高精度定位系統設計后，進入實驗部分，分別測試傳統的農用無人機高精度定位系統與所提系統的定位精度在靜態5小時下的定位精度，是否能夠達到預期效果。實驗過程如下。

3.1 實驗環境

為驗證所提的農用無人機高精度定位系統的可行性，設計如下仿真實驗。

實驗主要器材有：

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功耗極低和標配20 Hz的數據更新率，比其他的雙頻板卡性價比更高。雙頻板卡負責輸出高精度基站坐標數據;U-BLOX定位模塊選擇深圳市德速科技有限公司開發的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，內置SAW+LNA，可支持多系統定位;U-BLOX定位模塊負責采集單點定位數據的。實驗中，需將U-BLOX定位模塊與串口轉USB模塊連接，將定位數據保存在電腦上。

農用無人機選用植保無人機六旋翼10L，源自濰坊安飛智能科技有限公司。無人機實物圖如圖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天線，通過putty遠程登錄啟動RTK程序。實驗結束后，利用Matlab算法分析定位數據。

為保證實驗結果的有效性，將文獻[2]中的基于GPS和GPRS的混合農業無人機高精度定位系統所謂對比系統（以下簡稱傳統系統），通過對比定位精度來判斷不同系統的有效性。

3.2 實驗結果分析

將無人機放置樓頂，在同一處采集靜態數據5 h，衡量系統定位指標選擇CEP 。CEP是誤差概率單位。記錄不同系統在靜態測試5 h后的定位效果，結果如圖4、圖5所示。

從實驗結果可以看出，使用本系統靜態測試5 h單點定位精度CEP為2.538 9 m;使用傳統系統靜態測試5 h單點定位精度CEP為6.305 2 m，且大多數點都是重合的，未達到預期效果。

由此可知，本系統相比傳統系統定位精度更高，應用效果更好。

4 結束語

針對傳統系統存在的定位精度不足的問題，設計一種新的農用無人機高精度定位系統。系統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成。系統軟件采用三維點深度算法完成農用無人機高精度定位系統流程設計。將軟、硬件部分結合，完成對農用無人機高精度定位系統的設計。在實驗部分分別測試傳統系統與本系統的定位精度，實驗結果表明，本系統定位精度更高。

參考文獻：

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