劉曉光,劉秀玲,王光磊

(1.河北大學 電子信息工程學院，河北 保定　071002；2.河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點實驗室，河北 保定　071002)

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基于插秧機運動模型的DGPS野值剔除方法研究

劉曉光1,2,劉秀玲1,2,王光磊1,2

(1.河北大學 電子信息工程學院，河北 保定071002；2.河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點實驗室，河北 保定071002)

摘要：DGPS定位系統(tǒng)在外界干擾的作用下會導致定位信息中含有野值。這些野值對插秧機的精準控制有很大的影響，必須對DGPS的野值進行處理。為此，提出了一種基于插秧機運動學模型的DGPS野值在線剔除方法。該方法根據(jù)插秧機的運動模型設定野值判定閾值，然后采用基于插秧機運動學模型進行推算的估計值對野值進行替換。試驗結果表明該方法能夠很好地剔除DGPS位置信息中的野值。

關鍵詞：插秧機；GPS；野值；運動模型；精準控制

0引言

GPS定位系統(tǒng)由于能夠提供全球性、全天候的三維定位信息，已經(jīng)在陸地、航空航天和航海探測等領域得到了廣泛的應用[1]。伴隨精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械的智能化程度越來越高，在發(fā)達國家GPS定位系統(tǒng)已經(jīng)逐步成為農(nóng)業(yè)機械的標準配置。隨著智能化農(nóng)業(yè)的發(fā)展和逐步推廣，田間作業(yè)對農(nóng)業(yè)機械的定位精度要求越來越高。在空曠的田間DGPS定位系統(tǒng)能夠提供連續(xù)的高精度定位信息，但當農(nóng)機在田間地頭作業(yè)或者周圍有高大建筑物等遮擋時，DGPS輸出的信息會受到干擾而出現(xiàn)一些異常的定位信息。這些異常值即DGPS接收機觀測信息中的野值。這些野值點不能反映農(nóng)機業(yè)機械的實際位置，如果不剔除這些野值，GPS定位系統(tǒng)的定位誤差就會突然增大，從而影響整個農(nóng)業(yè)機械導航控制精度，進而導致不能完成農(nóng)機的精準作業(yè)任務。所以，研究一種DGPS野值在線剔除方法具有實際的意義。

常用的野值剔除算法主要是基于觀測數(shù)據(jù)的殘差特性分析，利用殘差信號的變化規(guī)律對野值進行檢測和替換。一些文獻中，針對不同的對象提出了基于小波變換和時間序列分析等方法的野值檢測方法[2-6]。一些研究人員也提出了基于濾波的自適應野值剔除方法[7-10]。

安利等基于牛頓差值的方法針對飛行參數(shù)數(shù)據(jù)進行了野值處理，仿真試驗效果良好[11]。周含冰等利用濾波信息來消除無人機飛行參數(shù)中的野值，結果表明該方法具有較強的魯棒性[12]。朱新巖等基于數(shù)據(jù)殘差特性分析，使用萊特準則對野值進行判斷，結果表明該方法在初始階段檢測能力較差，穩(wěn)定后能夠較好地剔除數(shù)據(jù)中的野值[13]。祝轉(zhuǎn)民等提出了基于Kalman濾波的野值辨識及剔除方法，有效解決了濾波過程的發(fā)散問題[14]。葛堯等提出了基于小波變換剔除數(shù)據(jù)野點的方法，結果表明：采用小波變換去除了隨機測量誤差與野值點對多普勒頻率的影響[15]。

以上方法雖然能夠檢測野值，但有些算法只對于單個野值的剔除效果很好，不能夠很好地處理連續(xù)多個野值。而有些算法比較復雜，一般不適合在線野值剔除。為此，本文以插秧機為實際應用對象，提出了基于插秧機運動學模型的DGPS野值在線剔除方法。

1插秧機運動學分析

由于插秧機作業(yè)時，一般在平整的農(nóng)田中行走，海拔高度變化很小，所以可以認為插秧機在田間的運動為二維平面運動。忽略海拔高度變化的影響，選擇當?shù)氐乩碜鴺讼底鳛閰⒖甲鴺讼?，建立載體坐標系X-Y-Z，如圖1所示。其中，載體坐標系X軸指向農(nóng)機的縱軸方向，Y軸指向農(nóng)機的左側(cè)，Z軸垂直指向農(nóng)機的正上方，農(nóng)機可簡化為一個矩形塊。參考坐標系的X軸指向東，Y軸指向北。

圖1中，ax、ay和ω分別為插秧機在載體坐標系下沿X軸、Y軸的加速度和繞Z軸的角速度。由于忽略了海拔高度的變化，所以假設插秧機繞載體坐標系X軸和Y軸轉(zhuǎn)動的角速度都為0，在不考慮地球的自傳及哥氏效應的影響下，可得插秧機的運動方程為

(1)

(2)

由以上分析，結合式(1)和式(2)可得插秧機的二維運動模型，有

(3)

圖1　插秧機運動學分析

2基于插秧機運動學模型的野值剔除

根據(jù)插秧機的運動學模型可得在單個采樣周期T內(nèi)，插秧機行駛距離的預測增量為

(4)

定義插秧機位置增量的最大預測值max△d為3倍的△D(見式5)。判定DGPS定位信息為野值的準則為：如果當前時刻的位置增量△D超過最大預測值max△d，則判定當前的DGPS定位點是異常值，需要進行野值剔除。對野值點的處理是采用基于插秧機運動學模型進行推算的方法來對當前位置進行估計。采用前一時刻的位置、當前時刻的速度和航向信息遞推獲得當前時刻位置的估計值來替代野值，則有

maxΔd=3Δd

(5)

(6)

(7)

為避免出現(xiàn)無休止的外推而導致整個導航系統(tǒng)偏離插秧機的真實行駛軌跡，必須限制連續(xù)剔除野值的個數(shù)。經(jīng)實驗表明：當連續(xù)剔除野值個數(shù)超過10個時，基于插秧機運動學模型遞推的估計值與插秧機的實際位置會有較大偏差，已經(jīng)不能用來估計插秧機的實際位置。一般情況下，設置最大連續(xù)剔除野值個數(shù)3

3試驗驗證

3.1數(shù)據(jù)采集

為了驗證所提出的DGPS野值剔除方法的有效性和實用性，人工駕駛插秧機在水泥路面上勻速行駛進行數(shù)據(jù)采集。圖2為本研究采用的洋馬插秧機試驗平臺。其中，GPS接收機安裝在插秧機的左側(cè)，右側(cè)安裝GPS定位系統(tǒng)的供電電池，GPS天線安裝在插秧機的中部。

圖2　插秧機試驗平臺

在試驗場地，部分路段有樹木遮擋，從而影響了GPS導航系統(tǒng)的定位精度，因此GPS導航系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)中含有野值數(shù)據(jù)。為了對比分析，分別針對直線行駛和曲線行駛的進行了數(shù)據(jù)采集，如圖3和圖4所示。

圖3　直線行駛含有野值數(shù)據(jù)

圖4　直線行駛含有野值數(shù)據(jù)

3.2試驗結果分析

圖5 為直線行駛數(shù)據(jù)采用提出的GPS野值剔除方法處理后，GPS導航系統(tǒng)輸出的信息。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，該方法能夠有效地識別出野值并對野值進行處理。由試驗結果可以看出：利用GPS野值剔除方法處理后，在受到干擾時GPS導航系統(tǒng)的輸出信息得到了明顯的改善。

圖6是曲線行駛數(shù)據(jù)利用所提出的方法處理后，GPS導航系統(tǒng)輸出曲線數(shù)據(jù)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：該方法不僅對于能夠有效地識別出孤立的野值點，也能較好地識別出連續(xù)的多個野值點，并對野值進行處理。由試驗結果可以看出：該方法對于曲線行駛的情況下的野值，也具有較好的效果。

圖5　直線行駛剔除野值后數(shù)據(jù)

圖6　處理后的曲線數(shù)據(jù)

4結論

本文提出了一種基于插秧機運動模型的DGPS野值在線剔除方法，該方法根據(jù)插秧機的運動模型設定野值判定閾值，然后采用線性外推的方法對野值進行替換。試驗結果表明：當GPS信號短時間缺失時，在插秧機直線行駛和曲線行駛時，該方法都能夠很好地辨識和剔除野值；經(jīng)過野值剔除后插秧機的導航控制效果得到明顯的改善。當衛(wèi)星信號長時間缺失時，該方法會由于累積誤差的逐漸增大而產(chǎn)生較大的定位誤差，從而導致剔除野值的效果不是很明顯。針對衛(wèi)星信號長時間缺失情況下，導致定位信息中含有大量野值的情況，還有待于進一步研究。

參考文獻：

[1]Kaplan. understanding gps principles and applications[M].Artech House Publishers, 2005.

[2]桑德一,趙建軍,姚剛,等.基于小波變換的著艦引導雷達數(shù)據(jù)剔野算法[J].現(xiàn)代電子技術,2014(13):26-29.

[3]顏東, 張洪鉞.基于辨識ARMA模型的野值剔除方法與卡爾曼濾波修正算法[J].信息與控制，1995,24(3):183-188.

[4]Fabrizio Angiulli, Basta Stefano, Pizzuti Clara. Distance-Based Detection and Prediction of Outliers[J].IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering，2006,18(2):145-160.

[5]Fabrizio Angiulli, Fassetti Fabio. Detecting Distance-Based Outliers in Streams of Data[C]//Proceedings of the sixteenth ACM Conference on information and knowledge management，2007:811-820.

[6]Shinsuke Matsumoto, Kamei Yasutaka, Monden Akito, et al. Comparison of Outlier Detection Methods in Fault-Proneness Models[C]//IEEE Proceedings of the Empirical Software Engineering and Measurement, 2007: 461-463.

[7]蘆琪,張小紅.中國境內(nèi)IGS跟蹤站精密單點定位坐標時間序列頻譜分析[J].大地測量與地球動力學,2014,34(5):64-69,74.

[8]王光鼎,張升康,楊汝良，等.一種基于卡爾曼濾波處理的北斗衛(wèi)星無源組合導航自適應野值剔除方法[J].電子與信息學報,2008,30(8):1981-1984.

[9]朱學鋒,韓榮閣,楊若紅.基于模糊預測系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)野值剔除方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術，2006, 8(3): 478-482.

[10]劉曉光,胡靜濤,白曉平，等.插秧機多傳感器組合導航方法研究[J].農(nóng)機化研究,2014,36 (5):24-30.

[11]安利,葉雪梅.一種飛參數(shù)據(jù)的野值剔除和平滑方法研究[J].現(xiàn)代電子技術,2012,35(18):102-104,107.

[12]周含冰,陳冬冬,彭燕，等.抗野值Kalman濾波在靶場測量數(shù)據(jù)處理中的應用[J].艦船電子對抗,2013,36(5):84-87.

[13]朱新巖,史忠科.基于殘差特性分析的野值檢測與剔除方法[J].飛行力學,2008,26(6):79-83.

[14]祝轉(zhuǎn)民,秋宏興,李濟生，等.動態(tài)測量數(shù)據(jù)野值的辨識與剔除[J].系統(tǒng)工程與電子技術,2004,26(2):147-149.

[15]葛堯,孟慶慈,安玉華，等.基于小波變換剔除數(shù)據(jù)野點的方法[J].飛行器測控學報,2006,25(3):64-67.

Research on DGPS Outliers Eliminating Method Based on the Movement Model of Transplanter

Liu Xiaoguang1,2, Liu Xiuling1,2,Wang Guanglei1,2

(1.College of Electronic and Information Engineering，Hebei University, Baoding 071002，China; 2.Key Laboratory of Digital Medical Engineering of Hebei Province, Baoding 071002,China)

Abstract：The locating information of DGPS contains outliers in the disturbed environment.These outliers that must be treated,has a great influence on the control precision of transplanter.The thesis proposed a method to treat the ouliers online based on the kinematics model of transplanter.The method get the outliers threshold by the movement model of transplanter. And then the outliers is replaced by the estimated value. The experimental results show that the method can eliminate the outliers better in DGPS location information.

Key words：transplanter; GPS; outliers; kinematics model; precision control

文章編號：1003-188X(2016)07-0120-04

中圖分類號：S223.9;S24

文獻標識碼：A

作者簡介：劉曉光(1983-),男，河北保定人，講師，(E-mail)lxg_hbu@163.com。通訊作者：劉秀玲(1977-)，女，河北滄州人，教授，碩士生導師，(E-mail)liuxiuling121@hotmail.com。

基金項目：保定市科技局項目(15ZG010)；河北省教育廳項目(QN2015071)

收稿日期：2015-06-29