陶婧

摘要：傳統(tǒng)的農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)定位精度未達到預(yù)期效果，為了解決這一問題，設(shè)計一種新的農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)軟件部分利用3維點深度算法完成農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)流程設(shè)計。軟、硬件結(jié)合完成農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)在靜態(tài)測試5 h后的CEP為2.538 9 m，傳統(tǒng)系統(tǒng)在靜態(tài)測試5 h后的CEP為6.305 2 m。實驗結(jié)果說明所提系統(tǒng)單點定位精度更高，實際應(yīng)用效果更好。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用無人機;高精度定位;硬件結(jié)構(gòu);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(jù)事先編寫好的程序自主完成飛行的不載人飛機，在軍事領(lǐng)域可用于目標偵查和巡檢，在民用領(lǐng)域可用于娛樂拍攝或農(nóng)業(yè)等方面[1]。目前，農(nóng)用無人機已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如用裝載攝像頭和感應(yīng)器的無人機來監(jiān)測農(nóng)作物生長狀態(tài)、病蟲害情況或者定點精確噴灑殺蟲劑和農(nóng)藥等等，而這一過程的實現(xiàn)需要利用無人機進行高精度定位。在田間作業(yè)時，單點定位精度的無人機無法按照預(yù)定的路線噴灑農(nóng)藥，在多點無人機定位配合時還容易發(fā)生碰撞，造成嚴重后果。因此，相關(guān)的農(nóng)用無人機定位系統(tǒng)的研究受到廣泛關(guān)注。

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

1 硬件功能設(shè)計

為設(shè)計穩(wěn)定、高效的系統(tǒng)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(xiàn)對無人機飛行狀態(tài)的控制，使得無人機能夠采集到有效的環(huán)境信息，為軟件部分真實環(huán)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(diào)制技術(shù)）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(shù)據(jù);4）計算出無人機在各個方向上的姿態(tài)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(diào)電機，當無人機接收到控制信號，即可執(zhí)行各種飛行動作。

根據(jù)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(shù)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(nèi)核，工作頻率可達700 MHz左右，支持HDCP V1.2協(xié)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(shù)為：Atlas-V支持各種外圍設(shè)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(shù)據(jù)。表1為SNB1008芯片技術(shù)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(zhuǎn)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(tài)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(shù)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(jù)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(tài)角。

最后，選擇飛控板的印刷線路板（PCB）。本設(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 軟件功能設(shè)計

為保證農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)能夠準確估計出地圖相對真實環(huán)境的尺度信息，引入3維點深度算法，設(shè)計農(nóng)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(gòu)建金字塔，提取特征點。若第1幀圖像提取的特征點大于設(shè)定閾值，就可以對其右側(cè)右?guī)瑘D像做光流跟蹤，解算出左幀圖像與右?guī)瑘D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(nèi)點數(shù)。若求算結(jié)果小于閾值，就要標記左幀圖像的關(guān)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(jīng)過殘差計算，否則得到的圖像是未經(jīng)過初始化的[6]。

第2步：初始位姿估計。應(yīng)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(shè)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?guī)瑘D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(zhuǎn)換，得到右攝像機坐標系的三維坐標[8]。

第4步：解算結(jié)果輸出。運用RTK定位程序解算左幀圖像和右?guī)瑘D像的三維坐標，即可得到串口讀取的數(shù)據(jù)[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(wǎng)絡(luò)發(fā)送定位數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)[10]。解算成功后，運用EKF算法驗證浮點解，經(jīng)過驗證后，通過LAMBDA算法搜索整周模糊度，經(jīng)過驗證的為固定解。由此，得到定位位置結(jié)果。

3 實驗分析

完成農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)設(shè)計后，進入實驗部分，分別測試傳統(tǒng)的農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)與所提系統(tǒng)的定位精度在靜態(tài)5小時下的定位精度，是否能夠達到預(yù)期效果。實驗過程如下。

3.1 實驗環(huán)境

為驗證所提的農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)的可行性，設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù);U-BLOX定位模塊選擇深圳市德速科技有限公司開發(fā)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(nèi)置SAW+LNA，可支持多系統(tǒng)定位;U-BLOX定位模塊負責采集單點定位數(shù)據(jù)的。實驗中，需將U-BLOX定位模塊與串口轉(zhuǎn)USB模塊連接，將定位數(shù)據(jù)保存在電腦上。

農(nóng)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(zhì)天線，通過putty遠程登錄啟動RTK程序。實驗結(jié)束后，利用Matlab算法分析定位數(shù)據(jù)。

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

3.2 實驗結(jié)果分析

將無人機放置樓頂，在同一處采集靜態(tài)數(shù)據(jù)5 h，衡量系統(tǒng)定位指標選擇CEP 。CEP是誤差概率單位。記錄不同系統(tǒng)在靜態(tài)測試5 h后的定位效果，結(jié)果如圖4、圖5所示。

從實驗結(jié)果可以看出，使用本系統(tǒng)靜態(tài)測試5 h單點定位精度CEP為2.538 9 m;使用傳統(tǒng)系統(tǒng)靜態(tài)測試5 h單點定位精度CEP為6.305 2 m，且大多數(shù)點都是重合的，未達到預(yù)期效果。

由此可知，本系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)定位精度更高，應(yīng)用效果更好。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的定位精度不足的問題，設(shè)計一種新的農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)。系統(tǒng)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(gòu)成。系統(tǒng)軟件采用三維點深度算法完成農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)流程設(shè)計。將軟、硬件部分結(jié)合，完成對農(nóng)用無人機高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計。在實驗部分分別測試傳統(tǒng)系統(tǒng)與本系統(tǒng)的定位精度，實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)定位精度更高。

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