農業植保無人機高精度定位系統研究與設計—基于GPS和GPRS

袁玉敏

(貴州工業職業技術學院，貴陽　550008)

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農業植保無人機高精度定位系統研究與設計—基于GPS和GPRS

袁玉敏

(貴州工業職業技術學院，貴陽550008)

摘要：農業植保無人機憑借其高效率、低作業成本等特點，目前正逐步地取代人工植保，成為農業植保領域的一種重要裝備。定位系統作為農業植保無人機控制系統的核心，是實現無人機自主工作和飛行的關鍵，也是無人機進行各項植保飛行作業的基礎，研發和設計高精度的無人機定位系統是未來農業植保無人機技術進一步突破和應用的關鍵。為此，針對GPS定位系統在復雜環境下的穩定性差、定位精度有限、無法為農業植保無人機提供高精度穩定的定位服務的問題，提出了一種基于GPS和GPRS的混合農業植保無人機高精度定位系統的設計，通過該系統可以有效地彌補GPS在復雜環境的定位不足，提高農業植保無人機的定位精度，對進一步促進農業植保無人機技術發展具有非常重要的意義。

關鍵詞：農業植保無人機；定位；高精度；GPS；GPRS

0引言

農業現代化的關鍵就是大量應用先進的科學技術服務于農業生產，近年來隨著無人機技術的快速發展，無人機在測繪、農業植保、航拍等民用領域得到了廣泛應用，推動了相關行業的變革和二次發展[1]。

植保作為農業種植的一個重要的環節，也是農業生產的關鍵，傳統的人工植保方式由于人力成本攀升、作業效率低、作業時間控制難度大等一系列問題，已經無法滿足我國農業大規模化發展的需求[2]。特別是一些大型的農場和承包戶，在農村勞動力短缺的情況下，如何快速、高效地進行農業植保已經成為了其在農業生產中面臨的一個重要難題[3-5]。農業植保無人機憑借其高效、精準的快速作業方式，成為了解決這一問題的有效方式，近年來憑借其低成本、高效率的特點在農業植保領域得到了快速的應用和發展。尤其是在2014年，中央“一號文件”明確了促進農業航空產業化發展[5-7]，使得我國農業無人機產業得到了飛速的發展。無人機定位作為無人機飛行控制的核心，是實現整個植保作業的基礎，在植保作業中通常需要借助于先進的定位技術對無人機的飛行軌跡進行高精度的定位。目前，市場上常用的無人機定位

都是基于GPS定位系統進行設計和開發的[5-8]，在實際應用中，特別是一些山區的植保作業中，由于環境復雜，GPS定位系統通常很難提供穩定、精準的定位服務，導致作業飛行風險和無人機操控難度增大，嚴重地限制了植保無人機作業，成為了未來植保無人機進一步發展和應用的障礙[10-11]。

針對這一背景，本文針對GPS定位服務系統的不足進行研究和分析，借助于GPRS網絡定位服務研發和設計了一種基于GPS和GPRS的混合定位系統，通過該系統為植保無人機在復雜環境下提供高精度的定位服務，確保植保無人機作業高效、精準。

1GPS和GPRS定位技術

GPS(全球定位系統)技術是目前應用最為廣泛的室外定位技術，其借助于定位衛星系統為GPS用戶提供精確的導航和定位服務，其定位示意圖如圖1所示。整個系統由GPS導航衛星和地面基站及用戶終端設備組成[12]。其中，用戶終端設備主要負責GPS信息接收，GPS衛星和基站負責提供位置信息服務。在目前無人機飛行控制中，借助于GPS提供位置服務可以實現對無人機進行自主導航和作業線路規劃，被廣泛地應用于各種無人機自主飛行控制系統中。

GPRS定位技術又稱為LBS(移動基站定位)技術，其主要是利用GPRS網絡基站信號實現定位，其定位精度高、對環境的要求低[13]，可以抵抗各種復雜環境給定位信號帶來的干擾，實現室內和室外的全方位定位，是未來移動定位系統發展的主流。其可以有效地彌補GPS定位系統對環境要求高、在復雜環境下定位精度不足等特點，與GPS定位服務系統配合使用可以使得整個定位服務更加準確和可靠。典型的GPRS定位原理示意圖如圖2所示[14]。

圖1　GPS定位原理示意圖

圖2　LBS定位系統原理示意圖

2無人機導航定位系統組成

無人機導航定位系統一般包括空中飛行器、地面監控兩個部分，如圖3所示。

圖3　無人機導航定位系統結構示意圖

其中，飛行控制器部分主要包括無人機、GPS接收器、慣性測量單元及電源模塊等，主要是將GPS接收機、慣性測量單元和電源模塊的信息實時傳輸到機載控制器中，機載控制器根據這些信息通過相關的導航定位算法計算出飛行器的飛行姿態和導航定位控制信息，對無人機進行精準的控制。

地面監控站通常是以平板或者手機作為監控終端，通過無線傳感器接收無人飛行器的飛行信息進行顯示，同時監控站還包括無人機飛行遙控器，通過遙控器可以操控飛機飛行，對飛機進行控制。在農業植保無人機中，通常是采用集成式遙控器，在遙控器上集成簡單的飛行參數顯示屏，對飛行參數進行顯示，同時采用操控桿對飛機飛行進行操作。

以上是常用的無人機飛行定位導航系統的結構介紹。本文在設計過程中將借助于GPRS定位服務，通過GPRS終端模塊實現對移動基站信息的接收和通信，為控制器提供GPRS定位信息。

3植保無人機定位系統硬件系統設計

本文設計的農業植保無人機的定位導航硬件控制系統如圖4所示。

圖4　農業植保無人機高精度定位系統硬件結構圖

整個飛行導航控制系統包括飛行主控、電機PWM控制器、GPS/GPRS接收模塊、加速度傳感器單元及電源模塊5個部分。其中，飛行主控器采用STM32控制器作為控制核心，對GPS/GPRS傳感器、加速度傳感器等模塊的信息進行采集，根據這些模塊提供的位置信息執行相應的控制算法輸出PWM控制信號實現對電機的控制，進而實現無人飛行器的精準穩定控制。GPS/GPRS模塊主要是為飛行器提供接收GPS和GPRS信號支持，本文采用華為提供的mu609 GPS/GPRS模塊。該模塊是一個GPRS通信控制模塊，可以實現對GPS和GPRS信號的接收和基于GSM移動網絡進行通信，在設計過程中主要是利用模塊的串口對模塊進行控制，控制模塊讀取GPS和GPRS的位置信息。電源模塊主要是為系統提供電源支持，在設計過程中充分地考慮到無人機的低功耗特性，采用開關穩壓電源為控制系統提供穩定的直流電源服務，設計過程中采用了PM4040F集成開關電源控制器作為開關電源驅動，實現低功耗的控制器和傳感器的電源供電。電機PWM控制模塊主要是由電橋組成，通過電橋接收控制器的PWM控制信號驅動高速電機對無人機飛行姿態和飛行動作進行控制。

4軟件設計

4.1　軟件系統總體設計

本文設計的農業之寶無人機的主控采用STM32，為了實現對無人機高精度定位控制，其軟件主程序流程如圖5所示。

圖5　無人飛行器定位系統主程序設計流程

系統執行定位控制軟件時，首先對GPS/GPRS模塊進行初始化，初始化GPS/GPRS定位服務，然后對植保無人飛行器的姿態控制參數進行初始化，保持無人飛行器的當前飛行姿態和飛行動作；接著設置中斷定時器，其響應時間間隔設置為50ms，進入中斷等待，執行系統其他服務程序；每次定時器中斷響應的時候，系統進行定位控制相關算法，主要包括讀取GPS/GPRS位置系想你數據、執行GPS/GPRS位置信息數據融合算法和執行定位控制算法輸出控制PWM參數3個子過程；這3個子過程在進入中斷的時候順序執行，完成整個無人機的飛行定位控制。其中，飛行控制子過程主要是采用無人機上提供的飛行控制程序，本文只是為其提供位置服務，后續將對讀取GPS/GPRS位置信息和執行GPS/GPRS位置信息數據融合值兩個模塊的具體實現進行詳細設計和說明。

4.2　讀取GPS/GPRS位置信息程序設計

讀取GPS/GPRS位置信息程序流程如圖6所示。整個程序在STM32定時器中斷中完成，首先STM32主控發送GPS數據讀取指令到GPS/GPRS模塊，模塊返回GPS數據；接收到GPS數據之后，緊接著發送LBS信息數據讀取指令，讀取移動網絡中的LBS位置信息，最后處理成x、y、z三維坐標的位置信息，并將該位置信息通過內存變量的方式傳遞到位置信息數據融合算法模塊中進行后續的位置信息優化，進一步提高位置信息的精度和可靠性。

圖6　GPS/GPRS位置信息讀取程序流程

4.3　GPS/GPRS位置信息數據融合處理程序設計

為了進一步提高本文設計的高精度植保無人機定位系統的定位精度，在計算無人機位置信息的時候利用GPS/GPRS模塊提供的GPS位置信息和LBS位置信息進行融合處理，對其位置信息進一步優化，相對于只利用GPS位置信息進行定位其具有更好的精度和穩定性。其融合處理流程如圖7所示。算法執行過程中，首先初始化兩個位置信息的權值，初始過程中的定位算法將以GPS信號優先，設定其權值為0.8，GPRS信號作為輔助位置信號，設置其權值為0.2；然后計算軌跡偏差，軌跡偏差計算中主要是根據實際位置信息和上次的預測位置信息進行減法計算德奧其差值，完成軌跡偏差計算后從GPS/GPRS模塊中獲取兩種信號的信號強度。其中，GPS以衛星數目作為信號強度值劃分為5個等級，等級劃分過程中按照1～15進行均分。GPRS以LB數據作為信號強度值，為了進一步融合處理，對GPRS進行等價量化處理，將其放大10倍，同時劃分為5個等級等級劃分過程中按照1～15進行均分。完成GPS和GPRS信號強度計算處理之后，根據信號強度和軌跡偏差重新就算兩種信號的權值，最后根據權值計算得到融合后的優化的位置信息輸出到定位控制算法模塊，定位控制算法模塊根據位置信息輸出控制PWM進行飛行姿態和飛行動作控制。

圖7　GPS/GPRS位置信息數據融合處理程序設計流程

5實驗仿真測試

為了進一步驗證本文設計的植保無人機高精度定位系統的正確性和可靠性，本文完成了該模塊的設計和開發，并且在云南斯威弗萊科技有限公司研發的SW8-1300ZB八旋翼植保無人機平臺上進行測試。無人機平臺如圖8所示。

圖8　無人機平臺

測試過程中，將本文開發和設計的基于GPS和GPRS的農業植保無人機高精度定位系統安裝到該型植保無人機平臺上，為其提供位置信息服務。連接過程中，將輸出的PWM信號連接到該無人機的飛行控制器的位置信號輸入接口中(由于不是做整體平臺開發，所以沒有直接去控制電調進行無人機控制，本文在實驗過程中只是將其位置信息輸入到飛行主控)；然后SW8-1300ZB飛行主控通過接收本文設計的定位模塊的位置信息進行飛行姿態和飛行動作控制，實現自主導航和飛行控制。通過實際農田自主飛行測試，每20m設置位置定標測試飛行誤差，統計1 000m內50次測試的誤差，并與SW8-1300ZB使用自帶的定位系統的結果進行對比分析，如表1所示。

表1　誤差統計分析表

通過測試分析可以看出：本文設計的定位系統可以為植保無人機提供更好的位置信息服務，有效地提高了植保無人機的飛行控制精度，其誤差可以有效地控制在15cm以內，可以很好地滿足植保無人機自主導航服務及高精度控制需求。

6結論

針對采用單一的GPS定位系統提供的位置服務的精度低、容易被干擾等問題，提出了一種基于GPS和GPRS混合定位的無人機高精度定位系統的研發和設計，給出了具體的硬件設計和軟件實現方案，最后開發了測試系統。通過在SW8-1300ZB無人機平臺上進行測試，表明本文設計的基于GPS和GPRS的植保無人機定位系統可以有效地提高無人機的定位精度，對實現無人機的精準控制和自主導航服務具有非常重要的意義。

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Research and Design of High-precision Positioning System for Agricultural Plant Protection UAV—Based on GPS and GPRS

Yuan Yumin

(Guizhou Industry Polytechnic College,Guiyang 550008, China)

Abstract：Agricultural plant protection UAV, with its high efficiency and low operating costs, etc., are being gradually replaced artificial plant protection, has become an important field of application of agricultural plant protection, the positioning system as the core of the agricultural crop protection UAV control system, is a key UAV autonomous work and flying, but also the basis for the plant protection UAV flight operations, research and development and design precision positioning system is the key to the future of UAV agricultural crop protection UAV technology further breakthroughs and applications , aiming GPS positioning system stability in a complex environment of poor positioning accuracy is limited, can not provide a stable high-precision positioning services for agricultural crop protection UAV, a hybrid plant protection UAV precision agriculture based on GPS and GPRS design positioning system, through the system can effectively fill the gap condensate GPS positioning in a complex environment, improve positioning accuracy of agriculture plant protection UAV, to further promote the development of agricultural crop protection UAV technology has a very important significance.

Key words：agricultural crop protection UAV; positioning; high accuracy; GPS; GPRS

作者簡介：袁玉敏(1979-)，男，貴州畢節人，副教授，工程碩士，(E-mail)yLq72@126.com。

基金項目：2012現代農業與農村科技項目(【2012102】3-28)

收稿日期：2015-11-06

中圖分類號：S252+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0227-05