割草機器人工作原理及試驗研究——基于GPS/DR組合導航系統

賀 濤，肖 勇

(四川水利職業技術學院 信息工程系，四川 宜賓 611231)

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割草機器人工作原理及試驗研究
——基于GPS/DR組合導航系統

賀 濤，肖 勇

(四川水利職業技術學院 信息工程系，四川 宜賓 611231)

隨著國民經濟不斷發展，我國人民生活水平不斷提升，多種人工作業逐漸被機器所取代。GPS/DR組合導航系統能夠有效提升割草機器人定位精度，克服傳統割草機器人固有弊端，提高工作效率。為此，對GPS/DR組合導航系統原理展開了分析，進行了GPS/DR組合導航系統割草機器人研究，并進行了相關試驗研究，驗證了GPS/DR組合導航系統割草機器人相對于傳統割草機器人的優勢。

割草機器人；GPS/DR組合導航系統；試驗研究

0 引言

智能機器人已經開始逐漸滲入到人們的生活中，代替人力作業提高各種工作效率，割草機器人就是其中一種。割草機器人在其他硬件方便并不存在技術難題，研究重點是如何實現其準確定位。傳統割草機器人大多采用電纜在指定區域圍繞出工作范圍，并通過電渦流傳感器方式對其進行導航，存在導航精度不足、工作范圍比較固定及智能化較低的問題。基于此，出現了以GPS/DR組合導航系統為平臺的割草機器人。本文運用GPS/DR組合導航系統建立相關模型，詳細闡述了GPS/DR組合導航系統工作原理，并結合卡爾曼濾波等相關知識論證割草機器人可靠性，為割草機器人發展提供新思路。

1 GPS/DR 組合導航系統及原理

1.1 GPS/DR 組合導航系統

GPS是全球定位系統(Global Positioning System)的英文簡稱。GPS接收裝置是離散型傳感器，能夠有效感應位置、運動軌跡和速度。GPS是當前常用的導航系統，應用廣泛；但在使用過程中，GPS信號容易中斷，會出現接受裝置信號丟失狀況。若單獨適應GPS作為導航系統，容易受到外界干擾，建筑物的遮擋、天氣不好、外界電磁信號干擾等都會造成GPS信號中斷。因此，需要借助其他傳感設備與GPS設備相互配合使用，克服GPS信號不穩定狀況。DR(數字羅盤)是另一種定位系統，信號穩定，能在惡劣環境中保持其可靠性；DR的缺點是定位精度存在問題，因此需要另一種定位系統輔助提升精度。因此，GPS/ DR組合導航系統誕生了。

GPS/DR組合導航系統從根本上克服各自作為導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，起到1+1>2的效果。當GPS因為環境因素導致信號丟失時，DR系統便會接替導航，保證導航工作不中斷；當DR系統定位精度出現偏差時，可使用GPS對其定位進行系統校正。GPS/DR組合導航系統真正實現導航系統互補原則，兩種導航系統完美兼容，相輔相成。不僅如此，GPS/DR組合導航系統在使用過程不僅能夠揚長補短，還能夠實現優勢最大化。例如，GPS/DR組合導航系統使用過程中，DR系統能夠在一定程度上提高GPS系統對位置的定位精度。

1.2 GPS導航原理

GPS主要由衛星、地面支持系統及地面接收系統組成。GPS接收機根據衛星發送的信號進行定位，在衛星能夠覆蓋的地區皆可進行定位。GPS定位系統主要有單點定位方式和差分定位方式兩種：單點定位方式原理為通過衛星和接收裝置間直線距離，在定位時以此時衛星瞬時位置為基準確定定位點具體位置。導航時，GPS信號往往受到環境因素影響，因此在進行高精度導航時往往誤差較大，因此難以將高精度載波運用到割草機器人定位中，一般采用普通導航方式，即碼偽距定位原理，如圖1所示。接收器在定位時需要同時受到4顆及以上衛星發射的信號才能夠進行位置準確計算。

圖1 碼偽距定位原理圖

碼偽距定位的優點：僅需要1臺接受裝置即可完成定位工作，實施起來簡單易行；自帶數據處理系統能夠對數據進行初步處理，用戶可根據顯示了解相關信息。其缺點是信號穩定性較差，容易受環境影響造成誤差。

差分GPS系統在地面設置接收站，并通衛星進行信號連接。信息主要從GPS基準站發出，根據其發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類僅僅發射信號方式不同，就原理而言是一樣的。基站接受相關信號數據并與實際位置進行差分處理，計算出誤差值，使同一時刻被監測載體得到的數據與基站計算出的誤差結果吻合，得出結果后，基站將相關信息發送至載體，載體將誤差值進行差分，得出較為精確的結果，反饋到基站。其工作原理圖如圖2所示。

圖2 傳統差分原理圖

1.3 DR導航的原理

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

圖3 載體的位置信息坐標圖

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

2 GPS/DR組合導航系統卡爾受濾波模型

GPS/DR組合導航系統的信號是波的一種，需要進行濾波，傳統割草機器人不僅活動范圍受到拘束，其信號穩定性常受到其他波的干擾。GPS/DR組合導航系統采用濾波改進方案就是利用輔助設備(濾波器)進行誤差確認。將狀態初始值設置為0，則狀態估計值誤差此刻等同于狀態誤差，一般將其命名為狀態矢量。實際操作過程中，可周期性輸入相關數據進行誤差修正，并定期重置初始值為0，將變量降到最小，以此降低誤差。進行濾波計算時，可將矩陣元設置為0，以達到誤差最小化。為有效觀測整個過程，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為里程計標定示數。

X=[e veaen vnanε ψ]T

則統計模型為X=FX+U+W(t)。系統矩陣方程為

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設時間常數；Tε為一階馬爾可夫過程的相關時間常數。

基于此矩陣即可建立系統量測方程，在此之前需預設幾個相關量。用經緯度表示GPS接收機位置，經度為eobs(B)，緯度為nobs(L)；DR顯示載體航向為θ；行進距離為S。因此，可得觀測矢量Z=[eobsnobsθS]，觀測方程為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)

觀測線性方程需將其離散，則有

Z(k)=h[k， X(k)]+V(k)

結合相關條件展開為泰勒級數，可得

在以上幾個方程基礎上，可拓展自適應卡爾曼濾波方程。設Q(k)為噪聲協方差矩陣Q離散形式，R為協方差矩陣，則

3 試驗驗證

為驗證GPS/DR組合導航系統有效性，通過試驗對其進行驗證。為保證機器人在割草中平穩行進，采用雙道履帶作為行走裝置，動力采用兩臺伺服馬達，馬達由PWM信號控制。機器人配備微型計算機等設備，并采用LP3300 型數字羅盤組合Ag GPS132 GPS接收機，組成GPS/DR組合導航系統。該系統通過串口連接在機器人主機控制主板上，機器人主要控制程序通過C++編寫，主要程序存于機器人主機內。

試驗場地選取在一空曠草地上，方向選為朝北30°，機器人速度設置為0.1m/s。試驗后對相關數據進行收集整理，繪制成軸線圖,如圖4～圖9所示。

圖4 北向位置估計誤差

圖5 北向速度估計誤差

圖6 東向位置估計誤差

圖7 東向速度估計誤差

圖8 北向位置推算

圖9 東向位置推算

實際驗證過程中，需將GPS接收器及數字羅盤接口斷開，以此作為對比項。試驗表明：GPS/DR組合導航系統相對于GPS或DR單個導航系統在精度、信號強度、穩定性等各方面性能都得到顯著提升。

4 結論

GPS定位技術是當前較為常用的導航技術，應用前景廣泛，為克服GPS定位技術固有弊端必須采用其他導航感應系統作為輔助導航資源。通過組合導航系統，能夠將各個子導航系統科學組織，取長補短，克服單一定位系統存在的缺點。本文通過數學建模進行理論研究，結合實際驗證表明：GPS/DR組合導航系統能夠有效克服傳統割草機器人的不足之處，提高工作效率，促進智能化農業的發展。

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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

國家自然科學基金項目(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