一種高精度的無人駕駛農機系統研究

鞏朋成　譚穎　詹云峰　程慧芬　李靈　鄧張惠　王自強

摘要：為實現農用機器的無人駕駛、高精度定位，設計一種高精度的無人駕駛農機系統。該農機系統以PixHawk飛控系統為核心，搭載傳感器系統、通信系統、衛星定位系統等，可在遠程調度中心設置農機工作地點、行進路線以及作業方式等功能。該系統通過衛星高精度導航技術使農機在無人駕駛的情況下，可使農機精準、快速達到任務點并進行工作。此外，操作平臺選用NuttX平臺，可對該系統進行二次開發。關鍵詞：定位;精準農業;無人駕駛;高精度

中圖分類號：P228.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）04-0141-06

Abstract： To realize the unmanned and high-precision positioning of agricultural machinery， a high precision positioning system of unmanned agricultural machinery was designed. The remote control center system based on Pixhawk flight controller， including sensor module， communication module， satellite positioning and other modules， and was mainly responsible for setting up the agricultural machinery work place， travel route and operation mode. The system was based on high-precision navigation technology， which enables the agricultural machinery to accurately and quickly reach the task point and work. Moreover， the NuttX was used in software design for operating the secondary development to improve the systems extended functions.

Key words： positioning; precision agriculture; unmanned; high precision

隨著中國人口紅利不斷減少，生態環境不斷惡化，農機裝備的升級與改革迫在眉睫。如何實現智能農業、精準農業，提升作業效率，減少勞動力已成為農業生產的一大問題[1]。中國北方地區的部分大型合作社、農場利用其農田集中、人口密度小的特點，建立了自己的遠程作業控制中心，控制中心的信息化管理人員可以利用北斗定位系統，根據作業需要對農機、機手進行統一調度，在控制中心里就可以知道每臺農機的位置、狀態及作業量[2]。農機手使用了哪些農機、干了多少活都可以在管理平臺上隨時查看，但這些產品大多都操作復雜，需要有駕駛經驗的人員操控車輛[3，4]。并且不論是聘請操作人員，還是自費學習農機操作都會使農民成本急劇增大，再加上傳統的衛星定位以碼元寬度較大的測距碼作為測量信號，導致測量精度不高（平面方向誤差為? ?10 m，海拔誤差則是平面方向誤差的兩倍），使得農機在南方地區丘陵、山地的分布發散、形狀不規則、地貌不平整的農田進行自主智能作業的可能性變得極低，無法達到精準農業作業的要求[5]。相比傳統的衛星定位以碼元寬度較大的測距碼作為測量信號，導致測量精度不高，無法達到精準農業作業要求，衛星高精度定位采用載波相位差分測量技術（RTK）。將衛星高精度定位技術加載至農機上，監控人員在遠程作業控制中心實時查看農機工作狀態及位置，并且能顯著提高農機無人作業精度，避免作業重復或遺漏造成不必要的浪費。從2013年美國精準農業差分改正服務來源得知，使用個人PTK基站的農戶占使用高精度GPS差分改正信息農戶的22.1%。根據農業機械設計與制造大師陳學庚院士統計，農機通過搭載衛星高精度定位導航技術進行自動作業，可節省聘請播種機手薪酬支出的60%，增加機組經濟收入20%～30%，每畝增加收入60～90元，土地利用率提高0.5%～1.0%，作物產量可提高2%～3%。因此，高精度無人駕駛農機在精準農業、智能農業上擁有很大的發展前景[6-15]。

本研究設計了一種高精度的無人駕駛農機系統，該系統以PixHawk飛控系統為核心，搭載傳感器系統、通信系統、衛星定位系統等模塊，可在遠程控制中心設置農機工作地點、行進路線、作業方式等，使農機在無人駕駛的情況下通過衛星高精度定位導航技術，可精準、快速達到任務點進行工作。該操作平臺選用NuttX平臺，可對系統進行二次開發。

1? 系統設計及定位原理

1.1? 系統設計

該設計實現一輛在衛星高精度定位的基礎上能在丘陵、山地這些形狀不規則、地貌不平整的分散狀農田實現自主智能作業的農用車。

以AI平臺為核心，可在農機調度中心設置農機工作地點、行進路線等功能，使農機在無人駕駛的情況下精準、快速達到任務點進行工作。AI平臺由PixHawk飛控、避障模塊及傳感器系統構成，可探測前方障礙物，并做出避讓。平臺以NuttX為操作系統，可對平臺上的系統進行二次開發。AI平臺可通過搭載衛星定位系統以及通信系統，使車輛在無人駕駛的情況下保證其絕對安全。

PixHawk飛控系統可輸出PWM波控制車輛動力系統，實現控制車輛起步、轉彎、停止等功能。通信系統采用3DR數傳電臺，車輛接收由控制中心發送出的指令后將指令傳給飛控系統，飛控系統分析其指令來控制電機驅動，從而實現人員在控制中心便可控制車輛的工作。衛星定位系統為車輛提供高精度定位，為實現車輛精準作業提供保障。系統實物如圖1所示。其組成AI平臺如圖2所示，系統構成如圖3所示。

1.2? 定位原理

高精度衛星定位原理為基站固定在某一固定位置用以確定其精度坐標為（X0，Y0，Z0），通過基站上的GPS接收機對4顆衛星進行觀測，計算出基站衛星坐標（X，Y）。由于存在軌道誤差、時鐘誤差、大氣影響及其他誤差，計算出的坐標與基站的精密坐標存在差異，按式（1）可求出其坐標改正數。

ΔX=X0-XΔY=Y0-YΔZ=Z0-Z? ?（1）

基站將改正數發送給移動站，移動站即可對其坐標（X■■，Y■■，Z■■）進行修正，其中（XP，YP，ZP）為改正后的坐標，即：

XP=X■■+ΔXYP=Y■■+ΔYZP=Z■■+ΔZ? （2）

若考慮移動站位置改正值的瞬間變化，則：

XP=X■■+ΔX+■（t-t0）YP=Y■■+ΔY+■（t-t0）ZP=Z■■+ΔZ+■（t-t0）? （3）

式中，t0為校正初始時刻;t為校正時刻。

2? 硬件電路設計

整個電路的硬件部分可分為5個部分：衛星定位系統、PixHawk飛控系統、傳感器系統、動力系統以及通信系統。

2.1? 衛星定位系統

衛星定位系統由基站及移動站組成，移動站安裝在作業車輛上，實時定位作業車輛，基站可固定在某一固定位置，也可跟隨移動站運動。先將基站精確定位，后期基站的絕對地理精度將影響移動站的地理精度。定位系統采用實時動態技術（RTK），衛星定位系統終端能同時支持北斗、GPS、GLONASS三種定位方式的三模定位器，無論在何處都有一個模塊的信號強度夠強，可瞬間切換任意定位方式，可在戶外實時得到厘米級定位精度。

2.2? PixHawk飛控系統

PixHawk飛控系統的總線及外設都對外引出，對實現二次開發的用戶而言提供了很大的方便。PixHawk飛控系統由兩個控制器組成，主控制器采用STM32F427，擅長運算處理。附加故障保護備用控制器STM32F103采用獨立供電，在主處理器失效時可實現手動恢復，安全穩定。PixHawk飛控系統可輸出PWM波控制車輛動力系統，實現控制車輛起步、轉彎、停止等功能。

2.3? 傳感器系統

傳感器系統與PixHawk飛控系統共同組成車輛的AI平臺。傳感器系統充當車輛感官系統，由避障模塊、氣壓計、溫度傳感器、六軸傳感器等組成。

2.3.1? 避障傳感器? 避障傳感器分類較多，如紅外傳感器、超聲波傳感器、毫米波雷達及攝像頭等，都用于測量車輛與物體的接近程度、距離。考慮到紅外傳感器受物體的顏色、方向、周圍光線影響較大，超聲波傳感器又存在測量盲區的問題，最終考慮選擇使用測量距離遠、可靠性高、不受光線、塵埃影響的毫米波雷達與分辨率高、對顏色形狀感知能力強的攝像頭相結合的方式來提高農機的安全性及穩定性。避障模塊可通過數模轉換器或I2C擴展板與PixHawk飛控系統相連。車輛行駛時毫米波雷達會通過天線向外發射毫米波，當前方有障礙物出現時，障礙物會反射毫米波信號，毫米波雷達在接收障礙物反射信號的同時，攝像頭會根據所探知的物體信息進行圖像識別，進而結合農機動態信息進行融合，通過AI平臺進行智能處理，避讓障礙物。

2.3.2? 氣壓計? 選擇MEAS MS5611型氣壓計，利用氣壓計所測量的氣壓值來計算海拔高度，同時配合溫度傳感器使用可以減少所測高度誤差。

2.3.3? 六軸傳感器? 六軸傳感器采用由Invensense公司生產的MPU6000傳感器，由一個三軸加速度傳感器和一個三軸陀螺儀傳感器組成，可用來測感應車輛前后傾斜、左右傾斜、左右搖擺的全方位動態裝置，能精準地確定運動物體的方位，并將其位置、姿態傳送給AI平臺，平臺將此時的位置與系統最初設定的路線進行對比，不斷調整車輛運行方向，輔助衛星導航系統進行高精度定位導航。

2.4? 動力系統

動力系統由電源模塊、過流保護裝置、電機驅動系統等組成。電源模塊為PixHawk飛控系統、傳感器系統、衛星定位系統、通信系統等外圍電路供電。過流保護裝置由繼電器構成，防止電源輸出電流過大造成電源或外圍元器件的損壞。

電機驅動系統由增量式旋轉編碼器及直流電機組成，電機安裝在履帶車后輪，帶動車輛行進。行進過程中因為電機輸出轉速存在誤差，而為了使車輛保持直線運動就必須對電機實現實時控制，在電機驅動系統中加載旋轉編碼器，與其構成一個閉環控制系統，可對電機速度實時采樣，驅動根據編碼器反饋的數據對電機進行一個實時的調整，從而保證車輛能保持直線運行。

2.5? 通信系統

通信模塊可使用實時傳輸的3DR455MHz數傳電臺，通信模塊搭載功放后，通信直線距離可達? ?10 km以上。通信模塊一端連接無人車上的AI平臺，一端連接遠程控制中心，可將車上的數據實時傳輸到電腦顯示屏上，使操作人員可以實時看到車輛運行狀態。

3? 系統軟件設置

為使系統安全穩定的工作，軟件的穩定運行是不可缺少的，在此設計中主要用到兩款軟件，一款為基于Mavlink協議的開源虛擬地面控制軟件Mission Planner，一款為瑞士科技公司u-blox旗下的u-center測試器。

3.1? u-center測試器設置

在車輛運行過程中，為了防止移動站與基站數據傳輸的延時導致工作失敗甚至更嚴重的后果，就必須檢測移動站與基站的數據傳輸是否有延時。而測試軟件u-center主要是用來對衛星定位系統進行檢測，它可對衛星信號的強度位置、高度、速度、航向以及衛星時間等參數進行可視化，即對使用衛星定位的車輛實現實時數據記錄與播放。將移動站與u-center連接，在基站發送頻率為10 Hz的情況下觀察Age of DGNSS Corr參數，若參數大于0.1 s則表示移動站與基站的數據傳輸有一定的延時。

基站內部使用了u-blox M8P芯片，它支持多種輸入輸出協議，如果要設置某一特定消息以某一特定協議輸出的話，可在u-center中很方便的更改，進入Messages view—UBX—CFG—MSG中，選擇特定消息，如何再選擇輸出協議后點擊send保存即可。u-center測試器對車輛實現實時數據記錄與播放的操作步驟如圖4所示。

3.2? Mission Planner設置

對于飛控裝置，要想實現不同的功能就要加載不同的固件，而固件的加載以及車輛參數的設置都需要使用到Mission Planner。先在網上下載固件，再使用數據線將飛控板與電腦相連，選擇相應的COM口，波特率選擇115 200，此時不能點擊右上角的“連接”圖標，完成后進入初始設置中的安裝固件選項，選擇自定義固件，將在網上下載好的固件選中，固件便開始下載至飛控板上，下載完成后Mission Planner會提示“Upload Done”這時飛控板上就下載好固件。固件加載完成后點擊Mission Planner右上角“連接”圖標，進入必要硬件中的全部參數表，全部參數表相當于將飛控所有源代碼以表格的方式呈現出來，可以很方便地設置飛控所有參數。基站使用Mission Planner軟件搜星操作步驟如圖5所示。

4? 系統設置與調試

硬件連接為衛星定位系統通過連接線與PixHawk飛控系統上的uartB串口相連;傳感器系統可通過數模轉換器或I2C擴展板與PixHawk飛控系統相連;通信系統接收端連接PixHawk飛控系統TELEM2串口。

4.1? 定位系統調試

為達到精度要求，選擇使用的定位系統由基站、移動站組成，基站安裝在控制中心，移動站安裝在作業車輛上隨作業車輛移動。為了達到5 cm定位精度，選用的三模定位導航器需要先通過軟件在系統基站及移動站內燒寫固件，并設置基站及移動站的通信頻率，讓基站可以將作業車輛的實時位置、運行軌道準確地在控制調度中心顯示屏上顯示出來。

燒寫固件的軟件u-center測試器，固件選擇u-blox官方網站公布的1.40固件。將固件分別燒入基站與移動站之后設置基站與移動站的通信頻率，固件默認頻率為1 Hz，為了保障車輛運行安全將頻率設置為10 Hz。圖6為參數設置好后基站所接受的衛星信號及強度。

先將基站進行搜星，確定基站的絕對地理位置。搜星時需要使用軟件Mission Planner，搜星時需到空曠處，先將基站搭建好后，打開Mission Planner進入初始設置，選擇可選硬件里面的RTK＼GPS Inject （圖7）。將基站與電腦連接，并安裝驅動后，軟件會自動顯示COM串口，波特率選擇115 200，并在SurveyIn Acc中選擇定位誤差為2 m，定位時間80 s后開始搜星。搜星成功后軟件會提示Position is valid，如圖8所示。此時的定位誤差為基站的絕對定位誤差，不影響到移動站車輛的定位誤差。

圖9為車輛未使用高精度定位的漂移路線。圖10為車輛使用高精度定位后的漂移路線。使用了高精度定位的漂移相比于僅使用衛星定位的漂移大大減少，且在使用高精度定位時的基站也顯示出來。

4.2? PixHark飛控系統及傳感器的設置與調試

PixHawk飛控系統及傳感器系統在此裝置中作為AI平臺，其設置調試顯得尤為重要。

4.2.1? PixHawk飛控系統PID值的設置與調試? PID算法控制，在如今的工業領域廣泛使用，PID控制中只有3個參數，即：比例（P）、積分（I）、微分（D）。

參數P的大小主要決定車輛運行過程中，車輛遇到因地貌不平，地形曲折多變等不可抗原因發生與設定路線產生偏差時，車輛抵御偏差的“力度”。若車輛工作地形地貌凹凸不平，導致偏差角度變大，則P值也相應取大，但P值過大會導致系統震蕩，破壞系統穩定性，使得車輛劇烈擺動。若車輛工作地貌越平整則傾斜角度越小，P值越小，但P值過小會引起車輛平衡能力不夠，當車輛運行速度過快時容易發生翻車事故。

參數I主要決定車輛在作業時對作業狀態的依賴程度，如果I值設置太小，會使車輛過度依賴此時的誤差，從而導致系統不會抑制“過敏”現象。如果I值設置太大，則會使車輛系統過度減少對誤差的反應能力，從而造成反應遲緩，導致作業路線誤差增大。

合適的參數D有助于減少超調量，使系統趨于穩定，可以有效抑制下一時刻可能發生的傾斜。如果D設置較小，車輛反應將不夠靈敏，如果D設置過大也會產生“過敏”現象。D值與P值比較而言，D反映的是矯正誤差的靈敏度，P值則更多表現為矯正偏差的力度。

PID的取值會嚴重影響到后面小車運行的穩定性，在熟悉PID參數的變化影響系統性能變化的基礎上，選用試湊法對PID參數進行整定。按照先比例、后積分、再微分的操作步驟進行。先將比例系數Kp由小變大，觀察系統的響應曲線。在靜差不能滿足設計要求的時候將積分環節加入系統，此時應先減小比例系數Kp，再將積分系數Ki逐漸增大，使系統在保持良好的動態性能的前提下，消除靜差。靜差消除后，若發現系統動態性能指標不夠，則在PI控制器的基礎上加入微分環節，構成PID控制系統。此時，將微分比例系數Kd從零增大，同時相應地改變比例系數以及積分系數，通過不斷地試湊從而獲得最終滿意的控制效果。圖11為通過試驗運行后所測得的PID值。圖12為在400 m環形操場測試的線路圖，黃色線段為調度中心監測人員設定的作業路線，紫色路線為車輛根據設定的路線行駛的路線，車輛自主行駛的路線與設定的路線基本重合。

4.2.2? 傳感器的設置與調試? 將傳感器系統連接到電路中后，進行傳感器的調試，調試中使用的軟件也是開源軟件Mission Planner。調試主要分為六軸傳感器調試、羅盤調試、水平平面校正。點擊Mission Planner必要硬件中的“加速度計校準”按鈕，可選擇六軸傳感器調試，按照要求依次將六軸傳感器進行水平放置和垂直放置，放置完成即可完成相應的加速度計調試。加速度計調試完成后還需對羅盤進行調試，將羅盤與GPS進行固定，保證二者的指向方向一致性，且在調試過程中兩者的指向不能發生偏移，打開Mission Planner必要硬件中的“指南針”選擇現場校，并將GPS和羅盤繞所有的軸進行圓周運動完成所有的修正數據的采集，從而完成羅盤調試。將所有傳感器固定在車上，在車輛調試過程中羅盤和GPS會共同工作，將車輛指向在Mission Planner中實時顯現出來。

5? 小結

本研究設計了一種基于衛星高精度導航的自動無人駕駛車。遠程控制端安裝地面控制軟件，實現控制端寫入工作地點，搭載在移動車輛上的PixHawk飛控模塊在衛星定位的協同工作下，將數傳通信模塊接收到的指令轉換成PWM波控制車輛驅動模塊，使得車輛在無人操控的情況下實現自主作業，工作誤差達到厘米級別。車輛的行駛路線與地面控制站規劃的路線基本重合。

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