基于UWB超寬帶技術的無人駕駛農機導航定位技術研究

黃騰揚，許 航，黎銘宇，樊 越，黃 龍，鄧嫄媛

(成都大學 機械工程學院，成都 610106)

0 引言

在各種不同的無線網絡環境中，不管是服務工業、農業，還是日常生活，穩定、快速、準確地獲取移動位置信息的定位技術及與其匹配的定位系統已經成為當前的研究熱點。因為國家對UWB超寬帶技術的功率有所限制，很少有將超寬帶技術面向農業方向的研究，隨著國家工信部于2008年12月6日以來對超寬帶技術使用頻率和功率的規定日漸完善，大多數對于超寬帶技術的研究仍然是圍繞室內定位系統展開的開發與設計。考慮到未來農業地區多樣性，農作區域也不僅僅限于大面積定位的平原田間，需要不同的定位技術去針對不同的農作環境。在丘陵地區果園農業中，因為地形復雜，田地狹小且難以抵達，大型農機應用困難，只適合少數小型農機作業，而GNSS等傳統的定位技術，在此類地區的性能表現遠不及平原農業地區。為探索適應不同地區的不同環境定位技術，本文旨在將室內定位性能優秀的UWB技術融入到室外傳統農業機械中，提出一種室外導航定位系統的開發思路，為室內外一體化定位系統設計提供參考。

1 針對室外環境應用的算法選擇與優化

1.1 定位算法選擇

在應用合適的測距算法得到相應距離信息后，要使系統具備定位功能，就要固定基站以確定基準點，通過附近作為基準點的基站為農機導航的移動節點實現定位。針對不同需求，如應用定位系統規劃路線或判斷記錄行駛軌跡，UWB定位算法的分類也不同。目前，常用的無線定位測量方法有AOA(Angle of Arriva, 到達角度定位)、TOA(Time of Arriva, 到達時間定位)、TDOA(Time Difference of Arriva, 到達時間差定位)和RSS(Received Signal Strength, 接收信號強度定位)，上述算法在不同應用環境下都具備各自的優勢。而其中TOA技術指的是由基站向移動站發出特定的測距命令或指令信號，并且要求終端對該指令進行響應。基站會記錄下由發出測距指令到收到終端確認信號所花費的時間，該時間主要由射頻信號在環路上的傳播時延、終端的響應時延和處理時延以及基站的處理時延組成。只要能夠得到終端和基站的響應和處理時延，就可以準確算出射頻信號的環路傳播時延。

針對在室外難以處處精確化處理和無法避免時間飄移的實際情況，考慮利用TOA技術處理測距數值、確定位置信息，能夠最大程度地改善UWB技術在室外定位系統中的應用。

結合Trilateration 三邊測量法，能夠快速確定位置信息。三邊測量法的原理如圖1所示，以三個節點A、B、C為圓心畫圓，坐標分別是(XA,YA)、(XB,YB)、(XC,YC),這三個圓周相交于點D，交點D即為移動節點，A、B、C即為參考節點，A、B、C與交點D的距離分別為da、db、dc,假設交點D的坐標為(X,Y)，則

圖1 三邊測量法原理圖

(1)

由式(1)變化可得式(2)

(X-XA)2+(Y-YA)2=da2
(X-XB)2+(Y-YB)2=db2
(X-XC)2+(Y-YC)2=dc2

(2)

由式(3)可以得到交點D的坐標為

(3)

理想狀態下，已知平面內三點坐標，知道被測點D到A、B、C的距離，得出被測點D的坐標。通過TWR測距方法，分別對A、B、C測距，即可得出自身坐標。

1.2 定位算法優化

因為定位誤差的不確定性，分以下兩種情況來考慮定位算法。

第一種情況：兩個及以上圓完全不相交，如圖2所示。

圖2 質心算法優化概念圖

在這種情況下必須采取一定方法選取點A、B、C，才能進行真實位置點的計算，常用的方法是用半徑比例進行計算

(4)

同理可以求出其余兩點(Xac,Yac)和(Xbc,Ybc)的坐標，進而應用三角形質心求出定位點坐標

(5)

第二種情況：兩個圓彼此相交于一片區域，如圖3、圖4所示。此類情況應用最小二乘法進行優化。

圖3 距離區域包含定位點

圖4 距離區域不包含定位點

已知n個基站的坐標和到未知節點距離，建立方程組(6)

(6)

用方程組中前n-1個方程減去第n個方程后，得到線性化的方程式(7)

(7)

AX=b

(8)

其中A與b是系數矩陣，X是一系列離散點的集合。

用最小二乘法求解得X為

X=(ATA)-1ATb

(9)

2 UWB定位技術室內外定位實驗

2.1 UWB定位系統實驗平臺

本實驗利用Robomaster EP小車來模擬農機，通過官方給出的API接口使小車作為本文所搭建的UWB超寬帶定位系統的實驗平臺，分別對室內外不同環境下導航定位控制系統的靜態定位精度和動態導航跟蹤精度進行實驗測試。

標簽主要搭載在Robomaster EP上，標簽的位置信息在完成數據處理后被所有基站接收儲存，并由其中一個與上位機(PC)直連的基站將位置數據信息通過API通道對小車進行運動控制。UWB定位系統實驗平臺結構圖如圖5所示。實驗通過比較并統計小車于UWB定位環境中的參考位置和實驗環境下的實際位置，獲得系統誤差，通過誤差分析處理，對定位系統進行相應調整。

圖5 UWB定位系統實驗平臺結構圖

2.2 實驗設計與環境布置

室內外實驗空間布置分別如圖6和圖7所示，圖中水平向量為X軸正向，豎直向量為Y軸正向，垂直向量Z軸正向。室內外基站位置確保完全相同，基站A1、A2、A3的坐標分別為(0 cm,0 cm,180 cm), (650 cm,0 cm,180 cm),(0 cm,685 cm,180 cm)。

圖6 室內實驗空間布置圖

圖7 室外實驗空間布置圖

以T0(0，0，0)為原點，自原點開始在選定實驗區域XY平面上等間距布置灰度值1～99的不同灰度標簽，如圖8和圖9所示，用于輔助動態定位精度實驗。在不同灰度標志點隨機選取一點，精確測量其在實驗空間中的坐標，為靜態定位精度測試提供參考。

圖8 室內標簽布置圖

圖9 室外標簽布置圖

2.3 定位系統測試實驗

為了減少影響定位系統實驗的變量，室內外的定位跟蹤精度測試步驟完全相同。靜態定位精度測量方面，手動放置標簽于實驗環境搭建時選取好的標記上，如圖10所示。對電腦端定位樣點圖(圖11)上的100個定位樣點(Xi，Yi)位置坐標進行數據統計，如公式(10)和(11)，求得均值點P(Xp，Yp)。

圖10 靜態定位精度測試

圖11 靜態定位樣點

(10)

(11)

式中Xp—橫坐標的系統誤差；

Yp—縱坐標的系統誤差。

求得均值點與真值點的距離即可得到定位系統距離上的系統誤差Dp，帶入式(12)求得靜態定位精度

(12)

于Robomaster EP上外接灰度傳感器，將UWB定位標簽置于灰度傳感器Robomaser EP車身平面對稱處，確保標簽與灰度傳感器連線與地面垂直，如圖12所示。啟動小車使小車在指定區域內隨機行駛，車輛到達0～99不同灰度點時，車載灰度傳感器發送信號給PC，上位機接受信號后，記錄當前時刻的位置數據，于電腦端定位樣點圖(圖13)完整記錄小車到達所有灰度點時的系統數據。

圖12 灰度傳感器與車載標簽布置圖

圖13 動態定位樣點

通過式(13)和(14)得到去除系統誤差后的動態定位點坐標(Xj,Yj)

Xj=X-Xp

(13)

Yj=Y-Yp

(14)

得到優化后的距離標準差Dj后，再利用公式(15)求得動態定位精度

(15)

3 實驗結果分析

3.1 靜態定位精度

用上位機記錄室內外靜態定位精度測試數據分別如圖14和圖15所示。

圖14 室內定位點分布

圖15 室外定位點分布

根據第2節所述方法分析計算得到靜態定位精度數據如表1所示。

表1 靜態定位精度數據表(cm)

從表1數據可以看出，本系統的靜態定位精度于室內外表現穩定且良好，能夠達到農機導航過程中對定位系統精度的要求。

3.2 動態導航跟蹤精度

車輛到達室內外0～99不同灰度點時，在定位系統當中的位置信息分別如圖16和圖17所示。

圖16 室內動態定位點

圖17 室外動態定位點

根據第2節所述方法分析計算得到動態導航跟蹤精度數據如表2所示。

表2 動態導航跟蹤精度數據表(cm)

從2表數據可以看出，本系統在室內的動態導航跟蹤精度較高，能夠控制在5 cm以內，室外情況下的動態導航跟蹤精度雖然低于室內情況，仍可控制在10 cm左右，能夠滿足農機自主行駛過程中對導航跟蹤精度的需求。

4 結論

本文將UWB定位技術在算法和硬件上進行優化，設計搭建了一種基于UWB超寬帶技術的導航定位控制系統，該系統適用于室內和室外導航定位，并設計實驗對該導航定位控制系統在室內外的靜態定位精度與動態導航跟蹤精度進行了測試。實驗表明所設計的導航定位控制系統在室內和室外環境下均具有較為穩定的靜態定位精度與動態導航跟蹤精度，能夠滿足無人駕駛農機導航定位需求。由此證明本UWB定位系統不僅在室內環境下具備較高的可靠性和穩定性，在室外局域范圍內也有相當可觀的性能，具有較為廣闊的開發應用前景。

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