便攜式植保無人機自主控制模式飛行精度檢測系統(tǒng)研究*

林 俊 ，賀冠鵬 ，周澤仕 ，李 惠 ，朱定道

（廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，廣東 河源 517001）

《“十四五”推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》提出，加強大中型、智能化、復合型農(nóng)業(yè)機械研發(fā)應用，農(nóng)作物耕種收綜合機械化率指標提高至75%。植保無人機作為新一代農(nóng)業(yè)機械，具有高效、省時、省力、不會受地形限制等一系列優(yōu)勢，廣泛應用于播種、撒肥及噴灑農(nóng)藥[1]。植保無人機進行自主控制模式飛行作業(yè)時，其飛行精度的準確、可靠尤為重要。本研究針對植保無人機自主控制模式飛行精度測試項目進行研究與分析，提出一種基于RTK（實時動態(tài)）載波相位差分技術的測試方法，搭建便攜式植保無人機飛行精度檢測系統(tǒng)，完善植保無人機自主控制模式飛行精度的檢測能力，從而提升植保無人機產(chǎn)品質(zhì)量，保障安全。

1 測試標準、指標及計算方法

1.1 測試標準

以植保無人機為研究對象，根據(jù)NY/T 3213—2018《植保無人飛機 質(zhì)量評價技術規(guī)范》標準7.3.2條款自主控制模式飛行精度測試要求進行研究與分析，標準明確規(guī)定了試驗預設飛行航線要求（航線長度不小于120 m，航線高度不大于5 m，飛行速度為3 m/s～5 m/s）、檢測系統(tǒng)測量精度要求和數(shù)據(jù)計算要求[2-4]。

1.2 性能指標

根據(jù)NY/T 3213—2018標準要求，提煉出便攜式植保無人機自主控制模式飛行精度檢測系統(tǒng)性能指標，具體要求如表1所示。

表1 系統(tǒng)性能指標

2 系統(tǒng)研究

2.1 方法原理

如圖1所示，RTK（實時動態(tài)）載波相位差分技術原理是利用一個基準站提供基準觀測值，基準站將載波相位觀測值及自身坐標信息發(fā)送給移動站，再將移動站的觀測值與基準站的觀測值進行差分運算，在差分運算下可以消掉因星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差、電離層誤差等引起的位置偏差，移動站自身求出載波相位修正值，再進行星間差分進一步消除移動站的鐘差，最終得出移動站相對基準站的相對坐標。若基準站的定位數(shù)據(jù)已知且精確，則能夠確定移動站準確的絕對坐標，其精度可達厘米甚至毫米級別。而RTK載波相位差分技術能夠提升定位精度的一個重要因素是采用了載波相位測量，相比于偽距測量，載波相位測量觀測值的誤差更小[5-8]。

圖1 RTK載波相位差分技術原理圖

2.2 檢測系統(tǒng)設計

檢測系統(tǒng)主要由硬件設計和軟件設計兩部分組成。

2.2.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件由基準站（XRTK4）、RTK采集器、數(shù)據(jù)接收器和測試電腦組成，系統(tǒng)硬件結構圖如圖2所示。其中，基準站采用便攜可移動式基準站，為檢測系統(tǒng)提供一個準確的基準觀測值，并通過無線電傳輸設備實時將觀測數(shù)據(jù)及基準站坐標信息傳送給RTK采集器；RTK采集器為檢測系統(tǒng)測量移動站，通過接收機接收衛(wèi)星信號，同時通過無線電接收設備接收基準站傳送的觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)相對定位原理，實時進行數(shù)據(jù)處理，并實時給出RTK采集器的位置信息[9]；數(shù)據(jù)接收器為RTK采集器與測試電腦提供數(shù)據(jù)傳輸橋梁，先將RTK采集器采集的位置信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收器，再由數(shù)據(jù)接收器傳輸至測試電腦，實現(xiàn)遠距離傳輸，并確保將RTK采集器采集的位置信息實時傳輸回測試電腦；測試電腦作為檢測系統(tǒng)軟件的載體，為系統(tǒng)提供一個數(shù)據(jù)處理平臺，將接收到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)算法進行處理，并將數(shù)據(jù)實時在檢測系統(tǒng)軟件上呈現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

系統(tǒng)各硬件內(nèi)置電池供電，通過便攜可移動式基準站（XRTK4）自帶的高精度定位功能，能實時更新測試系統(tǒng)基準觀測值，再根據(jù)基準站實際地點搭建測試系統(tǒng)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)可便攜式攜帶，運用于不同的試驗場地。為了確保掛載端RTK采集器不對植保無人機正常飛行作業(yè)造成影響，將其設計成輕便小巧的樣式，方便掛載在植保無人機上；而且要求工作功率低，不影響植保無人機正常接收信號。

2.2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計考慮了軟件的模塊化、松散耦合、高內(nèi)聚、易于使用、代碼可維護性等原則，整個系統(tǒng)能力框架包含了Mesh網(wǎng)絡調(diào)試管理模塊、設備管理模塊、測試任務管理模塊、用戶管理模塊等。系統(tǒng)能力框架圖如圖3所示，檢測軟件界面圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)能力框架圖

圖4 檢測軟件界面圖

1）Mesh網(wǎng)絡調(diào)試管理模塊用于檢測軟件系統(tǒng)與地面端通過Mesh網(wǎng)絡進行通信，對Mesh進行配置，測試Mesh網(wǎng)絡通信情況。

2）設備管理模塊包含設備自檢、測試項目選擇、試驗初始化，測試開始前對基準站、RTK采集器、數(shù)據(jù)接收器設備進行自檢，保證所有設備信號、采集、記錄、傳輸?shù)裙δ苷＃⒏鶕?jù)測試需求對測試項目進行選擇，先對試驗條件進行初始化，記錄任務編號、試驗產(chǎn)品型號名稱、試驗環(huán)境條件等信息。

3）測試任務管理模塊包含試驗過程管理、試驗數(shù)據(jù)分析和試驗報告生成。根據(jù)任務進行的狀態(tài)管理試驗過程，在地圖窗口實時繪制飛行軌跡，并將實時分析的試驗數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)窗口呈現(xiàn)，試驗結束后輸出試驗結果。

4）通過用戶管理模塊，用戶可以進行試驗原始記錄查看、試驗數(shù)據(jù)文件導出、試驗軌跡回放等操作。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算方法

2.3.1 坐標信息記錄

根據(jù)標準要求將檢測系統(tǒng)實時記錄的經(jīng)緯度坐標信息轉(zhuǎn)換為CGCS 2000（2000中國大地坐標系）格式的直角坐標。此時，檢測系統(tǒng)RTK采集器實時記錄航跡點的空間位置坐標記為（xi，yi，zi），i=0，1，2，…，n。其中，i=0時為飛行過程中剔除加速區(qū)間段的穩(wěn)定區(qū)間開始位置，i=n時為飛行過程中剔除減速區(qū)間段的穩(wěn)定區(qū)間開始位置[10]。

2.3.2 飛行速度數(shù)據(jù)記錄

由于當時間足夠短時，可認為瞬時速度等于平均速度。所以檢測系統(tǒng)飛行速度數(shù)據(jù)通過RTK采集器實時記錄的位置信息計算而來，假設當前記錄的位置坐標記為（xi-1，yi-1，zi-1）且時間為ti-1，下一個記錄的位置坐標記為（xi，yi，zi）且時間為ti。

ti-1至ti的平均速度計算公式：

式中，vˉi表示ti-1至ti的平均速度；xi-1、yi-1、zi-1為ti-1記錄的坐標信息；xi、yi、zi為ti記錄的坐標信息。

當ti趨近于ti-1時，則植保無人機的飛行速度vi=vˉi。

2.3.3 預設航線信息記錄

將檢測系統(tǒng)RTK采集器在試驗場地內(nèi)記錄點A（xA，yA，zA）和點B（xB，yB，zB）作為預設飛行航線的起點和終點，A、B兩點的距離不小于120 m，整條航線的平面位置坐標記為ax+by+c=0，其中，a、b、c系數(shù)依據(jù)預設飛行航線方向和位置而定。

2.3.4 偏航距與速度偏差計算

通過2.3.3預設的飛行航線ax+by+c=0與2.3.2檢測系統(tǒng)RTK采集器實時記錄航跡點的空間位置坐標計算偏航距和速度偏差。

偏航距（水平）Li計算公式：

式中，Li為偏航距（水平）；xi為系統(tǒng)RTK采集器記錄航跡點的東西方向坐標值；yi為系統(tǒng)RTK采集器記錄航跡點的南北方向坐標值。

偏航距（高度）Hi計算公式：

式中，Hi為偏航距（高度）；zi為系統(tǒng)RTK采集器記錄航跡點的高度坐標值；zset為預設航線的高度坐標值。

速度偏差Vi計算公式：

式中，Vi為速度偏差；vi為系統(tǒng)內(nèi)部計算航跡點的飛行速度；vset為預設航線的飛行速度。

2.3.5 有效數(shù)據(jù)判斷標準

植保無人機在自主飛行過程中，存在起步時的加速狀態(tài)、平穩(wěn)飛行的均速狀態(tài)和航線結束前的減速狀態(tài)，根據(jù)標準要求需剔除飛行過程的“加速區(qū)間”和“減速區(qū)間”段數(shù)據(jù)，而精度測試有效數(shù)據(jù)的判斷是影響設備測試誤差的一個重要因素。

考慮到植保無人機在自主飛行過程中狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，將植保無人機在“穩(wěn)定區(qū)間”飛行采集的數(shù)據(jù)標注為“有效數(shù)據(jù)”，其余區(qū)間飛行采集的數(shù)據(jù)默認為“無效數(shù)據(jù)”。

植保無人機從C點出發(fā)，一直到B點，精度測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖如圖5所示。

圖5 精度測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

1）距離r：判斷經(jīng)過起點的半徑范圍，為1.5 m。

2）C點：表示無人機此時為“準備狀態(tài)”，距離起點大于r。

3）D點：表示無人機此時“進入起點范圍”，距離起點小于r。

4）E點：表示無人機此時“離開起點范圍”，距離起點大于r（通過D、E點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可判斷無人機“經(jīng)過起點”）。此時會累計記錄包含當前幀共10幀的記錄，用以判斷D點轉(zhuǎn)換條件。

5）F點：表示無人機此時“穩(wěn)定飛行”。當目前記錄的速度大于預設速度，且當前10幀記錄平均值與預設速度的絕對值小于0.4時，判定為“穩(wěn)定飛行”，此時數(shù)據(jù)均標注為“有效數(shù)據(jù)”。

6）G點：表示無人機此時“滿足最小穩(wěn)定飛行航距”，即F、G兩點之間的距離大于預設的“穩(wěn)定航距”。

3 檢測系統(tǒng)校驗

3.1 硬件設備校準

基準站（XRTK4）為檢測系統(tǒng)提供一個準確的基準觀測值，其定位的準確性是影響檢測系統(tǒng)測試準確性的重要參數(shù)，其定位精度需達到毫米級別，才能保證檢測系統(tǒng)測試基準點的準確性。

硬件設備校準采用將基準站放置在已知參考站點上進行定位精度校準的方式，確保基準站記錄的定位信息準確可靠。基準站放置在參考站點HO1、HO2上進行位置信息測量，將基準站測量數(shù)據(jù)與參考站點進行比較，計算測量誤差。參考站點坐標：HO1（-2 313 255.027 9，5 396 072.722 2，2 484 087.216 7）、HO2（-2 313 251.148 8，5 396 073.619 3，2 484 088.897 9）。基準站（XRTK4）校準數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 基準站（XRTK4）校準數(shù)據(jù)表

3.2 軟件系統(tǒng)校驗

RTK采集器作為檢測系統(tǒng)的測量移動站，在檢測系統(tǒng)中是非常重要的一部分，它決定了檢測系統(tǒng)測試定位數(shù)據(jù)更新時間間隔和檢測系統(tǒng)測量的精度。為了確保檢測系統(tǒng)測試定位數(shù)據(jù)更新時間間隔符合標準NY/T 3213—2018《植保無人飛機 質(zhì)量評價技術規(guī)范》規(guī)定的記錄要求，調(diào)節(jié)RTK采集器定位數(shù)據(jù)更新間隔為0.1 s。

軟件系統(tǒng)校驗采用已校準的全站儀設備對測量RTK采集器坐標和檢測系統(tǒng)RTK采集器輸出坐標進行對比驗證。將全站儀設備和基準站分別固定在I0點（-2 439 968.311 8，5 313 165.314 8，2 540 568.004 4）上，在試驗場地上選取不同方向和高度的5個測量點，標記為I1、I2、I3、I4、I5，將RTK采集器放置在5個測量點上記錄測量點坐標信息，將用RTK采集器記錄的信息與用全站儀測量的5個測量點坐標信息進行比對，計算測量誤差。軟件系統(tǒng)校驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 軟件系統(tǒng)校驗數(shù)據(jù)表

檢測系統(tǒng)測試準確性、測試精度由基準站（XRTK4）和RTK采集器共同決定，兩者缺一不可。通過對檢測系統(tǒng)的校驗，其校驗結果符合標準飛行軌跡檢測系統(tǒng)性能指標的要求，進而保證檢測系統(tǒng)測量的準確性和精度。

4 案例試驗

本研究以3WWDZ-15.2A型農(nóng)業(yè)無人機為測試樣機進行自主控制模式飛行精度試驗。

1）選取空曠的區(qū)域作為飛行試驗場地，確保四周無障礙物遮擋，避免障礙物遮擋影響測試樣機和設備接收衛(wèi)星信號，減少不確定因素對試驗結果的影響。將基準站（XRTK4）固定在試驗場地中，組建便攜式植保無人機自主控制模式飛行精度檢測系統(tǒng)，開啟基準站（XRTK4）、RTK采集器、數(shù)據(jù)接收器和測試電腦等設備，對設備功能進行自檢，確保測試系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，將RTK采集器固定在測試樣機上。

2）試驗開始前對試驗場地、測試樣品信息、試驗環(huán)境等內(nèi)容進行記錄。

3）試驗開始時先進行預設航線信息記錄，規(guī)劃測試樣機自主飛行作業(yè)航線，并使用RTK采集器設備記錄航線起點坐標為（114.670 421 8，23.618 719，41.902），終點坐標為（114.669 202 5，23.618 750 4，41.783），航線距離為124.48 m，預設飛行高度為3 m，飛行速度為3 m/s。

4）控制測試樣機以飛行高度為3 m，飛行速度為3 m/s沿預設航線進行自主飛行作業(yè)。試驗過程中，檢測系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算方法對RTK采集器實時記錄的數(shù)據(jù)進行計算，在地圖窗口和數(shù)據(jù)窗口可以查看測試樣機自主飛行過程的實時軌跡信息和偏差信息。測試樣機實時飛行軌跡圖如圖6所示。

圖6 測試樣機飛行軌跡圖

5）試驗結束時，檢測系統(tǒng)根據(jù)記錄的偏差數(shù)據(jù)得出測試樣機自主控制模式飛行精度試驗結果，如圖7所示。其中最大水平偏航距為0.23 m，最大高度偏航距為0.21 m，最大速度偏差為0.19 m/s。因此，測試樣機符合NY/T 3213—2018《植保無人飛機 質(zhì)量評價技術規(guī)范》的自主控制模式飛行精度試驗項目要求。

圖7 測試樣機自主控制模式飛行精度試驗結果

5 結論

本研究根據(jù)NY/T 3213—2018《植保無人飛機 質(zhì)量評價技術規(guī)范》的要求，對植保無人機自主控制模式飛行精度試驗項目進行研究與分析。提出一種基于RTK（實時動態(tài)）載波相位差分技術的測試方法，搭建一個符合標準指標要求的便攜式植保無人機飛行精度檢測系統(tǒng)，完善植保無人機自主控制模式飛行精度的檢測能力，提升植保無人機檢驗檢測技術水平，確保植保無人機產(chǎn)品的質(zhì)量安全，從而提高植保無人機產(chǎn)品綜合性能，更好地促進植保無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展。