基于北斗導(dǎo)航的植保無人機(jī)定位設(shè)計(jì)

王高亮+王強(qiáng)+羅嘉偉+孫曉紅

摘要：農(nóng)用植保無人機(jī)是農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的重要設(shè)備，具有效率高、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸取代了人工植物保護(hù)，成為農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的中流砥柱。研發(fā)和制作出高精度的基于北斗導(dǎo)航植保無人機(jī)定位系統(tǒng)是將來農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)推向市場(chǎng)的重要沖破點(diǎn)。長(zhǎng)期以來則一直是各大高校研究的熱點(diǎn)，且在實(shí)際使用過程中獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。GPS是應(yīng)用在多旋翼無人機(jī)上完成獨(dú)立飛行的普遍使用方式。而國(guó)內(nèi)的BDS定位體系是在GPS、“格雷納斯”、“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后，由本國(guó)自主研發(fā)、擁有全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)，穩(wěn)定覆蓋亞太地區(qū)的一種全新定位方式。

關(guān)鍵詞： 植保無人機(jī)； 北斗定位系統(tǒng)； GPS 定位； BDS定位

中圖分類號(hào)： TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)： 2095-2163（2017）05-0046-04

Abstract：Agricultural plant protection unmanned aerial vehicle （UAV） is an important equipment in the field of agricultural plant protection，which has the characteris of high efficiency and low operating cost. It has gradually replaced the artificial plant protection and become the mainstay of the field of agricultural plant protection. Development and production of highprecision plant protection unmanned aerial vehicle based on Beidou navigation would be an important breakthrough point for agricultural plant protection unmanned aerial vehicle coming into the market. And the topic has been a major focus of research for a long time，meanwhile obtained the considerable development in the process of actual use. GPS is a common way to achieve autonomous navigation in multi rotor UAV. Following GPS， "Geleinasi"， "Galileo" satellite navigation system， the BDS positioning system is a new positioning method of stability in the AsiaPacific region， independently researched and developed with all the intellectual property rights in China.

Keywords： plant protection unmanned aerial vehicle； Beidou positioning system； GPS positioning； BDS positioning

0引言

多旋翼無人機(jī)是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了無人機(jī)的自主移動(dòng)能力，比固定的機(jī)器人面臨著更為復(fù)雜的不確定性環(huán)境，但同時(shí)也具有更大的靈活性、活動(dòng)范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。本項(xiàng)目使用河南嘉科智能控制科技有限公司的多旋翼植保無人機(jī)，用于研究無人機(jī)的定位技術(shù)，制作了基于北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的多旋翼無人機(jī)定位系統(tǒng)與多旋翼無人機(jī)衛(wèi)星監(jiān)控軟件，并且在戶外做了區(qū)間定位性能檢測(cè)。

本文結(jié)合BDS的構(gòu)成，從抵觸理論上演算了全球衛(wèi)星定位的可行性，做了仔細(xì)的誤差分析。設(shè)計(jì)了BDS定位程序，成功獲得了植保無人機(jī)實(shí)時(shí)的經(jīng)度、緯度、時(shí)間、高度。設(shè)計(jì)了R485通訊與建立地圖的核心部位功能解算方法，初步實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互。使用無線數(shù)據(jù)傳達(dá)信息的方式實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)與操作者的監(jiān)控軟件通訊，這樣可以極易控制無人機(jī)。另外比較了北斗導(dǎo)航與GPS的可見衛(wèi)星的數(shù)量、空間分布、精度的因素，靜態(tài)定位精度，提升了植保無人機(jī)的自動(dòng)化水平，為后續(xù)的科研奠定了良好的實(shí)施基礎(chǔ)。

1無人機(jī)研究背景及意義

多旋翼無人機(jī)在無人機(jī)家族中具有承上啟下的作用，同時(shí)具有極強(qiáng)的垂直起降的功能，且制造成本低，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)生活中發(fā)揮了極大的價(jià)值。無人機(jī)自主導(dǎo)航問題歸結(jié)對(duì)“where am I？”，“What does the world looks like？”，“where do you want to go？”和“How do I get there？” 等4個(gè)基本問題的解答。因此，機(jī)器人定位、建模制圖、運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃是無人機(jī)導(dǎo)航定位任務(wù)必須解決的四大技術(shù)，只有在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究等[1]。

BDS是世界上目前為止能獨(dú)立運(yùn)行的全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航家族之一，而且全部都是由中國(guó)科學(xué)家們獨(dú)立操刀設(shè)計(jì)和正在施工建造的全球?qū)Ш较到y(tǒng)。本課題研究多旋翼無人機(jī)的定位技術(shù)，基于北斗導(dǎo)航的多旋翼植保無人機(jī)定位模塊和多旋翼無人機(jī)地面站。多旋翼植保無人機(jī)在農(nóng)藥噴灑、植保飛防等領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際操作中還有很多不穩(wěn)定的因素，最主要問題就是，如何獲得準(zhǔn)確的定位坐標(biāo)[2]。

2無人機(jī)定位技術(shù)分析

2.2GPS定位endprint

美國(guó)的GPS[6-7]是全球使用范圍最廣、性能最穩(wěn)定的系統(tǒng)。GPS 系統(tǒng)主要由空間段、地面段和用戶段等3部分構(gòu)成。各個(gè)軌道面上的每一個(gè)衛(wèi)星都是分散發(fā)布的；每一條空間軌跡的傾斜角度計(jì)為 60°；6個(gè)升集合點(diǎn)等間隔配置，即每一個(gè)平面的升交點(diǎn)的赤經(jīng)有60°的誤差；這種空間衛(wèi)星分布的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是確保至少有4顆衛(wèi)星在世界任何地方和任何地點(diǎn)被觀測(cè)到，特別是在高緯度地區(qū)。地面段主要由 1 個(gè)主控站、6 個(gè)監(jiān)測(cè)站和 4 個(gè)注入站組成。地面段為個(gè)人 GPS接收機(jī)，接收機(jī)的根本作用是回收GPS回傳調(diào)制信號(hào)、解析電報(bào)和運(yùn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)，為地面端發(fā)送時(shí)間、位置坐標(biāo)和測(cè)速服務(wù)。

中國(guó)在1994年建成了第一代北斗系統(tǒng)。GPS的操作方式十分簡(jiǎn)易，用戶攜帶一臺(tái)GPS接收機(jī)就可使用其提供的免費(fèi)服務(wù)，但是授權(quán)服務(wù)是收費(fèi)的[8]。美國(guó)的GPS一共提供2種信號(hào)，即C/A 碼和僅驗(yàn)證后才能使用的P碼。第一個(gè)C/A 碼是完全免費(fèi)的，操作簡(jiǎn)單，目前的定位準(zhǔn)確度在以100 cm為半徑的圓面積；第二種P碼就是直接使用在國(guó)防等高準(zhǔn)確度要求環(huán)境下。在2000年以前歐美科學(xué)家就在第一種信號(hào)中人為地夾雜了選擇性誤差算法，即SA 戰(zhàn)略，這就是第一種信號(hào)的準(zhǔn)確度極差的原因，其定位的坐標(biāo)偏差有的會(huì)在上百米以上，之所以要加入誤差算法的目地是拒絕其他國(guó)家對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行惡意干擾；2000年之后，美國(guó)才撤除SA 戰(zhàn)略，第一種信號(hào)才有了今天的GPS高精度數(shù)據(jù)。

3北斗導(dǎo)航定位理論基礎(chǔ)

3.1BDS 空間衛(wèi)星星座

BDS 采用的是混合空間的星座，與其他國(guó)家的衛(wèi)星系統(tǒng)有著根本性的差別。其在太空內(nèi)由5枚靜止的軌道衛(wèi)星和30枚非靜止軌道衛(wèi)星共35枚導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成；30枚的非靜止軌道衛(wèi)星包括3枚地球異步平直軌道衛(wèi)星和27枚地球中間軌道導(dǎo)航衛(wèi)星，27枚分布傾角為55°。這樣，衛(wèi)星星座可以由3個(gè)不同軌道高度的衛(wèi)星集結(jié)表征，能彌補(bǔ)MEO衛(wèi)星隨著時(shí)間推移的功能欠缺，在中國(guó)，將可以有效地提升國(guó)內(nèi)區(qū)域星座布局的整體運(yùn)行態(tài)勢(shì)。可為中國(guó)與周邊國(guó)家的高準(zhǔn)確的坐標(biāo)提供全天候服務(wù)。如圖2所示。

3.2BDS 地面端

BDS的地面控制系統(tǒng)一共是由3個(gè)模塊組成，1 個(gè)主控站、2 個(gè)注入站、30 個(gè)監(jiān)測(cè)站。

監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)跟蹤掌控衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站和臨近空間的工作狀態(tài)、地理環(huán)境變化，將監(jiān)控信息發(fā)送到主站。

主站監(jiān)控站接收和處理數(shù)據(jù)的發(fā)送，待衛(wèi)星導(dǎo)航電文和星歷數(shù)據(jù)發(fā)送到主站后，還負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)站和注入站的管理，確保BDS的正常運(yùn)行。

注入站在主控站的制約下，對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行控制管理，將衛(wèi)星電報(bào)、衛(wèi)星星歷、差分?jǐn)?shù)據(jù)等注入到衛(wèi)星的數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)中，并在分析監(jiān)測(cè)注入的信息后判斷是否正常。

4基于BDS的無人機(jī)定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本研究所使用的植保無人機(jī)平臺(tái)是河南嘉科智能控制科技有限公司自主研發(fā)的一款多旋翼植保無人機(jī)。具有農(nóng)田噴灑農(nóng)藥、病蟲害檢測(cè)等功能。該多旋翼植保無人機(jī)的外觀如圖3所示。

4.1植保無人機(jī)體系構(gòu)造

本課題所設(shè)計(jì)的多旋翼無人機(jī)定位系統(tǒng)按照功能可以劃分為兩大部分：上位機(jī)系統(tǒng)、多旋翼無人機(jī)的硬件系統(tǒng)。而多旋翼無人機(jī)的硬件系統(tǒng)又可分為3層。具體闡釋如下。

首先，最頂層為嵌入式 Linux系統(tǒng)層。多旋翼植保無人機(jī)上連接的地面端可以顯示多旋翼植保無人機(jī)當(dāng)前各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，用戶可以按照需求設(shè)置相關(guān)飛行參數(shù)、多旋翼植保無人機(jī)的默認(rèn)參數(shù)，該層也稱為人機(jī)交互層。

其次，中間層使用了意大利ST公司的STM32F427VIT6處理器。該處理器是一個(gè)32位微型控制器，是ARM Cortex—M4的內(nèi)核，超頻工作可到159 MHz，并擁有內(nèi)存直接訪問DMA（direct memory access）選項(xiàng)和浮點(diǎn)運(yùn)算單元，能在外界干預(yù)的環(huán)境下迅速進(jìn)行浮點(diǎn)解算，為無人機(jī)提供了工業(yè)級(jí)的穩(wěn)定性和安全性。主要負(fù)責(zé)飛行算法處理，例如多旋翼無人機(jī)飛行角度控制處理；多傳感器的信息融合，將底層傳感器采集的信息在操作處理后傳輸至最頂層或反饋到底層，使多旋翼無人機(jī)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的飛行狀態(tài)。

第三，最底層，即STM32F405RGT6微處理器，主要負(fù)責(zé)傳感器采集信息層，重點(diǎn)包括：BDS定位單元、電機(jī)控制單元、數(shù)據(jù)傳輸單元等。

4.2北斗導(dǎo)航定位模塊

植保無人機(jī)上衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊采用的是和芯星通公司生產(chǎn)的UM 220 型芯片，圖4是 UM220 測(cè)試板。和芯星通UM220是雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，多頻率高性能S2C芯片，能夠極易完成接收BD2 B1、GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)。UM220外形尺寸緊湊，采用SMT焊盤，適用于低成本、低功耗領(lǐng)域。

性能指標(biāo)：尺寸16*12.2*2.4 mm，工作溫度-40 ℃～85 ℃，擁有2個(gè)UART，首次定位冷啟動(dòng)需要30 s，熱啟動(dòng)需

4.3微處理器模塊

微處理器模塊如圖5所示。

微處理器模塊性能參數(shù)：ARM-Cortex M4架構(gòu)，32位處理器，工作頻率169 MHz，196 KB的RAM，64引腳，采用LQFP封裝，嵌入式接口類型豐富，共有CAN、I2C、SPI、USRT、USART、USB 6種類型。

4.4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制軟件的核心任務(wù)是為無人機(jī)飛行角度的獲取及把控、地面發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)解算、通信連接狀態(tài)實(shí)時(shí)處理。與功能相對(duì)應(yīng)，[JP4]將植保無人機(jī)的控制軟件大致劃分為3組。軟件流程如圖6所示。

第l組采用了微型處理器的高級(jí)IO捕獲口，捕獲中斷程序中的遙控器S-BUS數(shù)據(jù)。采用180 Hz 作為無人機(jī)飛行角度控制頻率，完成對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)的處理，再由IO口以PWM的形式傳輸給無人機(jī)的電子調(diào)速器，給多旋翼無人機(jī)的電機(jī)下指令，完成對(duì)無人機(jī)的操作動(dòng)作。endprint

第2組是采用控制器的定時(shí)器斷點(diǎn)函數(shù)，每隔8 ms運(yùn)行一次，自檢地面控制器數(shù)據(jù)的改變值。若斷點(diǎn)函數(shù)中的捕獲值與當(dāng)前地面段的數(shù)據(jù)值不一致時(shí)，說明通信正常。如果一致的話，則清晰表明地面控制器已經(jīng)對(duì)植保無人機(jī)失去了控制，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該馬上標(biāo)定連接錯(cuò)誤符，采取相應(yīng)措施給植保無人機(jī)下達(dá)返航命令，并返回主函數(shù)。

第3組為主函數(shù)部分。大多數(shù)功能都在此函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先初始化各個(gè)模塊。然后將每一個(gè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，若此時(shí)無人機(jī)返回故障信號(hào)，應(yīng)該立刻把植保無人機(jī)的飛行角度設(shè)置為水平，使其能保持垂直飛行。如果沒有接收失控信號(hào)，則應(yīng)該繼續(xù)獲取輸入斷點(diǎn)代碼標(biāo)識(shí)的無人機(jī)飛行狀態(tài)信號(hào)，解算相應(yīng)的植保無人機(jī)控制算法得到控制量并調(diào)制成PWM數(shù)據(jù)，然后用DMA模塊將得到的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳送至對(duì)應(yīng)的子程序中，這樣即可調(diào)節(jié)植保無人機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到最佳的調(diào)校結(jié)果。

4.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

[圖7為融合了BDS數(shù)據(jù)的無人機(jī)的姿態(tài)角響應(yīng)實(shí)測(cè)曲線。由于實(shí)際系統(tǒng)存在響應(yīng)時(shí)間，實(shí)測(cè)結(jié)果比仿真結(jié)果的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間略長(zhǎng)一些。從圖7中可以看出，系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，在存在外界干擾的情況下，仍能跟蹤期望的姿態(tài)。

5結(jié)束語

目前，多旋翼植保無人機(jī)定位導(dǎo)航技術(shù)，是無人機(jī)家族的一個(gè)重要分支。本文是設(shè)計(jì)基于BDS多旋翼植保無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。本文的核心及創(chuàng)新之處包括以下幾個(gè)方面：

1）通過對(duì)BDS定位系統(tǒng)原理的研究，得出影響定位精度的因素。當(dāng)用戶測(cè)距誤差一定時(shí)，測(cè)量精度主要取決于精度因子，并進(jìn)行了定位誤差來源分析。

2）NMEA0183 是目前應(yīng)用廣泛、成熟、可靠的衛(wèi)星電文協(xié)議，其編程簡(jiǎn)單，可以根據(jù)需要從不同的導(dǎo)航電文中提取有用的信息。本課題設(shè)計(jì)了BDS定位子程序，成功獲得了目標(biāo)的經(jīng)緯度、時(shí)間、海拔高度、多旋翼無人機(jī)速度以及衛(wèi)星的空間分布等信息。

3）設(shè)計(jì)多旋翼植保無人機(jī)的定位系統(tǒng)，通過采用多傳感器和BDS系統(tǒng)的融合，使得植保無人機(jī)在戶外獲得了良好的定位效果。為將來的研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4）通過分析比較，并針對(duì)基于BDS 的多旋翼植保無人機(jī)定位系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位。研究可得，BDS系統(tǒng)基本滿足戶外定位要求，BDS導(dǎo)航系統(tǒng)在單獨(dú)定位時(shí)可以達(dá)到半徑為450 cm的圓面積內(nèi)的定位準(zhǔn)確度。

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