農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)駕駛系統(tǒng)軌跡跟蹤誤差測(cè)試

萬(wàn) 豪，莫中秋，張 宇

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心，北京 100088；3.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]的全面建設(shè)以及導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)在各行各業(yè)應(yīng)用中百花齊放[2]。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，衛(wèi)星導(dǎo)航在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用[3]，但農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)駕駛作業(yè)還處于初級(jí)階段[4]，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)一批自主研發(fā)的基于高精度GNSS定位的農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航自動(dòng)駕駛產(chǎn)品[5]，這些產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)作業(yè)質(zhì)量。

2018年，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)T/CAAMM 13-2018《農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)前裝 通用技術(shù)條件》[6]，軌跡跟蹤誤差[7]作為農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能否按照既定路線(xiàn)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的重要保證，直接關(guān)系到作業(yè)質(zhì)量和精度。

軌跡跟蹤誤差有2種表現(xiàn)形式：軌跡跟蹤最大誤差和軌跡跟蹤平均誤差。軌跡跟蹤最大誤差指在穩(wěn)態(tài)軌跡跟蹤階段，作業(yè)機(jī)具中心點(diǎn)相對(duì)于當(dāng)前導(dǎo)航線(xiàn)的橫向偏移誤差絕對(duì)值的最大值。軌跡跟蹤平均誤差指在穩(wěn)態(tài)軌跡跟蹤階段，作業(yè)機(jī)具中心點(diǎn)相對(duì)于當(dāng)前導(dǎo)航線(xiàn)的平均橫向偏移誤差的絕對(duì)值。

為了驗(yàn)證該標(biāo)準(zhǔn)提出的技術(shù)指標(biāo)是否合理，測(cè)試方法是否可行，采用實(shí)車(chē)安裝農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和分析。

1 測(cè)試環(huán)境和樣品選取

選取了2種測(cè)試場(chǎng)地：一種為平整、寬闊的水泥硬化場(chǎng)地，面積約150 m*80 m；一種為相對(duì)平整的農(nóng)田地(如圖1所示)，傾斜度在3°以下，面積約160 m*50 m；前者用于測(cè)試軌跡跟蹤性能指標(biāo)，后者用于測(cè)試帶機(jī)具狀態(tài)下的作業(yè)性能指標(biāo)。2種場(chǎng)地周?chē)h(huán)視高度角10°以上均要求無(wú)障礙物遮擋，同時(shí)周?chē)鸁o(wú)明顯影響測(cè)試的電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)。

測(cè)試場(chǎng)地附近具備標(biāo)定的RTK基準(zhǔn)位置(如圖2所示)和數(shù)據(jù)通信鏈路，滿(mǎn)足短基線(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，標(biāo)定的基準(zhǔn)位置WGS84坐標(biāo)分量絕對(duì)精度應(yīng)優(yōu)于0.01 m，相對(duì)測(cè)量精度優(yōu)于1 mm。

圖1 測(cè)試場(chǎng)地(農(nóng)田地)

圖2 RTK基準(zhǔn)位置

測(cè)試樣品選取了狀態(tài)良好的拖拉機(jī)，裝配有輔助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，安裝可靠、完成系統(tǒng)調(diào)試工作且各項(xiàng)指標(biāo)正常，同時(shí)完成各種作業(yè)的農(nóng)機(jī)具調(diào)試且技術(shù)狀態(tài)良好。輔助駕駛系統(tǒng)為電動(dòng)方向盤(pán)系列輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)備。

2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 測(cè)試方法及步驟

在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)，啟動(dòng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)直線(xiàn)行駛模式，拖拉機(jī)在行駛前，在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)顯示界面上設(shè)置當(dāng)前停放點(diǎn)為A點(diǎn)，使用高精度基準(zhǔn)標(biāo)定A點(diǎn)的三維坐標(biāo)，起動(dòng)拖拉機(jī)開(kāi)始以2.0±0.2 m/s手動(dòng)操作使其沿直線(xiàn)行駛約80 m后暫停，在顯示界面上設(shè)置當(dāng)前點(diǎn)為B點(diǎn)，同樣使用高精度基準(zhǔn)標(biāo)定B點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

以A，B為端點(diǎn)、作業(yè)間距為2.4 m設(shè)置自動(dòng)駕駛的導(dǎo)航線(xiàn)(一組平行線(xiàn))，將拖拉機(jī)手動(dòng)掉頭，使機(jī)頭基本重合B點(diǎn)。點(diǎn)擊顯示界面上的自動(dòng)駕駛按鈕，拖拉機(jī)開(kāi)始以4.0±0.2 m/s的速度從B行駛到A，實(shí)時(shí)記錄高精度基準(zhǔn)系統(tǒng)[8]采集的拖拉機(jī)實(shí)際軌跡點(diǎn)(數(shù)據(jù)采樣率設(shè)置為10 Hz)。再次手動(dòng)掉頭后，同樣啟動(dòng)自動(dòng)駕駛，沿AB線(xiàn)相鄰平行的另一條導(dǎo)航線(xiàn)行駛到B一側(cè)，如此往復(fù)3次。

分別在水泥硬化場(chǎng)地、農(nóng)田熟地不帶機(jī)具和農(nóng)田熟地帶機(jī)具3種工況作業(yè)模式下，操作農(nóng)機(jī)重復(fù)以上作業(yè)步驟，行駛軌跡如圖3所示，各自統(tǒng)計(jì)軌跡跟蹤誤差，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及分析。

圖3 行駛軌跡(Google地圖)

2.2 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析

作業(yè)軌跡數(shù)據(jù)采集以10 Hz數(shù)據(jù)刷新率在線(xiàn)存儲(chǔ)，利用Novatel后處理軟件Inertial Explorer 8.70(簡(jiǎn)稱(chēng)IE工具)進(jìn)行緊耦合處理[9]，最后輸出符合NMEA-0183協(xié)議[10]的GGA文件。通過(guò)高精度基準(zhǔn)系統(tǒng)標(biāo)定的A，B點(diǎn)水平方向的坐標(biāo)，確定直線(xiàn)方程ax+by+c=0。

選定水泥硬化場(chǎng)地、農(nóng)田熟地不帶機(jī)具和農(nóng)田熟地帶機(jī)具3種工況作業(yè)的穩(wěn)定作業(yè)區(qū)段，行駛軌跡點(diǎn)采集如圖4所示。

圖4 行駛軌跡點(diǎn)采集

按式(1)計(jì)算實(shí)際采樣點(diǎn)到AB直線(xiàn)的水平距離，并以不同統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)各自直線(xiàn)軌跡跟蹤偏差，如圖5所示。

(1)

圖5 軌跡跟蹤誤差統(tǒng)計(jì)圖

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果不難看出，水泥硬化場(chǎng)地中拖拉機(jī)的軌跡跟蹤平均誤差能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，但隨著拖拉機(jī)行駛，軌跡存在逐漸偏離的趨勢(shì)。相比硬化區(qū)域，農(nóng)田熟地不帶機(jī)具的軌跡跟蹤平均誤差明顯變大，均方根誤差也變大，難以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)上的要求。帶機(jī)具之后，軌跡跟蹤誤差相比不帶機(jī)具，也有增大趨勢(shì)。軌跡跟蹤誤差測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 軌跡跟蹤誤差測(cè)試結(jié)果

Tab.1 Test results of trajectory tracking error

統(tǒng)計(jì)方法軌跡跟蹤誤差/m水泥硬化場(chǎng)地農(nóng)田熟地不帶機(jī)具農(nóng)田熟地帶機(jī)具平均值(Mean)0.022 700.051 810.087 09均方根值(RMS)0.012 220.050 740.020 35最大值(MAX)0.049 010.171 570.126 902倍標(biāo)準(zhǔn)差(2σ)0.044 270.149 490.118 66

3 測(cè)試問(wèn)題分析及措施

3.1 導(dǎo)航線(xiàn)

按一般使用情況，農(nóng)機(jī)自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)在規(guī)劃第1條作業(yè)航線(xiàn)時(shí)，起點(diǎn)和終點(diǎn)都采用實(shí)時(shí)獲取的方式(而非標(biāo)定輸入)，也就是說(shuō)，導(dǎo)航線(xiàn)2個(gè)端點(diǎn)一般按實(shí)時(shí)采集位置的均值獲得，位置精度與采集時(shí)間的長(zhǎng)短關(guān)系較大，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，推薦起點(diǎn)和終端的采集時(shí)間在10 min以上。

3.2 測(cè)量設(shè)備天線(xiàn)安裝

輪式拖拉機(jī)上安裝自動(dòng)駕駛系統(tǒng)時(shí)，一般為測(cè)向的需要，導(dǎo)航主從天線(xiàn)常安裝于機(jī)頭兩側(cè)，而以主天線(xiàn)獲取的實(shí)時(shí)位置確定前航線(xiàn)端點(diǎn)，該端點(diǎn)并非農(nóng)機(jī)作業(yè)的行駛中心。檢測(cè)過(guò)程中如果以此為基準(zhǔn)計(jì)算作業(yè)軌跡跟蹤誤差，就會(huì)人為地引入計(jì)算誤差，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將端點(diǎn)和行使中心之間的固定距離進(jìn)行測(cè)算，并消除該固定值。

3.3 作業(yè)邊界

標(biāo)準(zhǔn)中要求農(nóng)機(jī)軌跡跟蹤平均誤差為2.5 cm，測(cè)試中如果采用人工測(cè)量的方法，則對(duì)作業(yè)邊界的目測(cè)識(shí)別提出了極高要求，而在農(nóng)田熟地中作業(yè)邊界難以有識(shí)別基準(zhǔn)的情況下，會(huì)引入厘米級(jí)以上的測(cè)量誤差[11]。準(zhǔn)確測(cè)量的方法是使用自動(dòng)化的軌跡采集系統(tǒng)和配套的數(shù)據(jù)后處理工具。

3.4 檢測(cè)基準(zhǔn)

軌跡跟蹤平均誤差2.5 cm也對(duì)測(cè)量的儀器設(shè)備精度提出較為嚴(yán)格的要求。按目前導(dǎo)航產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK定位精度的最優(yōu)值為±(10+1×D) mm(靜態(tài)環(huán)境可以滿(mǎn)足6～8 mm、相對(duì)精度可以滿(mǎn)足3～5 mm)，同時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK[12]定位精度值與基線(xiàn)長(zhǎng)度、當(dāng)前載體速度和周?chē)h(huán)境等因素關(guān)系密切。所以檢測(cè)基準(zhǔn)的選取不當(dāng)，對(duì)軌跡跟蹤誤差的測(cè)量精度會(huì)造成影響。

檢測(cè)基準(zhǔn)最佳的選擇是高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)[13]和先進(jìn)IE后處理技術(shù)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)中利用緊耦合技術(shù)，既能保證在GNSS系統(tǒng)不可靠的情況下利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)不間斷得到高精度位姿信息，又能保證在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[14]誤差變大時(shí)，利用GNSS對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行修正來(lái)持續(xù)輸出高精度位置信息[15]，在工況條件不好或受干擾的情況下確保數(shù)據(jù)的可靠性和連續(xù)性。

IE后處理技術(shù)是利用動(dòng)態(tài)后處理差分(Post-Processing-Kinematic，PPK)技術(shù)[16]，相比實(shí)時(shí)RTK技術(shù)，其在處理中使用了精密星歷[17]，利用了低速平滑技術(shù)，消除了差分鏈路的誤差，同時(shí)利用同周期歷元處理[18]的算法提高了位置解的固定率。使得其位置精度比實(shí)時(shí)RTK高出1/3以上。更為重要的是，它在數(shù)據(jù)更新率上，有更多的選擇性，能滿(mǎn)足各種動(dòng)態(tài)速度的要求。

3.5 檢測(cè)場(chǎng)地

輪式拖拉機(jī)輔助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在檢測(cè)中需要的場(chǎng)地相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只要面積、平整度符合要求的農(nóng)田熟地即可，同時(shí)熟地周?chē)粦?yīng)存在林蔭、高山和湖面，不需要過(guò)多的場(chǎng)地專(zhuān)業(yè)建設(shè)。目前高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)已具備便攜設(shè)備，在測(cè)量精度和可靠性方面也完全可以保證，測(cè)試場(chǎng)地的高精度基準(zhǔn)位置標(biāo)定技術(shù)[19]也已成熟，只需攜帶測(cè)試設(shè)備和配套的工裝等就可赴現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，從根本上解決對(duì)檢測(cè)場(chǎng)地的過(guò)分依賴(lài)問(wèn)題和整機(jī)長(zhǎng)途跋涉的困境。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的軌跡跟蹤誤差指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量與分析，水泥硬化場(chǎng)地中，拖拉機(jī)的軌跡跟蹤平均誤差能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，而農(nóng)田熟地中的軌跡跟蹤偏差卻難以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)上的要求。同時(shí)，對(duì)測(cè)試中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了應(yīng)采取的相應(yīng)措施。下一步，將針對(duì)T/CAAMM 13-2018《農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)前裝通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的軌跡跟蹤誤差指標(biāo)要求及測(cè)試方法進(jìn)行討論分析。