一種高精度的無人駕駛農機系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)。該農機系統(tǒng)以PixHawk飛控系統(tǒng)為核心，搭載傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)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(yè)方式等功能。該系統(tǒng)通過衛(wèi)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(tǒng)進行二次開發(fā)。關鍵詞：定位;精準農業(yè);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(tài)環(huán)境不斷惡化，農機裝備的升級與改革迫在眉睫。如何實現(xiàn)智能農業(yè)、精準農業(yè)，提升作業(yè)效率，減少勞動力已成為農業(yè)生產的一大問題[1]。中國北方地區(qū)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(yè)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(tǒng)，根據作業(yè)需要對農機、機手進行統(tǒng)一調度，在控制中心里就可以知道每臺農機的位置、狀態(tài)及作業(yè)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(tǒng)的衛(wèi)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(qū)丘陵、山地的分布發(fā)散、形狀不規(guī)則、地貌不平整的農田進行自主智能作業(yè)的可能性變得極低，無法達到精準農業(yè)作業(yè)的要求[5]。相比傳統(tǒng)的衛(wèi)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(yè)作業(yè)要求，衛(wèi)星高精度定位采用載波相位差分測量技術（RTK）。將衛(wèi)星高精度定位技術加載至農機上，監(jiān)控人員在遠程作業(yè)控制中心實時查看農機工作狀態(tài)及位置，并且能顯著提高農機無人作業(yè)精度，避免作業(yè)重復或遺漏造成不必要的浪費。從2013年美國精準農業(yè)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(yè)機械設計與制造大師陳學庚院士統(tǒng)計，農機通過搭載衛(wèi)星高精度定位導航技術進行自動作業(yè)，可節(jié)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(yè)、智能農業(yè)上擁有很大的發(fā)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(tǒng)，該系統(tǒng)以PixHawk飛控系統(tǒng)為核心，搭載傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)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(yè)方式等，使農機在無人駕駛的情況下通過衛(wèi)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(tǒng)進行二次開發(fā)。

1? 系統(tǒng)設計及定位原理

1.1? 系統(tǒng)設計

該設計實現(xiàn)一輛在衛(wèi)星高精度定位的基礎上能在丘陵、山地這些形狀不規(guī)則、地貌不平整的分散狀農田實現(xiàn)自主智能作業(yè)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(tǒng)構成，可探測前方障礙物，并做出避讓。平臺以NuttX為操作系統(tǒng)，可對平臺上的系統(tǒng)進行二次開發(fā)。AI平臺可通過搭載衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)，使車輛在無人駕駛的情況下保證其絕對安全。

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

1.2? 定位原理

高精度衛(wèi)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(wèi)星進行觀測，計算出基站衛(wèi)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(shù)。

ΔX=X0-XΔY=Y0-YΔZ=Z0-Z? ?（1）

基站將改正數(shù)發(fā)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(wèi)星定位系統(tǒng)、PixHawk飛控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、動力系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。

2.1? 衛(wèi)星定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)由基站及移動站組成，移動站安裝在作業(yè)車輛上，實時定位作業(yè)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(tǒng)采用實時動態(tài)技術（RTK），衛(wèi)星定位系統(tǒng)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(tǒng)

PixHawk飛控系統(tǒng)的總線及外設都對外引出，對實現(xiàn)二次開發(fā)的用戶而言提供了很大的方便。PixHawk飛控系統(tǒng)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(xiàn)手動恢復，安全穩(wěn)定。PixHawk飛控系統(tǒng)可輸出PWM波控制車輛動力系統(tǒng)，實現(xiàn)控制車輛起步、轉彎、停止等功能。

2.3? 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)與PixHawk飛控系統(tǒng)共同組成車輛的AI平臺。傳感器系統(tǒng)充當車輛感官系統(tǒng)，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?？紤]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(qū)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(wěn)定性。避障模塊可通過數(shù)模轉換器或I2C擴展板與PixHawk飛控系統(tǒng)相連。車輛行駛時毫米波雷達會通過天線向外發(fā)射毫米波，當前方有障礙物出現(xiàn)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(tài)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(tài)裝置，能精準地確定運動物體的方位，并將其位置、姿態(tài)傳送給AI平臺，平臺將此時的位置與系統(tǒng)最初設定的路線進行對比，不斷調整車輛運行方向，輔助衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行高精度定位導航。

2.4? 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)由電源模塊、過流保護裝置、電機驅動系統(tǒng)等組成。電源模塊為PixHawk飛控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)實時控制，在電機驅動系統(tǒng)中加載旋轉編碼器，與其構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，可對電機速度實時采樣，驅動根據編碼器反饋的數(shù)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(tǒng)

通信模塊可使用實時傳輸?shù)?DR455MHz數(shù)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(shù)據實時傳輸?shù)诫娔X顯示屏上，使操作人員可以實時看到車輛運行狀態(tài)。

3? 系統(tǒng)軟件設置

為使系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作，軟件的穩(wěn)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(xié)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(shù)據傳輸?shù)难訒r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(shù)據傳輸是否有延時。而測試軟件u-center主要是用來對衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行檢測，它可對衛(wèi)星信號的強度位置、高度、速度、航向以及衛(wèi)星時間等參數(shù)進行可視化，即對使用衛(wèi)星定位的車輛實現(xiàn)實時數(shù)據記錄與播放。將移動站與u-center連接，在基站發(fā)送頻率為10 Hz的情況下觀察Age of DGNSS Corr參數(shù)，若參數(shù)大于0.1 s則表示移動站與基站的數(shù)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(xié)議，如果要設置某一特定消息以某一特定協(xié)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(xié)議后點擊send保存即可。u-center測試器對車輛實現(xiàn)實時數(shù)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(xiàn)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(shù)的設置都需要使用到Mission Planner。先在網上下載固件，再使用數(shù)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(shù)表，全部參數(shù)表相當于將飛控所有源代碼以表格的方式呈現(xiàn)出來，可以很方便地設置飛控所有參數(shù)?；臼褂肕ission Planner軟件搜星操作步驟如圖5所示。

4? 系統(tǒng)設置與調試

硬件連接為衛(wèi)星定位系統(tǒng)通過連接線與PixHawk飛控系統(tǒng)上的uartB串口相連;傳感器系統(tǒng)可通過數(shù)模轉換器或I2C擴展板與PixHawk飛控系統(tǒng)相連;通信系統(tǒng)接收端連接PixHawk飛控系統(tǒng)TELEM2串口。

4.1? 定位系統(tǒng)調試

為達到精度要求，選擇使用的定位系統(tǒng)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(yè)車輛上隨作業(yè)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(tǒng)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(yè)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(shù)設置好后基站所接受的衛(wèi)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(wèi)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(tǒng)及傳感器的設置與調試

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

參數(shù)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(fā)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(tǒng)震蕩，破壞系統(tǒng)穩(wěn)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(fā)生翻車事故。

參數(shù)I主要決定車輛在作業(yè)時對作業(yè)狀態(tài)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(tǒng)不會抑制“過敏”現(xiàn)象。如果I值設置太大，則會使車輛系統(tǒng)過度減少對誤差的反應能力，從而造成反應遲緩，導致作業(yè)路線誤差增大。

合適的參數(shù)D有助于減少超調量，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，可以有效抑制下一時刻可能發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(wěn)定性，在熟悉PID參數(shù)的變化影響系統(tǒng)性能變化的基礎上，選用試湊法對PID參數(shù)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(shù)Kp由小變大，觀察系統(tǒng)的響應曲線。在靜差不能滿足設計要求的時候將積分環(huán)節(jié)加入系統(tǒng)，此時應先減小比例系數(shù)Kp，再將積分系數(shù)Ki逐漸增大，使系統(tǒng)在保持良好的動態(tài)性能的前提下，消除靜差。靜差消除后，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)性能指標不夠，則在PI控制器的基礎上加入微分環(huán)節(jié)，構成PID控制系統(tǒng)。此時，將微分比例系數(shù)Kd從零增大，同時相應地改變比例系數(shù)以及積分系數(shù)，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(huán)形操場測試的線路圖，黃色線段為調度中心監(jiān)測人員設定的作業(yè)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(tǒng)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(fā)生偏移，打開Mission Planner必要硬件中的“指南針”選擇現(xiàn)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(shù)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(xiàn)出來。

5? 小結

本研究設計了一種基于衛(wèi)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(xiàn)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(wèi)星定位的協(xié)同工作下，將數(shù)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(xiàn)自主作業(yè)，工作誤差達到厘米級別。車輛的行駛路線與地面控制站規(guī)劃的路線基本重合。

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