农业植保无人机高精度定位系统研究与设计—基于GPS和GPRS

袁玉敏

(贵州工业职业技术学院，贵阳　550008)



农业植保无人机高精度定位系统研究与设计—基于GPS和GPRS

袁玉敏

(贵州工业职业技术学院，贵阳550008)

摘要：农业植保无人机凭借其高效率、低作业成本等特点，目前正逐步地取代人工植保，成为农业植保领域的一种重要装备。定位系统作为农业植保无人机控制系统的核心，是实现无人机自主工作和飞行的关键，也是无人机进行各项植保飞行作业的基础，研发和设计高精度的无人机定位系统是未来农业植保无人机技术进一步突破和应用的关键。为此，针对GPS定位系统在复杂环境下的稳定性差、定位精度有限、无法为农业植保无人机提供高精度稳定的定位服务的问题，提出了一种基于GPS和GPRS的混合农业植保无人机高精度定位系统的设计，通过该系统可以有效地弥补GPS在复杂环境的定位不足，提高农业植保无人机的定位精度，对进一步促进农业植保无人机技术发展具有非常重要的意义。

关键词：农业植保无人机；定位；高精度；GPS；GPRS

0引言

农业现代化的关键就是大量应用先进的科学技术服务于农业生产，近年来随着无人机技术的快速发展，无人机在测绘、农业植保、航拍等民用领域得到了广泛应用，推动了相关行业的变革和二次发展[1]。

植保作为农业种植的一个重要的环节，也是农业生产的关键，传统的人工植保方式由于人力成本攀升、作业效率低、作业时间控制难度大等一系列问题，已经无法满足我国农业大规模化发展的需求[2]。特别是一些大型的农场和承包户，在农村劳动力短缺的情况下，如何快速、高效地进行农业植保已经成为了其在农业生产中面临的一个重要难题[3-5]。农业植保无人机凭借其高效、精准的快速作业方式，成为了解决这一问题的有效方式，近年来凭借其低成本、高效率的特点在农业植保领域得到了快速的应用和发展。尤其是在2014年，中央“一号文件”明确了促进农业航空产业化发展[5-7]，使得我国农业无人机产业得到了飞速的发展。无人机定位作为无人机飞行控制的核心，是实现整个植保作业的基础，在植保作业中通常需要借助于先进的定位技术对无人机的飞行轨迹进行高精度的定位。目前，市场上常用的无人机定位

都是基于GPS定位系统进行设计和开发的[5-8]，在实际应用中，特别是一些山区的植保作业中，由于环境复杂，GPS定位系统通常很难提供稳定、精准的定位服务，导致作业飞行风险和无人机操控难度增大，严重地限制了植保无人机作业，成为了未来植保无人机进一步发展和应用的障碍[10-11]。

针对这一背景，本文针对GPS定位服务系统的不足进行研究和分析，借助于GPRS网络定位服务研发和设计了一种基于GPS和GPRS的混合定位系统，通过该系统为植保无人机在复杂环境下提供高精度的定位服务，确保植保无人机作业高效、精准。

1GPS和GPRS定位技术

GPS(全球定位系统)技术是目前应用最为广泛的室外定位技术，其借助于定位卫星系统为GPS用户提供精确的导航和定位服务，其定位示意图如图1所示。整个系统由GPS导航卫星和地面基站及用户终端设备组成[12]。其中，用户终端设备主要负责GPS信息接收，GPS卫星和基站负责提供位置信息服务。在目前无人机飞行控制中，借助于GPS提供位置服务可以实现对无人机进行自主导航和作业线路规划，被广泛地应用于各种无人机自主飞行控制系统中。

GPRS定位技术又称为LBS(移动基站定位)技术，其主要是利用GPRS网络基站信号实现定位，其定位精度高、对环境的要求低[13]，可以抵抗各种复杂环境给定位信号带来的干扰，实现室内和室外的全方位定位，是未来移动定位系统发展的主流。其可以有效地弥补GPS定位系统对环境要求高、在复杂环境下定位精度不足等特点，与GPS定位服务系统配合使用可以使得整个定位服务更加准确和可靠。典型的GPRS定位原理示意图如图2所示[14]。

图1　GPS定位原理示意图

图2　LBS定位系统原理示意图

2无人机导航定位系统组成

无人机导航定位系统一般包括空中飞行器、地面监控两个部分，如图3所示。

图3　无人机导航定位系统结构示意图

其中，飞行控制器部分主要包括无人机、GPS接收器、惯性测量单元及电源模块等，主要是将GPS接收机、惯性测量单元和电源模块的信息实时传输到机载控制器中，机载控制器根据这些信息通过相关的导航定位算法计算出飞行器的飞行姿态和导航定位控制信息，对无人机进行精准的控制。

地面监控站通常是以平板或者手机作为监控终端，通过无线传感器接收无人飞行器的飞行信息进行显示，同时监控站还包括无人机飞行遥控器，通过遥控器可以操控飞机飞行，对飞机进行控制。在农业植保无人机中，通常是采用集成式遥控器，在遥控器上集成简单的飞行参数显示屏，对飞行参数进行显示，同时采用操控杆对飞机飞行进行操作。

以上是常用的无人机飞行定位导航系统的结构介绍。本文在设计过程中将借助于GPRS定位服务，通过GPRS终端模块实现对移动基站信息的接收和通信，为控制器提供GPRS定位信息。

3植保无人机定位系统硬件系统设计

本文设计的农业植保无人机的定位导航硬件控制系统如图4所示。

图4　农业植保无人机高精度定位系统硬件结构图

整个飞行导航控制系统包括飞行主控、电机PWM控制器、GPS/GPRS接收模块、加速度传感器单元及电源模块5个部分。其中，飞行主控器采用STM32控制器作为控制核心，对GPS/GPRS传感器、加速度传感器等模块的信息进行采集，根据这些模块提供的位置信息执行相应的控制算法输出PWM控制信号实现对电机的控制，进而实现无人飞行器的精准稳定控制。GPS/GPRS模块主要是为飞行器提供接收GPS和GPRS信号支持，本文采用华为提供的mu609 GPS/GPRS模块。该模块是一个GPRS通信控制模块，可以实现对GPS和GPRS信号的接收和基于GSM移动网络进行通信，在设计过程中主要是利用模块的串口对模块进行控制，控制模块读取GPS和GPRS的位置信息。电源模块主要是为系统提供电源支持，在设计过程中充分地考虑到无人机的低功耗特性，采用开关稳压电源为控制系统提供稳定的直流电源服务，设计过程中采用了PM4040F集成开关电源控制器作为开关电源驱动，实现低功耗的控制器和传感器的电源供电。电机PWM控制模块主要是由电桥组成，通过电桥接收控制器的PWM控制信号驱动高速电机对无人机飞行姿态和飞行动作进行控制。

4软件设计

4.1　软件系统总体设计

本文设计的农业之宝无人机的主控采用STM32，为了实现对无人机高精度定位控制，其软件主程序流程如图5所示。

图5　无人飞行器定位系统主程序设计流程

系统执行定位控制软件时，首先对GPS/GPRS模块进行初始化，初始化GPS/GPRS定位服务，然后对植保无人飞行器的姿态控制参数进行初始化，保持无人飞行器的当前飞行姿态和飞行动作；接着设置中断定时器，其响应时间间隔设置为50ms，进入中断等待，执行系统其他服务程序；每次定时器中断响应的时候，系统进行定位控制相关算法，主要包括读取GPS/GPRS位置系想你数据、执行GPS/GPRS位置信息数据融合算法和执行定位控制算法输出控制PWM参数3个子过程；这3个子过程在进入中断的时候顺序执行，完成整个无人机的飞行定位控制。其中，飞行控制子过程主要是采用无人机上提供的飞行控制程序，本文只是为其提供位置服务，后续将对读取GPS/GPRS位置信息和执行GPS/GPRS位置信息数据融合值两个模块的具体实现进行详细设计和说明。

4.2　读取GPS/GPRS位置信息程序设计

读取GPS/GPRS位置信息程序流程如图6所示。整个程序在STM32定时器中断中完成，首先STM32主控发送GPS数据读取指令到GPS/GPRS模块，模块返回GPS数据；接收到GPS数据之后，紧接着发送LBS信息数据读取指令，读取移动网络中的LBS位置信息，最后处理成x、y、z三维坐标的位置信息，并将该位置信息通过内存变量的方式传递到位置信息数据融合算法模块中进行后续的位置信息优化，进一步提高位置信息的精度和可靠性。

图6　GPS/GPRS位置信息读取程序流程

4.3　GPS/GPRS位置信息数据融合处理程序设计

为了进一步提高本文设计的高精度植保无人机定位系统的定位精度，在计算无人机位置信息的时候利用GPS/GPRS模块提供的GPS位置信息和LBS位置信息进行融合处理，对其位置信息进一步优化，相对于只利用GPS位置信息进行定位其具有更好的精度和稳定性。其融合处理流程如图7所示。算法执行过程中，首先初始化两个位置信息的权值，初始过程中的定位算法将以GPS信号优先，设定其权值为0.8，GPRS信号作为辅助位置信号，设置其权值为0.2；然后计算轨迹偏差，轨迹偏差计算中主要是根据实际位置信息和上次的预测位置信息进行减法计算德奥其差值，完成轨迹偏差计算后从GPS/GPRS模块中获取两种信号的信号强度。其中，GPS以卫星数目作为信号强度值划分为5个等级，等级划分过程中按照1～15进行均分。GPRS以LB数据作为信号强度值，为了进一步融合处理，对GPRS进行等价量化处理，将其放大10倍，同时划分为5个等级等级划分过程中按照1～15进行均分。完成GPS和GPRS信号强度计算处理之后，根据信号强度和轨迹偏差重新就算两种信号的权值，最后根据权值计算得到融合后的优化的位置信息输出到定位控制算法模块，定位控制算法模块根据位置信息输出控制PWM进行飞行姿态和飞行动作控制。

图7　GPS/GPRS位置信息数据融合处理程序设计流程

5实验仿真测试

为了进一步验证本文设计的植保无人机高精度定位系统的正确性和可靠性，本文完成了该模块的设计和开发，并且在云南斯威弗莱科技有限公司研发的SW8-1300ZB八旋翼植保无人机平台上进行测试。无人机平台如图8所示。

图8　无人机平台

测试过程中，将本文开发和设计的基于GPS和GPRS的农业植保无人机高精度定位系统安装到该型植保无人机平台上，为其提供位置信息服务。连接过程中，将输出的PWM信号连接到该无人机的飞行控制器的位置信号输入接口中(由于不是做整体平台开发，所以没有直接去控制电调进行无人机控制，本文在实验过程中只是将其位置信息输入到飞行主控)；然后SW8-1300ZB飞行主控通过接收本文设计的定位模块的位置信息进行飞行姿态和飞行动作控制，实现自主导航和飞行控制。通过实际农田自主飞行测试，每20m设置位置定标测试飞行误差，统计1 000m内50次测试的误差，并与SW8-1300ZB使用自带的定位系统的结果进行对比分析，如表1所示。

表1　误差统计分析表

通过测试分析可以看出：本文设计的定位系统可以为植保无人机提供更好的位置信息服务，有效地提高了植保无人机的飞行控制精度，其误差可以有效地控制在15cm以内，可以很好地满足植保无人机自主导航服务及高精度控制需求。

6结论

针对采用单一的GPS定位系统提供的位置服务的精度低、容易被干扰等问题，提出了一种基于GPS和GPRS混合定位的无人机高精度定位系统的研发和设计，给出了具体的硬件设计和软件实现方案，最后开发了测试系统。通过在SW8-1300ZB无人机平台上进行测试，表明本文设计的基于GPS和GPRS的植保无人机定位系统可以有效地提高无人机的定位精度，对实现无人机的精准控制和自主导航服务具有非常重要的意义。

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Research and Design of High-precision Positioning System for Agricultural Plant Protection UAV—Based on GPS and GPRS

Yuan Yumin

(Guizhou Industry Polytechnic College,Guiyang 550008, China)

Abstract：Agricultural plant protection UAV, with its high efficiency and low operating costs, etc., are being gradually replaced artificial plant protection, has become an important field of application of agricultural plant protection, the positioning system as the core of the agricultural crop protection UAV control system, is a key UAV autonomous work and flying, but also the basis for the plant protection UAV flight operations, research and development and design precision positioning system is the key to the future of UAV agricultural crop protection UAV technology further breakthroughs and applications , aiming GPS positioning system stability in a complex environment of poor positioning accuracy is limited, can not provide a stable high-precision positioning services for agricultural crop protection UAV, a hybrid plant protection UAV precision agriculture based on GPS and GPRS design positioning system, through the system can effectively fill the gap condensate GPS positioning in a complex environment, improve positioning accuracy of agriculture plant protection UAV, to further promote the development of agricultural crop protection UAV technology has a very important significance.

Key words：agricultural crop protection UAV; positioning; high accuracy; GPS; GPRS

作者简介：袁玉敏(1979-)，男，贵州毕节人，副教授，工程硕士，(E-mail)yLq72@126.com。

基金项目：2012现代农业与农村科技项目(【2012102】3-28)

收稿日期：2015-11-06

中图分类号：S252+.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0227-05