农用无人机高精度定位系统研究

陶婧

摘要：传统的农用无人机高精度定位系统定位精度未达到预期效果，为了解决这一问题，设计一种新的农用无人机高精度定位系统。系统硬件部分包含飞控板的主要电子元器件、GPS 芯片、主控芯片、陀螺仪和飞控板印刷线路板选型。系统软件部分利用3维点深度算法完成农用无人机高精度定位系统流程设计。软、硬件结合完成农用无人机高精度定位系统的设计。实验结果表明，所提系统在静态测试5 h后的CEP为2.538 9 m，传统系统在静态测试5 h后的CEP为6.305 2 m。实验结果说明所提系统单点定位精度更高，实际应用效果更好。

关键词：农用无人机;高精度定位;硬件结构;软件功能;GPS 芯片;陀螺仪

中图分类号：TP391文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2020）04-0030-04

Research on High-precision Positioning System of Agricultural UAV

TAO Jing

（Institute of Public Administration， Wuhu Institute of Technology， Wuhu 241000， China）

Abstract： The positioning accuracy of the high-precision positioning system of traditional agricultural UAV has not reached the expected effect. In order to solve this problem， a new high-precision positioning system for agricultural Uav was designed. The hardware part of the system includes the main electronic components of the flight control board， GPS chip， main control chip， gyroscope and the flight control board printed circuit board. In the part of the system software， three-dimensional point depth algorithm was used to complete the process design of high-precision positioning system of agricultural UAV. The combination of hardware and software completed the design of high-precision positioning system of agricultural UAV. The experimental results show that the CEP of the proposed system after 5 hours of static testing was 2.538 9 m， while the GPE of the traditional system after 5 hours of static testing is 6.305 2 m. The experimental results show that the proposed system has higher single point positioning accuracy and better practical application effect.

Keywords：

Agricultural UAV; high precision positioning; hardware structure; software function; GPS chip; gyroscope

无人机是根据事先编写好的程序自主完成飞行的不载人飞机，在军事领域可用于目标侦查和巡检，在民用领域可用于娱乐拍摄或农业等方面[1]。目前，农用无人机已在农业领域得到广泛应用，如用装载摄像头和感应器的无人機来监测农作物生长状态、病虫害情况或者定点精确喷洒杀虫剂和农药等等，而这一过程的实现需要利用无人机进行高精度定位。在田间作业时，单点定位精度的无人机无法按照预定的路线喷洒农药，在多点无人机定位配合时还容易发生碰撞，造成严重后果。因此，相关的农用无人机定位系统的研究受到广泛关注。

文献[2]中设计了一种基于GPS（Global Positioning System，全球定位系统）和GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）的混合农业无人机高精度定位系统，利用GPRS弥补GPS在复杂地理环境中定位准确性较差的问题，建立包括无人机和地面监控站在内的导航定位架构，利用主控模块、传感器单元和电源组件系统硬件环境，并结合STM32设计系统软件运行流程，实现对混合农业无人机定位系统的设计。该系统可以有效消除GPS测量误差，但是无法根据不同的差分测量值实现高精度定位。为此，本文研究了一种新的农用无人机高精度定位系统，并通过仿真实验验证该系统的可行性。

1 硬件功能设计

为设计稳定、高效的系统硬件电路，必须选择合适的电子元器件。选型过程如下：

首先选择无人机飞控板的主要电子元器件，实现对无人机飞行状态的控制，使得无人机能够采集到有效的环境信息，为软件部分真实环境尺度信息估计过程提供支持。主控芯片要求：1）可以接收遥控器传来的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制技术）波信号;2）能够准确计算PWM波信号占空比;3）读取GPS和气压计、陀螺仪等传感器的数据;4）计算出无人机在各个方向上的姿态角。运用PID运算，得到无人机控制信号;5）将控制信号以PWM波信号的形式，传送给无人机的电调电机，当无人机接收到控制信号，即可执行各种飞行动作。

根据上述需求，选择高通Snapdragon芯片，该芯片主频最大支持为36 MHz，性能参数为：支持高达2.5 Gb/s的4G LTE速度，支持宽电压范围1.8～3.3 V，有8个ARM Cortex-A7内核，工作频率可达700 MHz左右，支持HDCP V1.2协议，通信接口包含3个USART接口和2个I2C接口，以及2个速度高达18 Mb/s的SPI接口[3]。

GPS芯片需能够解算天线的GPS信号，以满足软件部分初始位姿估计和重定位过程的要求。因此，选择SiRF公司提供的高精度GNSS基带芯片SNB1008，性能参数为：Atlas-V支持各种外围设备，芯片体积小，支持OPENGL等3D硬加压电路，具有600 MHz的高频率。SNB1008芯片功耗低，运算能力能够达到实验要求，且能提供差分运算所需要的原始数据。表1为SNB1008芯片技术指标。

接下来选择陀螺仪。无人机可以利用陀螺仪的3个旋转轴上的角速度，对角速度上的时间做积分，这样就可以准确计算出无人机的姿态角[4]。陀螺仪需具备高度灵敏度，故选用惯性传感器MPU9250，其性能参数如下：支持速率高达400 kHz，可在2.4～3.6 V工作。MPU9250中包含加速度计，可测量物体的加速度。当物体加速度为0时，可以根据加速度计在3个坐标轴上的受力大小推算出物体的倾斜姿态角。

最后，选择飞控板的印刷线路板（PCB）。本设计采取两面板，一面放置传感器，另一面放置SNB1008芯片，这样可以充分利用板上的空间[5]，其结构如图1所示。

2 软件功能设计

为保证农用无人机高精度定位系统能够准确估计出地图相对真实环境的尺度信息，引入3维点深度算法，设计农用无人机高精度定位流程如下：

第1步：初始化过程。以帧图像为基准构建金字塔，提取特征点。若第1帧图像提取的特征点大于设定阈值，就可以对其右侧右帧图像做光流跟踪，解算出左帧图像与右帧图像的单点矩阵。完成上述计算步骤后，要求解出当前跟踪的特征点内点数。若求算结果小于阈值，就要标记左帧图像的关键帧，再将其添加到地图当中。需要注意的是，同时刻的左右2帧图像都需要经过残差计算，否则得到的图像是未经过初始化的[6]。

第2步：初始位姿估计。应用相机标定初始位置，先确定左右相机的相对位姿，再将当前时刻的左帧图像假设为单位矩阵[7]。通过多帧特征检测，即可得知当前左帧特征点位置的深度。然后估计当前时刻的右帧图像中特征块的初始位置，同左帧图像工作原理一样。多视图几何原理示意图如图2所示。

第3步：重定位。得知当前左帧图像的某个特征块的位置和深度，就可以将该特征投影到坐标系当中，该三维空间坐标系是定义左摄像机坐标系的。完成左帧图像投影后，需要位姿转换，得到右摄像机坐标系的三维坐标[8]。

第4步：解算结果输出。运用RTK定位程序解算左帧图像和右帧图像的三维坐标，即可得到串口读取的数据[9]。先运用迭代最小二乘法单点定位用户的接收机，再由接收基准站通过网络发送定位数据，并保存到数据库，作为相对定位。相对定位是基于用户接收机完成的，观测相同位的时钟和位置等数据[10]。解算成功后，运用EKF算法验证浮点解，经过验证后，通过LAMBDA算法搜索整周模糊度，经过验证的为固定解。由此，得到定位位置结果。

3 实验分析

完成农用无人机高精度定位系统设计后，进入实验部分，分别测试传统的农用无人机高精度定位系统与所提系统的定位精度在静态5小时下的定位精度，是否能够达到预期效果。实验过程如下。

3.1 实验环境

为验证所提的农用无人机高精度定位系统的可行性，设计如下仿真实验。

实验主要器材有：

双频板卡拥有良好的屏蔽功能和抗干扰能力，80针的引脚提供了丰富的通讯接口，具有BD920功耗极低和标配20 Hz的数据更新率，比其他的双频板卡性价比更高。双频板卡负责输出高精度基站坐标数据;U-BLOX定位模块选择深圳市德速科技有限公司开发的DS-26-U8L GPS/GLONASS/Beidou模块，是一款超高功耗和超高灵敏度、超小外型GNSS接收模组，内置SAW+LNA，可支持多系统定位;U-BLOX定位模块负责采集单点定位数据的。实验中，需将U-BLOX定位模块与串口转USB模块连接，将定位数据保存在电脑上。

农用无人机选用植保无人机六旋翼10L，源自潍坊安飞智能科技有限公司。无人机实物图如图3所示。

连接飞控板卡并接通电源后，接上右旋极化陶瓷介质天线，通过putty远程登录启动RTK程序。实验结束后，利用Matlab算法分析定位数据。

为保证实验结果的有效性，将文献[2]中的基于GPS和GPRS的混合农业无人机高精度定位系统所谓对比系统（以下简称传统系统），通过对比定位精度来判断不同系统的有效性。

3.2 实验结果分析

将无人机放置楼顶，在同一处采集静态数据5 h，衡量系统定位指标选择CEP 。CEP是误差概率单位。记录不同系统在静态测试5 h后的定位效果，结果如图4、图5所示。

从实验结果可以看出，使用本系统静态测试5 h单点定位精度CEP为2.538 9 m;使用传统系统静态测试5 h单点定位精度CEP为6.305 2 m，且大多数点都是重合的，未达到预期效果。

由此可知，本系統相比传统系统定位精度更高，应用效果更好。

4 结束语

针对传统系统存在的定位精度不足的问题，设计一种新的农用无人机高精度定位系统。系统硬件主要由飞控板的印刷线路板和陀螺仪以及飞控板的其他主要电子元器件构成。系统软件采用三维点深度算法完成农用无人机高精度定位系统流程设计。将软、硬件部分结合，完成对农用无人机高精度定位系统的设计。在实验部分分别测试传统系统与本系统的定位精度，实验结果表明，本系统定位精度更高。

参考文献：

[1]唐海亮，张提升，包林封.面向旋翼无人机的高精度组合导航模块设计与评估[J].传感技术学报，2019，23（6）：156-166.

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[3]陈丁，马跃龙，曹雪峰.融合IMU与单目视觉的无人机自主定位方法[J].系统仿真学报，2017，29（1）：13-18.

[4]索文凯，胡文刚，张炎.无人机自主降落过程视觉定位方法研究[J].激光技术，2019，43（5）：65-66.

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[6]叶伟林，宿星，魏万鸿，等.无人机航测系统在滑坡应急中的应用[J].测绘通报，2017：23（9）：70-74.

[7]赵太飞，郭嘉文，李晗辰.无人机航迹中电力线电晕紫外探测与定位[J].光学精密工程，2019，27（2）：14-15.

[8]陈丹琪，金国栋，谭力宁.基于非线性最小二乘法的无人机机载光电平台目标定位[J].光电工程，2019，46（9）：155-156.

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[10]李继宇，兰玉彬，施叶茵.基于状态预测的田间机-地传感器系统协同采集方式研究[J].农业机械学报，2018，22（6）：246-253.