智能农机GNSS/INS组合导航系统设计

2021-08-04 05:47薛梦琦袁洪良
农业工程学报 2021年9期
关键词:差分高精度导航系统

钟 银,薛梦琦,袁洪良

(同济大学电子与信息工程学院,上海 201804)

0 引言

农业是国民经济的基础[1],也是经济发展、社会安定、国家自立的基础。在全面建成小康社会的决胜阶段,国家明确提出要加大农业科技投入,发展现代化农业,建设以农业物联网和农业智能化装备为重点的农业全程信息化和机械化技术体系[2]。目前农业拖拉机的田间作业完全依靠驾驶员的经验,在一些作业面积大的地区,工作时间长,农机操作人员任务繁重,农机作业质量难以保证,所以研究农机自动导航系统具有重要意义[3]。农机自动导航有助于降低成本并提高盈利能力[4],是支撑现代化农业发展的关键技术之一[5-6],是农业机械智能化的一个重要组成部分,对于增强农业生产力有重大作用。

国内外对无人农机定位导航使用的系统包括全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)、惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)、激光雷达以及机器视觉导航系统等[7-10],目前GNSS和Real-time kinematic(RTK)载波相位差分技术结合的组合导航在农机上应用广泛[7],但是存在GNSS容易受环境干扰信号丢失的问题,INS利用相对定位的特点,不受环境干扰,得到广泛应用,但是其系统误差随时间不断累积[11]。国外发达国家由于地广人稀,劳动力成本高以及科技进步等特点,对无人农机自动驾驶技术的研究开展较早[12],尤其以美国对农机自动导航技术研究更为深入,应用更为广泛。Noguchi等[13]开发了基于机器视觉、差分GPS等定位导航单元,利用扩展卡尔曼滤波和多维密度函数算法将传感器信息进行了融合,设计了农机的自动导航定位系统,在比较平坦的路面,最大偏差小于10 cm。日本也是研究农机自动导航技术比较深入的国家之一。Keiich等[14]以旱田四驱拖拉机为平台,对农机油门、离合器等进行控制,采用差分GPS和光纤陀螺组合的方式实现导航,并基于农机运动学建模,通过卡尔曼滤波估计农机的侧滑,在车速1.5 m/s的情况下,跟踪误差在0.1 m以内。Nagasaka等[15]使用Trimble公司2 cm精度的GPS与日本航空电子生产的IMUJCS-7401A,对改造后的水稻收割机进行自动导航控制,实现了插秧精度平均横向偏差小于3 cm,最大横向偏差不大于4 cm。欧盟在自动导航农机方面研究也相对更早,Zuydam[16]将农田电子地图和RTK-GPS相结合的方法,完成了农机自动导航,试验结果表明该系统在农田间的横向跟踪误差最大达到12 cm,在水泥地上的横向跟踪误差最大为2 cm。中国无人农机自动导航技术发展相对比较晚,但是国内各大高校和企业也逐渐在农机自动驾驶导航技术上投入大量的精力。李云伍等[17]以铁牛654拖拉机和雷沃TG1254拖拉机为试验平台,通过GPS、陀螺仪、电子罗盘等传感器并利用卡尔曼滤波将信息融合,得到精准的导航数据。景云鹏等[18]通过X-804搭建开发平台设计了基于实时动态定位技术结合差分GPS的自动导航系统,但是存在GPS信号遮挡,出现信号不连续的问题。

随着北斗导航系统不断完善,在船舶运输、公路交通、铁路运输、环境监测、精准农业等领域广泛应用[19]。在北斗系统背景下,本文设计了基于GNSS/INS的智能农机组合导航系统,以解决GNSS导航信号容易受到干扰、INS导航误差累积的问题,并结合两者的优势,提高导航系统长时间运行的可靠性和精度。

1 系统设计

1.1 导航控制原理

本文的研究内容是设计基于GNSS/INS的智能农机组合导航系统,在农机行驶过程中,计算出农机精确的位置、速度和姿态信息。图1为导航控制原理图,采用内外双闭环反馈控制结构,外环是农机位置偏差控制,内环是农机航向角控制(也即是偏差速率)的控制。农机通过GNSS高精度定位接收机、INS航位推算给出车辆的实时位置信息,与期望轨迹相比较得到偏差值,由控制算法得到期望的转角,结合转角传感器调整农机姿态完成自动转向,从而达到追踪期望轨迹目的。

1.2 GNSS/INS组合导航系统架构

GNSS/INS组合导航系统采用双天线卫星系统和惯性导航系统的组合定位方式,结合电台接收来自于差分基准站的差分改正数据,计算出精准的定位信息,该组合导航系统架构如图2所示。

其中车载流动端由高精度定位接收机、GNSS双天线、无线数传电台和接收天线、惯性导航系统、组合导航计算处理器等组成;差分基准站用于为车载流动端提供高精度差分改正数据。差分基准站由卫星测量天线、高精度定位接收机、差分基准站处理器、无线数传电台和发射天线组成。为了实现该系统的功能,研制了差分基准站和车载终端。

1.3 基于Kalman滤波的GNSS/INS组合导航算法

GNSS/INS组合导航可以实现GNSS绝对定位和INS相对定位的优势互补。INS具有短期精度高、输出频率高、受外界干扰小、实时性强的优点,但器件误差将会随着时间累积[20-21];GNSS长期精度高,但是容易受到外界干扰、数据输出频率低[22-25];GNSS/INS组合能够长时间提供精度高、实时性高的位置和姿态信息[24-26]。根据本文选择的独立测量器件,松耦合模式组合导航不仅能够提供精确的位置、速度和姿态角信息,而且具有较好的鲁棒性[26-30]。

1.3.1 INS解算

本文INS的解算在东-北-天导航坐标系下进行,用n系表示,农机坐标系用b系表示,地心地固坐标系用e系表示,地心惯性坐标系用i系表示,具体解算流程如图3所示,导航微分方程如公式(1)。

比力方程和姿态矩阵计算方程为

通过以上的INS解算,得到农机在东-北-天坐标系下的位置、速度和姿态信息。

1.3.2 GNSS/INS组合导航

由于INS解算存在累积误差,所以本文采用GNSS信息进行组合导航以提高系统长期运行的精度。主要使用Kalman滤波算法估计INS的误差状态,反馈校正INS,算法流程如图4所示。

1)离散型卡尔曼滤波系统的一般模型如下:

式中Xk、Xk-1表示系统k时刻和k-1时刻的状态;A表示系统状态转移矩阵;wk-1表示k-1时刻状态转移过程中的高斯噪声;Yk表示系统k时刻的测量值;H表示测量系统的系统参数;vk表示k时刻测量系统的高斯白噪声。

本系统的15维状态向量X如公式(5)所示:

式中ΔL表示纬度误差,(°);Δλ表示经度误差,(°);Δh示高度位置误差,m;δvE、δvN、δvU表示农机3轴速度误差,m/s;φE、φN、φU表示农机3轴姿态角误差,rad;εx、εy、εz表示农机3轴陀螺仪常值误差,rad/s;表示农机3轴加速度计常值误差,m/s2。

2)Kalman滤波方程:

1.4 系统软件设计

差分基准站初始化UB4B0M、华信电台、处理器等模块,来自于高精度定位板卡UB4B0M的差分数据通过华信电台(发送端)和车载终端的华信电台(接收端)透传至车载终端的高精度板卡UB482,UB482根据实时差分数据解算出厘米级的定位数据。

车载终端上电初始化UB482、华信电台、组合导航处理器STM32F7VIT6、惯性测量单元ADIS16460等模块:1)处理器初始化系统时钟计时器,配置中断,初始化串口、SPI等外设;2)配置华信电台、配置UB482和ADIS16460;3)配置组合导航系统参数,包括IMU的初始零偏和安装角误差、GNSS天线和IMU之间的杆臂、系统Q矩阵等;4)系统进入轮询,农机在大于0.5 m/s的速度下行驶进行动态对准;5)等待IMU数据更新、等待GNSS数据更新;6)数据更新完成,进行组合导航解算得出农机实时的姿态角、速度、位置信息;7)轮询等待下一次数据更新。图5为基准站和车载终端程序流程图。

2 田间试验

2.1 东风DF1004-2试验平台

为检验本系统在实际农机、农田中的工作状态,包括系统的稳定性和精准性,本文以东风DF1004-2为载体,搭建测试试验平台,差分基准站放置在没有遮挡物的空旷区域;GNSS双天线横置在车顶上,基线长度为1.6 m,数传电台天线固定安装在农机后端;包括INS和高精度定位板卡在内的车载终端以及平板计算机安装在农机驾驶舱,图6为试验平台示组成和试验现场图。

INS使用惯性导航单元ADIS16460和STM32F767的组合。ADIS16460是一款紧凑型精密6轴MEMS惯性传感器,内置1个三轴MEMS陀螺仪和1个三轴MEMS加速度计。该传感器体积小,启动时间快,方便集成到硬件电路,工作温度范围−25~+85℃,能够适应比较恶劣的环境。ADIS16460的测量范围最小为±100°/s,运动中偏置稳定度为8°/h,x轴角向随机游动为0.12°/(30 min),三轴数字加速度计动态范围为±5 g,抗冲击能力为2 000 g。同时该传感器支持串行外设接口(SPI)数据通信,SPI和寄存器结构针对数据收集和配置控制提供了简单的接口,便于电路设计。STM32F767具有足够多的通用I/O口,支持串口、SPI、CAN等通信外设,处理器的工作频率可达到216 MHz,可以满足自动导航中对计算的需求。

高精度定位板卡选择的是和芯星通科技有限公司的产品,差分基准站和车载终端中使用的分别是UB4B0M和UB482。UB4B0M采用低功耗设计,提供毫米级载波相位观测值和厘米级RTK定位精度,支持芯片级多路径抑制,领先的瞬时RTK技术,自适应抗干扰,支持BDS、GPS、Galileo、GLONASS的多频信号,同时支持3个串口,方便和其他模块进行通信;UB482是全系统多频高精度定向板卡,支持BDS、GPS、Galileo、GLONASS的多频信号,支持双天线信号输入,单板卡定位定向,20 Hz以上的数据输出,1 s以内的RTK重捕获时间;支持热启动、支持网络功能、支持多个串口、SPI、PPS等多种接口。

无线数传电台型号是HX-DU5002D。这是一款内置式高功率数传电台,具有体积小、功耗低等特点;该电台具备高低功率切换、空中波特率切换、串口波特率切换、配置参数更改等功能,便于处理器控制;该电台支持工作频率为410~470 MHz,工作温度-30~60℃,传输距离可达5 km,满足农机工作的环境需求;数传电台模块配备有1.27 mm间距的数据接口,方便于集成到差分基准站。

GNSS天线型号GPS500,该天线是一款涵盖BDS和GLONASS以及GNSS的三系统外置测量天线;天线部分采用多馈点设计方案,实现相位中心与几何中心的重合,将天线对测量误差的影响降低到最小;天线单元增益高,确保低仰角信号的接收效果,在一些遮挡较严重的场合仍能正常收星;该天线防水、具有防紫外线外罩,能够为天线长期在野外工作提供保障。

本文分别在农机静止、固定直线行驶状态下,比较基于GNSS导航定位和GNSS/INS导航定位2种导航系统之下农机的位置、姿态角度误差,验证系统性能是否能够达到智能农机作业的要求。

2.2 静止状态试验

本试验在农机静止状态下测试定位导航系统的性能,并对单独GNSS定位和GNSS/INS组合定位的效果进行比较。试验于2020年10月在江苏省张家港市大新镇长丰村的试验田进行。试验中,让农机静止,系统同时输出单独GNSS导航数据和GNSS/INS导航数据,数据输出频率为1 Hz。把位置和航向角数据与对应均值的偏差作为定位误差用于衡量定位定向精度。单独GNSS定位系统和GNSS/INS定位系统农机航向角和位置数据如图7所示。以RTK基准站为坐标原点,地理位置东向为x轴,地理位置北向为y轴。单独GNSS定位中,位置误差在1 cm以内,x、y方向上均值分别是6 867.8、2 657.9 cm,方差分别是是0.032、0.043;航向角误差在0.1°以内:平均值是1.59°,方差是0.001 7。GNSS/INS组合定位中,位置误差在1 cm以内,x、y方向上均值分别是6 867.7、2 658.4 cm,方差分别是0.026、0.024;航向角误差在0.1°以内:平均值1.62°,方差是0.002 1。

由此可见,在静止条件下,GNSS/INS组合定位和单独GNSS定位数据的均值接近,但是组合导航的方差较小,意味着组合导航的定位数据较为集中,系统更加稳定。在定向方面,两者没有明显差别,双天线配置的GNSS系统自身能够在静止条件下提供较高的定向精度。

2.3 直线行驶状态试验

试验在农机直线行驶状态下测试定位导航系统的性能,并对单独GNSS定位和GNSS/INS组合定位的效果进行比较。试验中,固定农机的方向盘,使农机沿着预设直线以2 m/s的速度行驶,以1 Hz的频率同时输出单独GNSS定位数据和GNSS/INS组合定位数据。单独GNSS定位系统和GNSS/INS定位系统农机航向角和路径数据如图8所示。以RTK基准站为坐标原点,地理位置东向为x轴,地理位置北向为y轴。单独GNSS定位中,位置误差在6 cm以内,x、y方向上的误差均值分别是-5.5、1.2 cm,方差值分别是0.063、0.004;航向角误差在1°以内:平均值是-13.90°,方差是0.162。GNSS/INS组合定位中,位置误差在3 cm以内,x、y方向上的误差均值分别是2.5、1.0 cm,方差值分别是0.059、0.003 8;航向角误差在0.5°以内:平均值是-12.85°,方差是0.104。

可见,在运动状态下,相较于单独GNSS导航定位, GNSS/INS组合导航得到的结果更加精准。

3 结 论

1)本文针对智能农机自动导航的问题,以东风DF1004-2为试验平台设计了基于GNSS/INS的智能农机导航控制系统。

2)为实现智能农机导航控制系统的功能,分别研制了基于UB4B0M高精度定位板卡的差分基准站、基于UB482高精度定位板卡与ADIS16460惯性测量单元组合的车载终端。

3)针对INS的确定性偏差以及随机误差,设计了基于Kalman滤波的GNSS/INS组合导航算法,融合GNSS数据以提高系统长期运行的精度。

4)试验结果表明,农机在农田直线行驶时,GNSS/INS组合定位导航得到的航向角偏差在0.5°以内,位置误差在3 cm以内,优于单独GNSS系统产生的定位定向结果。本论文的系统设计可以满足智能农机生产作业的需求。

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