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    一种高精度的无人驾驶农机系统研究    巩朋成　谭颖　詹云峰　程慧芬　李灵　邓张惠　王自强摘要：为实现农用机器的无人驾驶、高精度定位，设计一种高精度的无人驾驶农机系统该农机系统以PixHawk飞控系统为核心，搭载传感器系统、通信系统、卫星定位系统等，可在远程调度中心设置农机工作地点、行进路线以及作业方式等功能该系统通过卫星高精度导航技术使农机在无人驾驶的情况下，可使农机精准、快速达到任务点并进行工作此外，操作平台选用NuttX平台，可对该系统进行二次开发关键词：定位;精准农业;无人驾驶;高精度：P228.4         ：A：0439-8114（2020）04-0141-06Abstract： 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随着中国人口红利不断减少，生态环境不断恶化，农机装备的升级与改革迫在眉睫。

如何实现智能农业、精准农业，提升作业效率，减少劳动力已成为农业生产的一大问题[1]中国北方地区的部分大型合作社、农场利用其农田集中、人口密度小的特点，建立了自己的远程作业控制中心，控制中心的信息化管理人员可以利用北斗定位系统，根据作业需要对农机、机手进行统一调度，在控制中心里就可以知道每台农机的位置、状态及作业量[2]农机手使用了哪些农机、干了多少活都可以在管理平台上随时查看，但这些产品大多都操作复杂，需要有驾驶经验的人员操控车辆[3，4]并且不论是聘请操作人员，还是自费学习农机操作都会使农民成本急剧增大，再加上传统的卫星定位以码元宽度较大的测距码作为测量信号，导致测量精度不高（平面方向误差为   10 m，海拔误差则是平面方向误差的两倍），使得农机在南方地区丘陵、山地的分布发散、形状不规则、地貌不平整的农田进行自主智能作业的可能性变得极低，无法达到精准农业作业的要求[5]相比传统的卫星定位以码元宽度较大的测距码作为测量信号，导致测量精度不高，无法达到精准农业作业要求，卫星高精度定位采用载波相位差分测量技术（RTK）将卫星高精度定位技术加载至农机上，监控人员在远程作业控制中心实时查看农机工作状态及位置，并且能显著提高农机无人作业精度，避免作业重复或遗漏造成不必要的浪费。

从2013年美国精准农业差分改正服务来源得知，使用个人PTK基站的农户占使用高精度GPS差分改正信息农户的22.1%根据农业机械设计与制造大师陈学庚院士统计，农机通过搭载卫星高精度定位导航技术进行自动作业，可节省聘请播种机手薪酬支出的60%，增加机组经济收入20%～30%，每亩增加收入60～90元，土地利用率提高0.5%～1.0%，作物产量可提高2%～3%因此，高精度无人驾驶农机在精准农业、智能农业上拥有很大的发展前景[6-15]本研究设计了一种高精度的无人驾驶农机系统，该系统以PixHawk飞控系统为核心，搭载传感器系统、通信系统、卫星定位系统等模块，可在远程控制中心设置农机工作地点、行进路线、作业方式等，使农机在无人驾驶的情况下通过卫星高精度定位导航技术，可精准、快速达到任务点进行工作该操作平台选用NuttX平台，可对系统进行二次开发1  系统设计及定位原理1.1  系统设计该设计实现一辆在卫星高精度定位的基础上能在丘陵、山地这些形状不规则、地貌不平整的分散状农田实现自主智能作业的农用车以AI平台为核心，可在农机调度中心设置农机工作地点、行进路线等功能，使农机在无人驾驶的情况下精准、快速达到任务点进行工作。

AI平台由PixHawk飞控、避障模块及传感器系统构成，可探测前方障碍物，并做出避让平台以NuttX为操作系统，可对平台上的系统进行二次开发AI平台可通过搭载卫星定位系统以及通信系统，使车辆在无人驾驶的情况下保证其绝对安全PixHawk飞控系统可输出PWM波控制车辆动力系统，实现控制车辆起步、转弯、停止等功能通信系统采用3DR数传电台，车辆接收由控制中心发送出的指令后将指令传给飞控系统，飞控系统分析其指令来控制电机驱动，从而实现人员在控制中心便可控制车辆的工作卫星定位系统为车辆提供高精度定位，为实现车辆精准作业提供保障系统实物如图1所示其组成AI平台如图2所示，系統构成如图3所示1.2  定位原理高精度卫星定位原理为基站固定在某一固定位置用以确定其精度坐标为（X0，Y0，Z0），通过基站上的GPS接收机对4颗卫星进行观测，计算出基站卫星坐标（X，Y）由于存在轨道误差、时钟误差、大气影响及其他误差，计算出的坐标与基站的精密坐标存在差异，按式（1）可求出其坐标改正数ΔX=X0-XΔY=Y0-YΔZ=Z0-Z   （1）基站将改正数发送给移动站，移动站即可对其坐标（X■■，Y■■，Z■■）进行修正，其中（XP，YP，ZP）为改正后的坐标，即：XP=X■■+ΔXYP=Y■■+ΔYZP=Z■■+ΔZ  （2）若考虑移动站位置改正值的瞬间变化，则：XP=X■■+ΔX+■（t-t0）YP=Y■■+ΔY+■（t-t0）ZP=Z■■+ΔZ+■（t-t0）  （3）式中，t0为校正初始时刻;t为校正时刻。

2  硬件电路设计整个电路的硬件部分可分为5个部分：卫星定位系统、PixHawk飞控系统、传感器系统、动力系统以及通信系统2.1  卫星定位系统卫星定位系统由基站及移动站组成，移动站安装在作业车辆上，实时定位作业车辆，基站可固定在某一固定位置，也可跟随移动站运动先将基站精确定位，后期基站的绝对地理精度将影响移动站的地理精度定位系统采用实时动态技术（RTK），卫星定位系统终端能同时支持北斗、GPS、GLONASS三种定位方式的三模定位器，无论在何处都有一个模块的信号强度够强，可瞬间切换任意定位方式，可在户外实时得到厘米级定位精度2.2  PixHawk飞控系统PixHawk飞控系统的总线及外设都对外引出，对实现二次开发的用户而言提供了很大的方便PixHawk飞控系统由两个控制器组成，主控制器采用STM32F427，擅长运算处理附加故障保护备用控制器STM32F103采用独立供电，在主处理器失效时可实现手动恢复，安全稳定PixHawk飞控系统可输出PWM波控制车辆动力系统，实现控制车辆起步、转弯、停止等功能2.3  传感器系统传感器系统与PixHawk飞控系统共同组成车辆的AI平台传感器系统充当车辆感官系统，由避障模块、气压计、温度传感器、六轴传感器等组成。

2.3.1  避障传感器  避障传感器分类较多，如红外传感器、超声波传感器、毫米波雷达及摄像头等，都用于测量车辆与物体的接近程度、距离考虑到红外传感器受物体的颜色、方向、周围光线影响较大，超声波传感器又存在测量盲区的问题，最终考虑选择使用测量距离远、可靠性高、不受光线、尘埃影响的毫米波雷达与分辨率高、对颜色形状感知能力强的摄像头相结合的方式来提高农机的安全性及稳定性避障模块可通过数模转换器或I2C扩展板与PixHawk飞控系统相连车辆行驶时毫米波雷达会通过天线向外发射毫米波，当前方有障碍物出现时，障碍物会反射毫米波信号，毫米波雷达在接收障碍物反射信号的同时，摄像头会根据所探知的物体信息进行图像识别，进而结合农机动态信息进行融合，通过AI平台进行智能处理，避让障碍物2.3.2  气压计  选择MEAS MS5611型气压计，利用气压计所测量的气压值来计算海拔高度，同时配合温度传感器使用可以减少所测高度误差2.3.3  六轴传感器  六轴传感器采用由Invensense公司生产的MPU6000传感器，由一个三轴加速度传感器和一个三轴陀螺仪传感器组成，可用来测感应车辆前后倾斜、左右倾斜、左右摇摆的全方位动态装置，能精准地确定运动物体的方位，并将其位置、姿態传送给AI平台，平台将此时的位置与系统最初设定的路线进行对比，不断调整车辆运行方向，辅助卫星导航系统进行高精度定位导航。

2.4  动力系统动力系统由电源模块、过流保护装置、电机驱动系统等组成电源模块为PixHawk飞控系统、传感器系统、卫星定位系统、通信系统等外围电路供电过流保护装置由继电器构成，防止电源输出电流过大造成电源或外围元器件的损坏电机驱动系统由增量式旋转编码器及直流电机组成，电机安装在履带车后轮，带动车辆行进行进过程中因为电机输出转速存在误差，而为了使车辆保持直线运动就必须对电机实现实时控制，在电机驱动系统中加载旋转编码器，与其构成一个闭环控制系统，可对电机速度实时采样，驱动根据编码器反馈的数据对电机进行一个实时的调整，从而保证车辆能保持直线运行2.5  通信系统通信模块可使用实时传输的3DR455MHz数传电台，通信模块搭载功放后，通信直线距离可达   10 km以上通信模块一端连接无人车上的AI平台，一端连接远程控制中心，可将车上的数据实时传输到电脑显示屏上，使操作人员可以实时看到车辆运行状态3  系统软件设置为使系统安全稳定的工作，软件的稳定运行是不可缺少的，在此设计中主要用到两款软件，一款为基于Mavlink协议的开源虚拟地面控制软件Mission Planner，一款为瑞士科技公司u-blox旗下的u-center测试器。

3.1  u-center测试器设置在车辆运行过程中，为了防止移动站与基站数据传输的延时导致工作失败甚至更严重的后果，就必须检测移动站与基站的数据传输是否有延时而测试软件u-center主要是用来对卫星定位系统进行检测，它可对卫星信号的强度位置、高度、速度、航向以及卫星时间等参数进行可视化，即对使用卫星定位的车辆实现实时数据记录与播放将移动站与u-center连接，在基站发送频率为10 Hz的情况下观察Age of DGNSS Corr参数，若参数大于0.1 s则表示移动站与基站的数据传输有一定的延时基站内部使用了u-blox M8P芯片，它支持多种输入输出协议，如果要设置某一特定消息以某一特定协议输出的话，可在u-center中很方便的更改，进入Messages view—UBX—CFG—。