CN102375150A - 一种航空喷药机gps短时自差分导航方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法及装置，利用通用GPS，通过记录航空喷药机起飞时所在位置的GPS坐标作为差分基准坐标，在航空喷药机作业过程中按此起始点的GPS坐标进行差分运算，得到航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差，对比事先设定的作业路径，通过位置控制对喷药飞机进行高精度导航。本发明为解决喷药飞机高精度导航问题提供了一条有效途径，相应的导航设备具有结构简单、成本低、精度高等优点。

Description

一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法及装置

技术领域

本发明涉及农业机械装备在线检测技术，特别是一种航空喷药机短时自差分的高精度GPS导航方法及装置。

背景技术

我国历年病虫草害防治面积中水稻田约占34％，占总防治量的三分之一。长期以来水稻的病虫草害防治主要依靠人力使用手动喷雾器和背负式机动喷雾机进行，不仅劳动强度大，作业质量差，而且作业效率低，难以适应迅速有效控制暴发性重大病虫草害的要求，也已成为制约实现水稻全程机械化目标的主要技术瓶颈。航空喷雾是解决水稻田特殊的田间作业条件的有效手段，但是常规的固定翼飞机喷洒技术，作业高度高，雾滴漂移距离大，而且使用地点和时间受到很大的限制，不适合水田病虫害防治要求。

直升飞机特别是无人驾驶小型直升机技术的发展成熟，为解决水稻田施药作业提供了新的施药装备载体。无人驾驶小型直升机具有作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等诸多优点，以其作为施药装备载体的超低空低量航空喷施技术已成为农药喷洒技术的研究热点之一。专利号为“ZL200920256505.9”、名称为“基于单片机的智能超低空施药控制系统”的中国实用新型专利，公开了一种通过单片机对喷药飞机的喷药装置进行控制以及对喷药装置液位进行报警的控制系统，但没有涉及如何有效地对无人喷药飞机进行高精度导航的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法，针对无人航空喷药机进行高精度导航，以实现无人喷药直升机的自主导航。

为了实现上述目的，本发明提供了一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，包括如下步骤：

a、在航空喷药机的机载GPS定位导航系统上设置飞行航线记录模块，并在所述飞行航线记录模块上装载预设飞行航线；

b、利用所述机载GPS定位导航系统设置飞行导航模块，该飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。

上述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，还包括步骤c：

c、判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束，如喷药作业结束，则退出所述飞行导航模块；如喷药作业没有结束，则继续执行步骤b。

上述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，所述步骤b包括：

b1、利用所述机载GPS定位导航系统采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；

b2、将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；

b3、若没有偏离所述飞行航道，则返回步骤b1；

b4、若偏离所述飞行航道，则进行反馈调整纠偏，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；

b5、返回步骤b1。

上述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，所述步骤b1又包括：

b11、启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；

b12、所述航空喷药机进入飞行轨道后，所述机载GPS定位导航系统给出所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；

b13、将GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。

上述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其中，所述步骤b4又包括：

b41、计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；

b42、根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；

b43、消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，包括安装在所述航空喷药机上的机载GPS定位导航系统，所述机载GPS定位导航系统上装载有飞行航线记录模块及飞行导航模块，所述飞行航线记录模块装载有预设飞行航线，所述飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块用于根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。

上述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，还包括一判断模块，所述判断模块与所述飞行导航模块连接，用于判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束。

上述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，所述飞行导航模块包括：

数据采集计算单元，用于采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；

航道比较与判断单元，用于将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；

反馈调整纠偏单元，用于当所述航道比较与判断单元判断结果为偏离飞行航道时，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；

返回单元，用于当所述航道比较与判断单元判断结果为没有偏离飞行航道时，返回数据采集计算单元。

上述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，所述数据采集计算单元又包括：

初始坐标采集单元，用于启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；

实时坐标采集单元，用于所述航空喷药机进入飞行轨道后，采集所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；

差分计算单元，将所述GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。

上述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其中，所述反馈调整纠偏单元又包括：

偏移量计算单元，计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；

调整单元，根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；

纠偏单元，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。

本发明的技术效果在于：本发明有效地解决了喷药航空喷药机高精度导航问题，相应的导航设备具有结构简单、成本低、精度高等优点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的导航方法流程图；

图2为本发明的导航装置结构框图。

其中，附图标记

1机载GPS定位导航系统

11飞行航线记录模块

12飞行导航模块

121数据采集计算单元

1211初始坐标采集单元

1212实时坐标采集单元

1213差分计算单元

122航道比较与判断单元

123反馈调整纠偏单元

1231偏移量计算单元

1232调整单元

1233纠偏单元

124返回单元

13判断模块

a～c、b2～b4、b11～b13、d1～d3步骤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本发明的导航方法流程图。本发明的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，包括如下步骤：

a、在航空喷药机的机载GPS定位导航系统上装载预设飞行航线；

b、利用所述机载GPS定位导航系统设置飞行导航模块，该飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照预设飞行航线飞行。

为了更好地实现自动导航，还可包括步骤c：

c、判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束，如喷药作业结束，则退出所述飞行导航模块；如喷药作业没有结束，则继续执行步骤b。

其中，所述步骤b包括：

b1、利用所述机载GPS定位导航系统采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；

b2、将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；

b3、若没有偏离所述飞行航道，则返回步骤b1；

b4、若偏离所述飞行航道，则进行反馈调整纠偏，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；

b5、返回步骤b1。

其中，所述步骤b1又包括：

b11、启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；

b12、所述航空喷药机进入飞行轨道后，所述机载GPS定位导航系统给出所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；

b13、将GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。

其中，所述步骤b4又包括：

b41、计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；

b42、根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；

b43、消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。

为了实现预定区域的喷药作业，需要对事先设定好航空喷药机的飞行航线。包括起点、终点以及飞行过程中各点的坐标。无人航空喷药机在喷药作业过程中，航线由航路点及相临两个航路点之间的线段组成。利用GPS导航的方法实时测得航空喷药机的当前位置，从而求得航空喷药机偏离航线的侧偏航距离及侧偏航距离的变化速率，依侧偏航距离及侧偏航距离的变化率产生指令控制副翼通过倾斜偏航，最终消除侧偏距。为计算侧偏距离S_g，需要进行航空喷药机当前位置的大地坐标与空间直角坐标之间的转换。GPS测量的数据属于WGS-84系的，为准确定位，需要转化为BJ-54系。

大地坐标系由大地纬度B、大地经度L和大地高H所构成的坐标系统。空间直角坐标的坐标原点位于地球椭球质心，X轴，Y轴，Z轴组成笛卡儿坐标系。对于同一空间点，大地坐标系与空间直角坐标系有下列转换关系为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(n+H)\cos B\cos L\\ (n+H)\cos B\sin L\\ (n(1-e^2)+H)\sin B\end{array}\right]$ 式(1)

其中，e为大地坐标系对应第一偏心率，n为该点的卯酉圈曲率半径。它们的计算公式为：

$e=\sqrt{1-{(1-f)}^2}$ 式(2)

$n=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^{2}B}}$ 式(3)

这里长轴半径a＝6378137m，扁率f＝1/298.257223563。

GPS测量的数据属于WGS-84系的，为准确定位，需要转化为BJ-54系。不同空间坐标之间的转换，根据参数不同，模型有很多种，如三参数法、七参数法、九参数法等。对七参数法，除平移参数外，还考虑坐标轴的旋转及尺度比，共七个参数。常用的转换模型有Bursa模型，Molodensky模型等。本试验采用Bursa模型：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{BJ}-54}=(1+m){\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}-84}+\left[\begin{array}{ccc}0& +{\mathrm{\ϵ}}_z& -{\mathrm{\ϵ}}_y\\ -{\mathrm{\ϵ}}_z& 0& +{\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y& -{\mathrm{\ϵ}}_x& 0\end{array}\right]\×{\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}-84}+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_0\\ \mathrm{\Δ}{Y}_0\\ \mathrm{\Δ}{Z}_0\end{array}\right]$ 式(4)

其中，m为尺度比参数，ε_x，ε_y，ε_z为旋转参数，ΔX₀，ΔY₀，ΔZ₀为平移参数。

设GPS接收机测量得到的航空喷药机当前坐标为[L₀ B₀ H₀]_WGS-84，由式(2)、式(3)、式(4)可以得到转换后的BJ-54系的坐标[L₀ B₀ H₀]_BJ-54，即：

${\left[\begin{array}{c}{L}_0\\ B_0\\ H_0\end{array}\right]}_{\mathrm{BJ}-54}=(1+m){\left[\begin{array}{c}{L}_0\\ B_0\\ H_0\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}-84}+\left[\begin{array}{ccc}0& +{\mathrm{\ϵ}}_z& -{\mathrm{\ϵ}}_y\\ -{\mathrm{\ϵ}}_z& 0& +{\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y& -{\mathrm{\ϵ}}_x& 0\end{array}\right]\×{\left[\begin{array}{c}{L}_0\\ B_0\\ H_0\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}-84}+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{L}_0\\ \mathrm{\Δ}{B}_0\\ \mathrm{\Δ}{H}_0\end{array}\right]$ 式(5)

其中，m为尺度比参数，ε_L，ε_B，ε_H为旋转参数，ΔL₀，ΔB₀，ΔH₀为平移参数。

BJ-54坐标系属于大地坐标，须转化到空间直角坐标。大地坐标系由大地纬度B、大地经度L和大地高H所构成的坐标系统。空间直角坐标的坐标原点位于地球椭球质心，X轴，Y轴，Z轴组成笛卡儿坐标系。于是有：

$\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\\ Z_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(n+H_0)\cos B_0\cos L_0\\ (n+H_0)\cos B_0\sin L_0\\ (n(1-e^2)+H_0)\sin B_0\end{array}\right]$ 式(6)

其中，L₀、B₀、H₀为BJ-54系的，e为大地坐标系对应第一偏心率，n为该点的卯酉圈曲率半径。它们的计算公式为

式中长轴半径a＝6378137m、扁率f＝1/298.257223563。

航空喷药机的飞行轨迹是三维的，但飞行高度可以单独控制，这里介绍平面导航控制算法里侧偏航距离的计算。设当前航线是航迹点A1(X₁，Y₁)和A2(X₂，Y₂)之间的线段，则航线A1和A2的直线方程为：

$\frac{Y-Y_1}{Y_2-Y_1}=\frac{X-X_1}{X_2-X_1}$ 式(7)

由式(5)、(6)、(7)可以得到侧偏航距离S_g。具体为根据点到直线的距离公式计算。已知WGS-84系的GPS坐标，由式(5)求得BJ-54系下的坐标，然后由式(6)得到投影坐标，而式(7)为航迹点所在直线公式，最后用点到直线的距离公式计算偏航距离。

根据偏差信号，对航空喷药机姿态进行调整，从而实现自主导航。

参见图2，图2为本发明的航空喷药机GPS短时自差分导航装置结构框图。本发明的航空喷药机GPS短时自差分导航装置包括安装在所述航空喷药机上的机载GPS定位导航系统1，所述机载GPS定位导航系统1上装载有预设飞行航线记录模块11及飞行导航模块12，所述飞行导航模块12随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块12用于根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线记录模块11中记录的预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。

本装置还可包括一判断模块13，所述判断模块13与所述飞行导航模块12连接，用于判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束，并根据判断结果分别选择退出或者返回飞行导航模块12。当所述航空喷药机的喷药作业结束时，则退出所述飞行导航模块12；当所述航空喷药机的喷药作业没有结束时，则通过返回单元124返回并继续执行数据采集计算单元121。

所述飞行导航模块12包括：

数据采集计算单元121，用于采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；

航道比较与判断单元122，用于将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；

反馈调整纠偏单元123，用于当所述航道比较与判断单元122判断结果为偏离飞行航道时，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；

返回单元124，用于当所述航道比较与判断单元122判断结果为没有偏离飞行航道时，返回并继续执行数据采集计算单元121。

所述数据采集计算单元121又包括：

初始坐标采集单元1211，用于启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；

实时坐标采集单元1212，用于所述航空喷药机进入飞行轨道后，采集所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；

差分计算单元1213，将所述GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。

所述反馈调整纠偏单元123又包括：

偏移量计算单元1231，计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；

调整单元1232，根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；

纠偏单元1233，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。

本发明主要具有如下特点：

1、GPS的差分方法：通过单个GPS在起始状态时先记录起始点的坐标，以后用接收得到的坐标与该起始点坐标进行差分，得到相对位置。具体是在成本较低的单点GPS接受装置的基础上，发明了一种短时自差分的高精度GPS算法，即在喷药飞机起飞前，首先采集初始点GPS坐标，在喷药飞机作业过程中，用GPS适时坐标与初始点坐标的偏差，对喷药飞机进行定位。

2、导航方法：先静态通过在起始点的多次平均GPS坐标点的数据，得到较准确的位置信息，再用上述GPS的差分方法获得飞机动态飞行过程中的坐标，用此数据计算与预定航线的偏航距离。具体是通过短时间内GPS单点接收坐标与起始点的坐标差分获得的GPS坐标的误差相对较小，实时坐标与初始点坐标的偏差有较好的相关性和稳定性。利用该稳定性好的坐标计算偏差值，实现低成本条件下的喷药飞机高精度导航。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、在航空喷药机的机载GPS定位导航系统上设置飞行航线记录模块，并在所述飞行航线记录模块上装载预设飞行航线；

b、利用所述机载GPS定位导航系统设置飞行导航模块，该飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。

2.如权利要求1所述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，还包括步骤c：

c、判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束，如喷药作业结束，则退出所述飞行导航模块；如喷药作业没有结束，则继续执行步骤b。

3.如权利要求1或2所述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，所述步骤b包括：

b1、利用所述机载GPS定位导航系统采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；

b2、将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；

b3、若没有偏离所述飞行航道，则返回步骤b1；

b4、若偏离所述飞行航道，则进行反馈调整纠偏，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；

b5、返回步骤b1。

4.如权利要求3所述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，所述步骤b1又包括：

b11、启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；

b12、所述航空喷药机进入飞行轨道后，所述机载GPS定位导航系统给出所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；

b13、将GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。

5.如权利要求3所述的航空喷药机GPS短时自差分导航方法，其特征在于，所述步骤b4又包括：

b41、计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；

b42、根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；

b43、消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。

6.一种航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，包括安装在所述航空喷药机上的机载GPS定位导航系统，所述机载GPS定位导航系统上装载有飞行航线记录模块及飞行导航模块，所述飞行航线记录模块装载有预设飞行航线，所述飞行导航模块随所述航空喷药机一同启动，该飞行导航模块用于根据差分法计算所述航空喷药机的位置偏差，且对比该位置偏差与所述预设飞行航线，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其按照所述预设飞行航线飞行。

7.如权利要求6所述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，还包括一判断模块，所述判断模块与所述飞行导航模块连接，用于判断所述航空喷药机的喷药作业是否结束。

8.如权利要求6或7所述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，所述飞行导航模块包括：

数据采集计算单元，用于采集所述航空喷药机的位置坐标，经差分计算得到所述航空喷药机相对于起始点的位置偏差；

航道比较与判断单元，用于将所述位置偏差与所述预设飞行航线比较，并判断是否偏离飞行航道；

反馈调整纠偏单元，用于当所述航道比较与判断单元判断结果为偏离飞行航道时，使所述航空喷药机进入所述飞行航道；

返回单元，用于当所述航道比较与判断单元判断结果为没有偏离飞行航道时，返回数据采集计算单元。

9.如权利要求8所述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，所述数据采集计算单元又包括：

初始坐标采集单元，用于启动所述航空喷药机，并采集所述航空喷药机的初始点位置坐标；

实时坐标采集单元，用于所述航空喷药机进入飞行轨道后，采集所述航空喷药机所在位置的GPS实时坐标；

差分计算单元，将所述GPS实时坐标与所述初始点位置坐标进行差分运算，得到所述航空喷药机相对起始点在经度方向和纬度方向上的位置偏差。

10.如权利要求8所述的航空喷药机GPS短时自差分导航装置，其特征在于，所述反馈调整纠偏单元又包括：

偏移量计算单元，计算偏离所述飞行航道的方向和距离，得到偏移量信息；

调整单元，根据所述偏移量信息通过反馈控制系统调整所述航空喷药机的飞行姿态；

纠偏单元，消除所述航空喷药机的位置偏差，使其进入所述飞行轨道。

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