CN102508201A

CN102508201A - 一种基于无线定位装置的农机田间定位方法

Info

Publication number: CN102508201A
Application number: CN2011103304560A
Authority: CN
Inventors: 仪垂杰; 林海波
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: CN102508201B

Abstract

本发明公开了一种基于无线定位装置的农机田间定位方法，包括以下步骤:（1）、设置定位点及参考点；（2）、定位点发射激活指令激活周围的参考点；（3）、被激活的参考点发射携带有各自位置信息的位置信号，所述定位点接收各位置信号，并根据信号强度计算定位点到该参考点的距离；（4）、判断所接收到的参考点个数，若接收到的参考点个数小于3，则返回步骤（2）；否则，控制除距离定位点最近的3个参考点之外的所有参考点休眠；（5）、根据距离定位点最近的3个参考点的位置信息计算定位点位置坐标。本发明的农业器械田间定位方法，定位精度高，定位精度与机械行驶距离不相关，功耗低，节约成本。

Description

一种基于无线定位装置的农机田间定位方法

技术领域

本发明属于定位无线导航技术领域，具体地说，是涉及一种农业机械田间无线定位方法。

背景技术

在现代化农业生产中，对农业机械在生产作业过程中进行定位具有重要作用，农业机械的精确定位及导航，可以有效保障其可靠运行，有助于提高农作物产量。目前农业机械的定位主要有两种方法，一种是利用GPS进行定位，通过GPS接收机接收卫星信号进行绝对定位，然而，目前GPS定位精度一般在3-10m，定位精度差，其设备价格昂贵，并且受天气或遮挡等干扰，精度也会降低，从而限制了GPS定位在农业机械定位中的应用。另一种定位方式是利用惯性传感器，通过计算进行相对定位。惯性传感器的成本低，初始精度较高，但是，对于采用惯性传感器进行定位的装置具有累积误差，随着距离的增长，定位的精度会下降，只能适用于特定的环境下农业机械的定位，适用性较差，无法满足农业机械定位要求。

基于此，如何发明一种农业器械田间定位方法，定位精度高，而且定位精度与机械行驶距离不相关，是本发明主要解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有的农机田间定位方法，提供了一种基于无线定位装置的农机田间定位方法，可以始终保持较高的定位精度，方法简单易实现。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于无线定位装置的农机田间定位方法，包括以下步骤：

(1)、在待定位农机上设置一个无线定位装置，设该无线定位装置为定位点，在定位区域中设置N个无线定位装置，设该N个无线定位装置为参考点，其中N大于或等于3；

(2)、定位点发射激活指令激活周围的参考点；

(3)、被激活的参考点发射携带有各自位置信息的位置信号，所述定位点接收各位置信号，并根据信号强度计算定位点到该参考点的距离；

(4)、判断所接收到的参考点个数，若接收到的参考点个数小于3，则返回步骤(2)；否则，控制除距离定位点最近的3个参考点之外的所有参考点休眠；

(5)、根据距离定位点最近的3个参考点的位置信息计算定位点位置坐标。

进一步的，在步骤(1)中，所述的参考点包括x个固定参考点和y个活动参考点，固定参考点的无线定位装置设置在定位区域的周围边界上，活动参考点的无线定位装置设置在定位区域内部，其中，x+y＝N。

为了防止活动参考点被农机碰到，导致其位置移动，所述y个活动参考点还包括位置修复的步骤：

(6)、活动参考点定期向周围的固定参考点发送位置请求信号；

(7)、接收到位置请求信号的固定参考点被激活并发射携带有各自位置信息的位置信号，所述活动参考点接收各位置信号，并根据信号强度计算其到该固定参考点的距离；

(8)、判断所接收到的固定参考点个数，若接收到的固定参考点个数小于3，则返回步骤(7)；

(9)、根据距离本活动参考点最近的3个固定参考点的位置信息计算该活动参考点位置坐标，控制被其激活的所有固定参考点休眠。

又进一步的，相邻的两个参考点之间的距离为10-50m。

优选的，相邻的两个参考点之间的距离为40m。

所述的无线定位装置包括外壳、定位控制单元、天线、以及为所述定位控制单元供电的供电单元，所述定位控制单元设置在外壳内，天线与定位控制单元连接，用于接收或发送信号，所述的定位控制单元包括无线定位单片机，所述的天线包括天线接头，为了提高输入至无线定位单片机信号的质量，所述天线接头的输出端子通过平衡转换芯片与无线定位单片机的信号输入端子连接。

优选的，为了使无线定位装置适用于户外作业，避免不方便充电的弊端，供电单元采用太阳能转换为电能进行供电，所述的供电单元包括蓄电池和与其连接的太阳能电池板，所述太阳能电池板固设在外壳上面，蓄电池设置在外壳内。

所述蓄电池优选采用锂电池，其一次充电可工作时间长达数月，由于无线定位单片机的工作电压为2～3.6V，因此，保证所述锂电池的输出电压为2～3.6V。

再进一步的，所述的天线为全向天线，所述的外壳为防水外壳，保证了无线定位装置防尘、防水以及抗震。

优选的，所述的无线定位装置采用Zigbee协议通信。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的农机田间定位方法基于无线定位装置，采用Zigbee通信协议，定位精度高，而且定位精度不存在累计误差，精度不随着农机行驶距离而下降，而且本无线定位装置结构简单，成本低廉，功耗低，并且使用太阳能供电，节省成本。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的农机田间无线定位方法一种实施例的流程图；

图2是本发明所提出的农机田间无线定位方法一种实施例的无线定位装置结构示意图；

图3是图2中的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

实施例一，参见图1所示，本实施例的基于无线定位装置的农机田间定位方法，包括：

S1、设置定位点及参考点；

具体的，包括在待定位农机上设置一个无线定位装置，设该无线定位装置为定位点，在定位区域中均匀设置N个无线定位装置，设该N个无线定位装置为参考点，其中N大于或等于3。

S2、激活参考点；

具体的，定位点进入定位区域后，定位点发射激活指令激活周围的参考点。

S3、被激活的参考点发射位置信号，定位点计算其与被激活参考点的距离；

具体的，被激活的参考点发射携带有各自位置信息的位置信号，所述定位点接收各位置信号，并根据信号强度计算定位点到该参考点的距离。

S4、判断接收到的被激活参考点个数是否大于或等于3；

具体的，定位点判断所接收到的参考点的个数，若接收到的参考点个数小于3，则返回步骤S2；否则，控制除距离定位点最近的3个参考点之外的所有参考点休眠。

S5、计算定位点位置坐标；

具体的，根据距离定位点最近的3个参考点的位置信息计算定位点位置坐标。

作为一个具体的实施例，参见图2所示，所述的无线定位装置包括外壳1、天线3，在所述外壳内设置有定位控制单元，天线3与定位控制单元连接，天线3用于接收其他无线定位装置发送的信号并传输至与其连接的定位控制单元，或者将与其连接的定位控制单元发射的信号发送出去。无线定位装置还包括直流供电单元，用于为所述定位控制单元供电。无线定位装置的电路图如图3所示，所述的定位控制单元包括无线定位单片机U1，所述的天线3包括天线接头CN1，在本实施例中，无线定位单片机U1采用T1的8位微处理器CC2431实现，天线接头CN1与无线定位单片机U1连接，用于将天线3接收的信号传输给无线定位单片机U1，或者将无线定位单片机U1发射的信号输送给天线3发送出去，为了提高信号传输距离，克服信号传输过程中衰减造成的信号较弱，在所述天线接头CN1与无线定位单片机U1之前还设置有平衡转换芯片U2，在本实施例中，U2采用非平衡-平衡转换芯片BD2425N50200A00实现，CN1的输出端子与U2的信号输入端子连接，CN1输出单端信号经U2的转换后，输出差分信号至无线定位单片机U1。优选的，所述的无线定位装置采用Zigbee协议通信，该协议通信具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的优点。

由于农机在田间户外工作，不方便为电池充电，为了使无线定位装置适用于户外作业，避免不方便充电的弊端，供电单元采用太阳能电池进行供电，所述的供电单元包括蓄电池和与其连接的太阳能电池板2，参见图1所示，所述太阳能电池板2固设在外壳1上面，蓄电池设置在外壳1内，为无线定位单片机U1供电。

所述蓄电池优选采用重量轻、使用寿命长、高低温适应能力强的锂电池，其一次充电可工作时间长达数月，由于无线定位单片机的工作电压为2～3.6V，因此，保证所述锂电池的输出电压为2～3.6V，或者通过DC-DC逆变器将输出电压进行变压后为无线定位单片机U1供电。

由于参考点与定位点之间的相对位置不固定，所述的天线3优选采在水平方向图上表现为360°都均匀辐射的全向天线。此外，全向天线还具有覆盖范围大的优点。所述的外壳1为防水外壳，优选采用具有防尘、防水以及抗震的塑料、PVC材料等制成，而且制作成本低。

作为一个具体实施例的详细实时方案，所述的步骤S4中包括：

S41、定位点判断所接收到的参考点个数，若接收到的参考点个数小于3，则返回步骤S2；

S42、若接收到的参考点个数大于3，定位点比对出距离其最近的3个参考点，保留该3个参考点的位置信息，以及发射休眠指令使其他参考点进入休眠状态，执行步骤S5；

S43、若接收到的参考点个数等于3，则该3个参考点视为距离定位点最近的3个参考点，执行步骤S5。

假设所确定的3个参考点分别为参考点1、参考点2与参考点3，其中，定位点位置的计算方法为：

\{\begin{matrix} {L_{1}}^{2} = {(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2} \\ {L_{2}}^{2} = {(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2} \\ {L_{3}}^{2} = {(x_{3} - x)}^{2} + {(y_{3} - y)}^{2} \end{matrix} - - - (1)

解得：

x = \frac{(y_{3} - y_{2}) [({L_{1}}^{2} - {L_{2}}^{2}) + ({x_{2}}^{2} - {x_{1}}^{2}) + ({y_{2}}^{2} - {y_{1}}^{2})] + (y_{1} - y_{2}) [({L_{2}}^{2} - {L_{3}}^{2}) + ({x_{3}}^{2} - {x_{2}}^{2}) + ({y_{3}}^{2} - {y_{2}}^{2})]}{2 [(x_{2} - x_{3}) (y_{2} - y_{1}) - (x_{1} - x_{2}) (y_{3} - y_{2})]}

y = \frac{(x_{3} - x_{2}) [({L_{1}}^{2} - {L_{2}}^{2}) + ({x_{2}}^{2} - {x_{1}}^{2}) + ({y_{2}}^{2} - {y_{1}}^{2})] + (x_{1} - x_{2}) [({L_{2}}^{2} - {L_{3}}^{2}) + ({x_{3}}^{2} - {x_{2}}^{2}) + ({y_{3}}^{2} - {y_{2}}^{2})]}{2 [(y_{2} - y_{3}) (x_{2} - x_{1}) - (y_{1} - y_{2}) (x_{3} - x_{2})]}

式中：

(x，y)-定位点的坐标

L1-参考点1到定位点的距离

(x1，y1)-参考点1的坐标

L2-参考点2到定位点的距离

(x2，y2)-参考点2的坐标

L3-参考点3到定位点的距离

(x3，y3)-参考点3的坐标

式中的参数：L1、L2、L3是定位点中的无线定位单片机U1根据接收到得信号强度(RSSI)计算出来的，(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)是预先分别设置在参考点1、参考点2、参考点3中的，当参考点被定位点激活后，参考点发送的包含其位置信号即包含有其坐标位置。因此，一旦3个参考点被确定，定位点中的无线定位单片机U1很容易将定位点的坐标(x，y)计算出来。

N个参考点中，参考点之间的距离可以根据实际田间状况进行设置，保证其相邻的两个参考点之间的距离为10-50m。相邻的两个参考点之间的距离优选设置为40m。

在步骤(1)中，所述的参考点包括x个固定参考点和y个活动参考点，固定参考点的无线定位装置设置在定位区域的周围边界上，其坐标位置固定不变，活动参考点的无线定位装置设置在定位区域内部，活动参考点的坐标位置可能会受到不可抗因素(比如被农机碰到等)而发生改变，其中，x+y＝N。

为了防止农机在作业过程中触碰到参考点，导致参考点的位置发生变化，所述y个活动参考点还包括位置修复的步骤：

S6、活动参考点定期向周围的固定参考点发送位置请求信号；

S7、接收到位置请求信号的固定参考点被激活并发射携带有各自位置信息的位置信号，所述活动参考点接收各位置信号，并根据信号强度计算其到该固定参考点的距离；

S8、判断所接收到的固定参考点个数，若接收到的固定参考点个数小于3，则返回步骤S7；

S9、根据距离本活动参考点最近的3个固定参考点的位置信息计算该活动参考点位置坐标，控制被其激活的所有固定参考点休眠。

根据上述的3个已知点确定一个未知点的方法，便可以计算出该活动参考点的位置坐标信息，该活动参考点将新的位置坐标信息保存，并进入休眠状态，等待定位点的激活指令。

本实施例的农机田间定位方法基于无线定位装置，参考点具有自动位置修复功能，提供的位置坐标准确，定位精度高，采用Zigbee通信协议，而且定位精度不存在累计误差，精度不随着农机行驶距离而下降，而且本无线定位装置结构简单，成本低廉，功耗低，并且使用太阳能供电，十分适合在开阔的田间或农业大棚中应用。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于无线定位装置的农机田间定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、在待定位农机上设置一个无线定位装置，设该无线定位装置为定位点，在定位区域中设置N个无线定位装置，设该N个无线定位装置为参考点，其中N大于或等于3；

（2）、定位点发射激活指令激活周围的参考点；

（3）、被激活的参考点发射携带有各自位置信息的位置信号，所述定位点接收各位置信号，并根据信号强度计算定位点到该参考点的距离；

（4）、判断所接收到的参考点个数，若接收到的参考点个数小于3，则返回步骤（2）；否则，控制除距离定位点最近的3个参考点之外的所有参考点休眠；

（5）、根据距离定位点最近的3个参考点的位置信息计算定位点位置坐标。

2.根据权利要求1所述的农机田间定位方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的参考点包括x个固定参考点和y个活动参考点，固定参考点的无线定位装置设置在定位区域的周围边界上，活动参考点的无线定位装置设置在定位区域内部，其中， x+y=N。

3.根据权利要求2所述的农机田间定位方法，其特征在于，所述y个活动参考点还包括位置修复的步骤：

（6）、活动参考点定期向周围的固定参考点发送位置请求信号；

（7）、接收到位置请求信号的固定参考点被激活并发射携带有各自位置信息的位置信号，所述活动参考点接收各位置信号，并根据信号强度计算其到该固定参考点的距离；

（8）、判断所接收到的固定参考点个数，若接收到的固定参考点个数小于3，则返回步骤（7）；

（9）、根据距离本活动参考点最近的3个固定参考点的位置信息计算该活动参考点位置坐标，控制被其激活的所有固定参考点休眠。

4.根据权利要求1所述的农机田间定位方法，其特征在于，相邻的两个参考点之间的距离为10-50m。

5.根据权利要求4所述的农机田间定位方法，其特征在于，相邻的两个参考点之间的距离为40m。

6.根据权利要求1-5任一项权利要求所述的农机田间定位方法，其特征在于，所述的无线定位装置包括外壳、定位控制单元、天线、以及为所述定位控制单元供电的供电单元，所述定位控制单元设置在外壳内，天线与定位控制单元连接，用于接收或发送信号，所述的定位控制单元包括无线定位单片机，所述的天线包括天线接头，天线接头的输出端子通过平衡转换芯片与无线定位单片机的信号输入端子连接。

7.根据权利要求6所述的农机田间定位方法，其特征在于，所述的供电单元包括蓄电池和与其连接的太阳能电池板，所述太阳能电池板固设在外壳上面，蓄电池设置在外壳内。

8.根据权利要求7所述的农业机械田间无线定位装置，其特征在于，所述蓄电池为锂电池，输出电压为2～3.6V。

9.根据权利要求6所述的农机田间定位方法，其特征在于，所述的天线为全向天线，所述的外壳为防水外壳。

10.根据权利要求6所述的农机田间定位方法，其特征在于，所述的无线定位装置采用Zigbee协议通信。