CN108255194A - 一种基于uwb的农用植保无人机精准定位喷药控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，包括定位锚点、携带定位标签的植保无人机以及地面导航台；定位锚点采用多个且分布在农田的各个角落，定位锚点包括主控芯片以及与主控芯片连接的UWB定位模块、无线通讯模块、GPS模块和电源模块；地面导航台作为系统中枢，接收定位标签发出的位置坐标或时间信息，并将作业规划路径传送给植保无人机；植保无人机作为移动节点，其所携带的定位标签实时计算定位标签相对定位锚点的距离并无线传送给地面导航台，地面导航台接收定位标签测量的数据，进行定位计算。本发明可实时、快速计算植保无人机的三维坐标，实现精准定位，实现水平定位精度≤5cm，垂直定位精度≤10cm。
Description
技术领域
本发明属于定位控制技术领域，具体涉及一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法。
背景技术
现有的植保无人飞机主要由飞行平台（固定翼、单旋翼、多旋翼）、飞控系统、喷洒机构三部分组成，通过地面遥控或GPS飞控系统来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等。目前，国内外主流的植保无人机在控制方式主要有遥控方式和自主飞行两种模式。遥控模式可以由与其一起混合编队的近距离有人飞机或利用远距离的地面、空中指挥平台的通信链实现；自主飞行主要利用 GPS 信号或者 GPS/INS 进行自主导航。
实际使用中发现，以上两种喷药无人机飞行控制方式均存在一定的问题，遥控模式的成本较低，但在恶劣条件下，通信链可靠性不高，存在安全隐患。特别是对遥控作业的人员“飞手”的要求较高，由于合格的飞手培养周期较长，不适合农用无人机的广泛普及。现在农用喷药无人机在小规模使用的阶段已经出现了飞手紧缺的现象。另外，由于喷药无人机喷药幅宽较宽，“飞手”遥控操作时漏喷，重复喷洒现象较严重。
GPS 定位的自主飞行主要缺陷是：GPS卫星信号在多种情况下易被干扰或遮挡，当农业地形复杂时，GPS 卫星信号可能产生多径效应，导致同一信号经过多重路径到达同一接收机，从而使数据错乱。且由于GPS精度及稳定性的原因，国内现存自主飞行喷药无人机，在喷洒作业时，也存在较严重的漏喷率及重喷率。
研发出可以根据作业田块形状，自主规划路径，精确自主飞行的喷药植保无人机可有效降低对飞手的依赖，同时可以有效减小漏喷率、重喷率。这是普及植保无人机的关键，也是植保无人机技术的研究热点。未来的植保无人机应该能够根据作业区域和喷施幅宽规划出合理的作业 航线，使无人机以固定高度和速度沿此航线进行自主飞 行作业，降低了对操控者飞行技术的要求以及变量控制 技术难度，使植保作业更具精准性。而精准定位导航系统是实现无人机自主工作和飞行的关键，也是无人机进行各项植保飞行作业的基础。研发和设计高精度的无人机定位导航系统是未来农业植保无人机技术进一步突破和应用的关键。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，采用UWB精准定位技术对农用植保无人机实施厘米级的精准定位，以此提高无人机喷药作业路径的精准性，减少漏喷、重喷率，提高喷药无人机自主飞行的水平，减少阻碍喷药无人机大规模使用的一个关键难点，飞手短缺问题。
技术方案：本发明所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，包括如下步骤：
（1）植保无人机携带的定位标签发起定位指令，通过 UWB 纳秒级的脉冲波与定位锚点完成距离测试；
（2）定位锚点通过无线通信模块将测距信息传入地面导航台；
（3）地面导航台根据测距信息通过定位算法解析标签坐标信息，并控制植保无人机修正飞行路线。
进一步的，步骤（1）中的距离测试在三维空间内，预确定植保无人机的三维坐标，至少需要完成三个测距。
进一步的，步骤（3）中的定位算法采用TOA 和TDOA相结合的改进型最优递推估计算法进行三维定位。
进一步的，单个定位标签与单个定位锚点之间的测距：通过设置在定位标签以及定位锚点上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个定位标签与单个定位锚点之间的距离；
单个定位标签与多个定位锚点之间的测距：定位标签使用广播方式，向定位锚点分配时间节点，设置各定位锚点的回应时间；定位锚点接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待定位标签请求信号；定位标签发送请求帧后，进入接收状态，等待定位锚点回应信号；各定位锚点依据通信前标签分配的回应时间，依序向定位标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待定位标签终止信号；定位标签接收完各定位锚点回应帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应定位锚点；各定位锚点在接收定位标签终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与定位标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入回应帧返送至定位标签；定位锚点依据实际需要，将相应数据经通信定位锚点上传至地面导航台；定位标签获取与各定位锚点距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息；
多定位标签与多个定位锚点之间的测距：通过采用“按时间片轮转方式运行”的方法，为每一个定位标签设置一个时间片：当一个新定位标签添加到系统中时，定位标签需要向定位锚点发送一种特殊帧，请求系统为其注册一个合法身份，在得到定位锚点有效回应后，新定位标签才能与定位锚点进行测距；定位锚点在向定位标签发送身份应答信号时，同时根据系统中定位标签数，为新定位标签分配一个新的时间片，定位标签只能在这个时间片上主动呼叫定位锚点。
进一步的，所述农用植保无人机精准定位喷药控制的系统包括定位锚点、携带定位标签的植保无人机以及地面导航台；
所述定位锚点采用多个且分布在农田的各个角落，所述定位锚点包括主控芯片以及与所述主控芯片连接的UWB定位模块、无线通讯模块、GPS模块和电源模块；
所述地面导航台作为系统中枢，接收定位标签发出的位置坐标或时间信息，并将作业规划路径传送给植保无人机；
所述植保无人机作为移动节点，其所携带的定位标签实时计算定位标签相对定位锚点的距离并无线传送给地面导航台，地面导航台接收定位标签测量的数据，进行定位计算，所述定位标签包括主控芯片以及与所述主控芯片连接的UWB定位模块、无线通讯模块和电源模块。
进一步的，所述定位锚点至少包括三个。
进一步的，所述主控芯片采用STM32F103CBT6芯片。
进一步的，所述UWB定位模块包括定位芯片，所述定位芯片采用美国 Time Domain公司的PulsOn410 模块或DecaWave 公司的DW1000 定位芯片。
进一步的，所述无线通讯模块采用GPRS无线通讯模块或Zigbee无线通讯模块。
进一步的，所述定位计算采用TOA 和TDOA相结合的改进型最优递推估计算法进行三维定位。
有益效果：本发明的控制非法采用UWB精准定位技术对农用植保无人机实施厘米级的精准定位，以此提高无人机喷药作业路径的精准性，减少漏喷、重喷率，提高喷药无人机自主飞行的水平，减少阻碍喷药无人机大规模使用的一个关键难点，飞手短缺问题。
附图说明
图1为本发明的控制系统整体结构示意图；
图2为本发明的定位锚点电路控制原理框图；
图3为本发明的定位标签电路控制原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1到图3所示的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制的系统，包括定位锚点1、携带定位标签3的植保无人机以及地面导航台2。
所述定位锚点1采用多个（至少三个，进行三维定位）且分布在农田的各个角落，所述定位锚点1包括主控芯片以及与所述主控芯片连接的UWB定位模块、无线通讯模块、用于确定锚点位置的GPS模块和电源模块。
所述地面导航台2作为系统中枢，接收定位标签3发出的位置坐标或时间信息，并将作业规划路径传送给植保无人机。
所述植保无人机作为移动节点，其所携带的定位标签3实时计算定位标签3相对定位锚点1的距离并无线传送给地面导航台2，地面导航台2接收定位标签3测量的数据，进行定位计算，所述定位标签3包括主控芯片以及与所述主控芯片连接的UWB定位模块、无线通讯模块和电源模块。
定位锚点的主控芯片使用 STM32F103CBT6 。STM32F103CBT6由ST公司出品，其内核是ARM 32位的Cortex™-M3 CPU ，最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz，具有单周期乘法和硬件除法功能，适合需要高速运算的应用场合。
定位锚点可采用美国 Time Domain 公司的 PulsOn410 模块或DecaWave 公司的DW1000 定位芯片，在后续的研究中，会通过实验对比两种芯片在室外使用的定位精度和稳定性，从而确定最终方案。
（1）PulsOn410模块抗干扰能力强、测距精度高非常适合于全天时全天候使用。
（2）DW1000 是一个低功耗、单片的 CMOS 射频收发器集成电路芯片，符合IEEE802.15.4-2011 超宽频标准的高精度定位芯片。
优选的，所述无线通讯模块采用GPRS无线通讯模块或Zigbee无线通讯模块。无线通信模块主要将UWB 模块测量的数据进行转发，通过定位锚点将数据上传到导航台进行定位解算，定位标签通过 UWB 收发器与定位锚点进行测距、通信。
优选的，所述定位计算采用TOA 和TDOA相结合的改进型最优递推估计算法进行三维定位。
上述一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，包括如下步骤：
（1）植保无人机携带的定位标签发起定位指令，通过 UWB 纳秒级的脉冲波与定位锚点完成距离测试；
（2）定位锚点通过无线通信模块将测距信息传入地面导航台；
（3）地面导航台根据测距信息通过定位算法解析标签坐标信息，并控制植保无人机修正飞行路线。
进一步的，步骤（1）中的距离测试在三维空间内，预确定植保无人机的三维坐标，至少需要完成三个测距。
进一步的，步骤（3）中的定位算法采用TOA 和TDOA相结合的改进型最优递推估计算法进行三维定位。
进一步的，单个定位标签与单个定位锚点之间的测距：通过设置在定位标签以及定位锚点上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个定位标签与单个定位锚点之间的距离；
单个定位标签与多个定位锚点之间的测距：定位标签使用广播方式，向定位锚点分配时间节点，设置各定位锚点的回应时间；定位锚点接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待定位标签请求信号；定位标签发送请求帧后，进入接收状态，等待定位锚点回应信号；各定位锚点依据通信前标签分配的回应时间，依序向定位标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待定位标签终止信号；定位标签接收完各定位锚点回应帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应定位锚点；各定位锚点在接收定位标签终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与定位标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入回应帧返送至定位标签；定位锚点依据实际需要，将相应数据经通信定位锚点上传至地面导航台；定位标签获取与各定位锚点距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息；
多定位标签与多个定位锚点之间的测距：通过采用“按时间片轮转方式运行”的方法，为每一个定位标签设置一个时间片：当一个新定位标签添加到系统中时，定位标签需要向定位锚点发送一种特殊帧，请求系统为其注册一个合法身份，在得到定位锚点有效回应后，新定位标签才能与定位锚点进行测距；定位锚点在向定位标签发送身份应答信号时，同时根据系统中定位标签数，为新定位标签分配一个新的时间片，定位标签只能在这个时间片上主动呼叫定位锚点。
本发明的控制非法采用UWB精准定位技术对农用植保无人机实施厘米级的精准定位，以此提高无人机喷药作业路径的精准性，减少漏喷、重喷率，提高喷药无人机自主飞行的水平，减少阻碍喷药无人机大规模使用的一个关键难点，飞手短缺问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）植保无人机携带的定位标签发起定位指令，通过 UWB 纳秒级的脉冲波与定位锚点完成距离测试；
（2）定位锚点通过无线通信模块将测距信息传入地面导航台；
（3）地面导航台根据测距信息通过定位算法解析标签坐标信息，并控制植保无人机修正飞行路线。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：步骤（1）中的距离测试在三维空间内，预确定植保无人机的三维坐标，至少需要完成三个测距。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：步骤（3）中的定位算法采用TOA 和TDOA相结合的改进型最优递推估计算法进行三维定位。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：
单个定位标签与单个定位锚点之间的测距：通过设置在定位标签以及定位锚点上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个定位标签与单个定位锚点之间的距离；
单个定位标签与多个定位锚点之间的测距：定位标签使用广播方式，向定位锚点分配时间节点，设置各定位锚点的回应时间；定位锚点接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待定位标签请求信号；定位标签发送请求帧后，进入接收状态，等待定位锚点回应信号；各定位锚点依据通信前标签分配的回应时间，依序向定位标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待定位标签终止信号；定位标签接收完各定位锚点回应帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应定位锚点；各定位锚点在接收定位标签终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与定位标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入回应帧返送至定位标签；定位锚点依据实际需要，将相应数据经通信定位锚点上传至地面导航台；定位标签获取与各定位锚点距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息；
多定位标签与多个定位锚点之间的测距：通过采用“按时间片轮转方式运行”的方法，为每一个定位标签设置一个时间片：当一个新定位标签添加到系统中时，定位标签需要向定位锚点发送一种特殊帧，请求系统为其注册一个合法身份，在得到定位锚点有效回应后，新定位标签才能与定位锚点进行测距；定位锚点在向定位标签发送身份应答信号时，同时根据系统中定位标签数，为新定位标签分配一个新的时间片，定位标签只能在这个时间片上主动呼叫定位锚点。
5.根据权利要求1-4任意一项所述一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：农用植保无人机精准定位喷药控制的系统包括定位锚点（1）、携带定位标签（3）的植保无人机以及地面导航台（2）；
所述定位锚点（1）采用多个且分布在农田的各个角落，所述定位锚点（1）包括主控芯片以及与所述主控芯片连接的UWB定位模块、无线通讯模块、GPS模块和电源模块；
所述地面导航台（2）作为系统中枢，接收定位标签（3）发出的位置坐标或时间信息，并将作业规划路径传送给植保无人机；
所述植保无人机作为移动节点，其所携带的定位标签（3）实时计算定位标签（3）相对定位锚点（1）的距离并无线传送给地面导航台（2），地面导航台（2）接收定位标签（3）测量的数据，进行定位计算，所述定位标签（3）包括主控芯片以及与所述主控芯片连接的UWB定位模块、无线通讯模块和电源模块。
6.根据权利要求5所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：所述定位锚点（1）至少包括三个。
7.根据权利要求5所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：所述主控芯片采用STM32F103CBT6芯片。
8.根据权利要求5所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：所述UWB定位模块包括定位芯片，所述定位芯片采用美国 Time Domain 公司的PulsOn410 模块或DecaWave 公司的DW1000 定位芯片。
9.根据权利要求5所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：所述无线通讯模块采用GPRS无线通讯模块或Zigbee无线通讯模块。
10.根据权利要求5所述的一种基于UWB的农用植保无人机精准定位喷药控制方法，其特征在于：所述定位计算采用TOA 和TDOA相结合的改进型最优递推估计算法进行三维定位。
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