CN110658540A - 一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法 - Google Patents

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赵祚喜
罗阳帆
马昆鹏
何振宇
朱裕昌
谢超世
谈婷
蒙劭洋
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Abstract

本发明涉及一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，包括S101，装有GPS设备的插秧机规划路径后在田里自动来回直线驾驶作业；S102，选取插秧机一个秧爪对应的秧苗研究，对秧苗行做标记，无人机沿着所选取的秧苗行低空飞行，对秧苗所在的目标点进行定位；S103，获得无人机坐标系下的秧苗位置信息，不考虑高程，转换后得到局部平面坐标系下的秧苗位置点数据；S104，对秧苗位置点数据进行数理统计，得到秧苗路径的直线度和对行精度，用以评估插秧机卫星导航自动作业的精准度。本发明可评估卫星导航自动驾驶作业的精度，实现量化评估，属于农机卫星导航作业质量检验技术领域。

Description

一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航 自动作业精准度的方法
技术领域
本发明涉及农机卫星导航作业质量检验技术，具体涉及一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法。
背景技术
在精准农业技术的驱动下，农业自动导航技术得到快速发展，广泛运用于各种农业领域的工作，提高作业效率，降低人工成本。
众多研究机构和生产厂商的加入使得我国农机自动导航驾驶技术研究与推广应用日趋火热，但是，不可忽视的是这些自动导航产品由于传感器性能、产品性能和控制精度等方面的差异，其产品的作业精度参差不齐。一方面，目前农业自动导航作业方面并没有一个统一的、规范的评估自动导航作业精度的方法，用户在购买农机自动导航产品时，无法准确地判断所购产品的作业质量是否达到生产的要求；另一方面，由于农机卫星导航自动作业的环境复杂，GPS数据不能准确的反映作物的位置，可能达不到相应的作业要求。因此，为进一步提高农机卫星导航作业的质量，需针对农机卫星导航作业精度提出了一种评估方法。
现有技术中不存在通过无人机检验农机卫星导航作业质量的技术。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，能直观评估农机卫星导航作业精准度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，包括如下步骤：
S101，装有GPS设备的插秧机规划好路径后在田里自动来回直线驾驶作业；
S102，选取插秧机的一个秧爪对应的秧苗进行研究，对所选取的秧苗行做上标记，无人机沿着所选取的秧苗行低空飞行，对秧苗所在的目标点进行定位；
S103，获得无人机坐标系下的秧苗位置信息，不考虑高程，转换后得到局部平面坐标系下的秧苗位置点数据；
S104，对秧苗位置点数据进行数理统计，得到秧苗路径的直线度和对行精度，用以评估插秧机卫星导航自动作业的精准度。
低空飞行，指的是飞行高度低于15m。
作为一种优选，步骤S101中，插秧机自动导航规划的路径的设置为：在GPS信号良好的情况下，设置a、b点和行间距，卫星导航系统自动生成一条导航路径。
作为一种优选，步骤S102中，选定插秧机其中一个秧爪所播种的秧苗进行研究，每行间隔2m选取一个秧苗位置，并用宝马标记点做好标记，便于识别。作为一种优选，步骤S102中，在无人机起飞前，先标定无人机搭载的摄像机的内参数；无人机低空飞行时对每一行的秧苗目标点进行定位，每行记录好选定秧苗位置的数据。
作为一种优选，标定摄像机的内参数包括如下步骤：(1)准备摄像机标定棋盘格；(2)利用摄像机拍摄不同方位的多幅图像，例如是15幅，确保获取的图像在视野各个范围内均有分布，同时摄像机的拍摄距离和棋盘格的放置角度要有充分变化；(3)提取拍摄图像的角点坐标，使用张正友标定法标定摄像机的内参数。
作为一种优选，步骤S104中，在获得局部平面坐标系下的秧苗位置点数据后，经过数理统计得到秧苗路径的直线度和对行精度，并对数据的均值、均方根误差、标准差等指标进行分析，进而评估作业精准度。
本发明具有如下优点：
1.可以评估插秧机卫星导航自动驾驶作业的精度，可实现对农机卫星导航作业精度的量化评估。
2.由于无人机低空飞行目标定位的方法具有较高的定位精度，能保证秧苗位置信息的准确性和可靠性。
3.首次将无人机定位技术引入卫星导航自动驾驶作业的精度检测，操作方便，测量结果直观。
附图说明
图1是无人机定位方法的示意图。
图2是局部平面坐标系下的秧苗分布图。
图3是摄像机标定棋盘格图。
图4是秧苗路径直线度计算方法示意图。
图5是秧苗路径对行精度计算方法示意图。
图6a-6f依次是第1-6行秧苗路径偏差统计图。
其中，图1是无人机定位方法的示意图，基于交叉定位原理，无人机低空飞行，飞机在飞行轨迹上不同位置对同一目标进行目标定位；图2是无人机获取秧苗的位置信息后，不考虑高程，转换后得到局部平面坐标系下的秧苗位置点数据，经过软件处理得到的平面秧苗位置分布图；图4中，ΔXij为第i行组第j个测量点到第i组拟合直线的偏移量，dij为相邻两行对应目标位置间的实际距离，1为根据测量点数据得到的拟合直线，2为测量点位置；图5中，Di，j为第i行第j个测量点到第i+1行测量点数据拟合直线的距离，Di+1，j为第i+1行第j个测量点到第i行测量点数据拟合直线的距离。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S101，装有GPS设备的插秧机规划好路径后在田里自动来回直线驾驶作业；
S102，选取插秧机的一个秧爪对应的秧苗进行研究，对所选取的秧苗行做上标记，无人机沿着所选取的秧苗行低空飞行，对秧苗所在的目标点进行定位；
S103，获得无人机坐标系下的秧苗位置信息，不考虑高程，转换后得到局部平面坐标系下的秧苗位置点数据。
S104，对秧苗位置点数据进行数理统计，得到秧苗路径的直线度和对行精度，用以评估插秧机卫星导航自动作业的精准度。
以下是对上述流程进一步详细说明。
1.插秧机卫星导航驾驶作业前的路径规划。在GPS信号良好的情况下，设置a、b点和行间距，卫星导航系统自动生成一条导航路径。导航路径包括多段直线路径以及连接相邻直线路径之间的半圆弧路径；各段直线路径相互平行，相邻直线路径之间的距离等于行间距，半圆弧路径的直径等于行间距；ab为导航系统内设置的虚拟的理想状态下的直线路径，而实际行走路径与ab线有偏差。
2.规划好导航路径后，插秧机开始在田间来回直线作业，每行作业的长度约为100m，共作业6行；选定插秧机其中一个秧爪所播种的秧苗进行研究，选取中间直线行驶部分进行研究，距地块地头约10m，每行路径选取40个秧苗点，每个秧苗位置点距离2米，做好标记。
3.在标定摄像机的内参数后，无人机沿着所选取的秧苗行低空飞行，并对每一行的目标秧苗点进行定位，每行获得40个位置数据。
4.得到局部平面坐标系下的秧苗位置后，经过数理统计得到秧苗路径的直线度和对行精度，并对数据的均值、均方根误差、标准差以及作业的相关系数等指标进行分析，进而评估作业精度。
数理统计方法如下：
(1)直线度计算方法。
先对每行秧苗数据进行线性拟合，可得到每行秧苗点拟合直线方程为Y＝AX+B，而各测量点到拟合直线的偏移量计算公式为：
Figure BDA0002205263540000041
其中：A，B为所选取测量点拟合直线方程的斜率和截距；ΔXij为第i行组第j个测量点到第i组拟合直线的偏移量；Xij、Yij为第i组的第j个测量点的X、Y坐标值。
求得偏移量后，可得该行秧苗路径的直线度：
Figure BDA0002205263540000042
其中：Rsi为第i行秧苗路径的直线度，ni为第i组的测量点数目；N为测量组数。
(2)对行精度计算方法。
选取相邻两行的秧苗作为一组研究对象，分析相邻两行秧苗路径的平行情况。
假设秧苗数据点的拟合直线方程为y＝ax+b，则测量点到另一行秧苗数据拟合基准直线间的距离计算公式为：
Figure BDA0002205263540000051
其中：a，b为所选取测量点对应另一行秧苗点拟合直线方程的斜率和截距；Di，j为第i行第j个测量点到第i+1行测量点数据拟合直线的距离。
同理可求得第i+1行第j个测量点到第i行测量点数据拟合直线的距离Di+1，j。则每组秧苗路径的对行精度计算的相关公式为：
Figure BDA0002205263540000052
其中：Pi为第i行与第i+1行秧苗的对行精度，N为测量组数；ni为第i和i+1组两相邻秧苗路径上对应点数。
(3)试验结果：
通过以上方法，实现了无人机对插秧机卫星导航作业精度的量化评估，具体结果下表所示：
表1秧苗路径直线度测试结果
Figure BDA0002205263540000061
表2秧苗路径对行精度度测试结果
Figure BDA0002205263540000062
表1和表2可看出，在本次试验研究的6行秧苗路径中，直线度的最小值和最大值分别为3.08、4.93cm，最小和最大均方根分别为4.30、6.26cm；秧苗路径的对行精度最小和最大值分别为5.17、15.53cm，最小和最大均方根误差值为4.29、5.43cm。根据秧苗路径的直线度以及秧苗路径的对行精度可得出，本次试验插秧机卫星自动导航作业情况最好的是第6行，第4行的作业效果最差。由此可说明无人机能有效的评估农机卫星导航作业质量。
本发明可适用于多种型号的车辆，即可检验其他车辆卫星导航作业的准确性，对提高机器卫星导航作业的质量有重要意义。且本发明研究成本较低，较易实现。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S101，装有GPS设备的插秧机规划好路径后在田里自动来回直线驾驶作业；
S102，选取插秧机的一个秧爪对应的秧苗进行研究，对所选取的秧苗行做上标记，无人机沿着所选取的秧苗行低空飞行，对秧苗所在的目标点进行定位；
S103，获得无人机坐标系下的秧苗位置信息，不考虑高程，转换后得到局部平面坐标系下的秧苗位置点数据；
S104，对秧苗位置点数据进行数理统计，得到秧苗路径的直线度和对行精度，用以评估插秧机卫星导航自动作业的精准度。
2.按照权利要求1所述的一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，其特征在于：步骤S101中，插秧机自动导航规划的路径的设置为：在GPS信号良好的情况下，设置a、b点和行间距，卫星导航系统自动生成一条导航路径。
3.按照权利要求1所述的一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，其特征在于：步骤S102中，选定插秧机其中一个秧爪所播种的秧苗进行研究，每行间隔2m选取一个秧苗位置，并用宝马标记点做好标记，便于识别。
4.按照权利要求1所述的一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，其特征在于：步骤S102中，在无人机起飞前，先标定无人机搭载的摄像机的内参数；无人机低空飞行时对每一行的秧苗目标点进行定位，每行记录好选定秧苗位置的数据。
5.按照权利要求4所述的一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，其特征在于：标定摄像机的内参数包括如下步骤：
(1)准备摄像机标定棋盘格；
(2)利用摄像机拍摄不同方位的多幅图像，确保获取的图像在视野各个范围内均有分布，同时摄像机的拍摄距离和棋盘格的放置角度要有充分变化；
(3)提取拍摄图像的角点坐标，使用张正友标定法标定摄像机的内参数。
6.按照权利要求1所述的一种利用无人机低空飞行目标定位技术检验插秧机卫星导航自动作业精准度的方法，其特征在于：步骤S104中，在获得局部平面坐标系下的秧苗位置点数据后，经过数理统计得到秧苗路径的直线度和对行精度，并对数据的均值、均方根误差和标准差进行分析，进而评估作业精准度。
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