CN112904392B - 基于gps定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法 - Google Patents

基于gps定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法，包括如下步骤：步骤S1，主控逻辑单元利用数据分析计算出圆心点的坐标，此坐标为喷灌机的中心点坐标，并将该中心点坐标设为电子地图上的中心点坐标；步骤S2，在电子地图上设置喷灌机的末跨参考坐标、跨体半径参数R、中心点坐标；步骤S3，计算跨体末跨与中心点的距离L；步骤S4，主控逻辑单元进行数据清洗，得到末跨的位置最佳估计值。本发明将获取静态中心点坐标的方法转移到求取动态坐标的方法上,GPS的动态误差要优于静态误差，提高了中心点坐标测量的准确角度。

Description

基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法
技术领域
本发明涉及喷灌机技术领域，具体涉及一种基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法。
背景技术
GPS在使用中存在很多现实问题，不论是用在单纯的定位还是惯性导航中，都要面临位置漂移的问题，在喷灌机使用中，单纯使用坐标位置来定位喷灌机的实际位置，如果不对系统做深度优化，单就数据漂移就足以破坏喷灌机运行稳定度，没有有效约束误差的分布限制条件，造成控制输出的频繁改变，例如在一个方向上漂移时大时小，造成速度给定就时大时小，给控制与使用体验都带来了相当的不便，因此对于喷灌机而言，精度、稳定性是保证系统准确安全非常硬性的需求，调研市场发现，不论是国外知名喷灌机企业还是国内喷灌机企业，使用GPS的精度与系统稳定性都不尽如人意，并且每年都发生很多安全事故。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法，包括如下步骤：
步骤S1，在喷灌机的末跨端安装位置检测单元，由位置检测单元实时检测自身的位置信息，喷灌机以最大速度运行半个或一个圆周，以实现GPS的漂移误差为动态误差，将运动中位置检测单元实时采集的位置信息通过射频传送装置发送给主控逻辑单元；主控逻辑单元利用数据分析计算出圆心点的坐标，此坐标为喷灌机的中心点坐标，并将该中心点坐标设为电子地图上的中心点坐标；
步骤S2，在电子地图上设置喷灌机的末跨参考坐标、跨体半径参数R、中心点坐标；
步骤S3，喷灌机按照圆周轨迹进行运动，位置检测单元实时检测自身的位置信息，获取末跨的当前位置坐标，所述位置检测单元的位置信息通过射频传送装置发送给主控逻辑单元，所述主控逻辑单元利用球体坐标系，根据末跨参考坐标、跨体半径参数R、中心点坐标、末跨的当前位置坐标换算成方位角，并计算得到跨体末跨与中心点的距离L；
步骤S4，主控逻辑单元对位置检测单元检测的位置信息根据所述喷灌机的末跨与中心点的距离L、运动方向、运动速度以及GPS最大漂移误差值Det进行数据清洗，得到末跨的位置最佳估计值。
优选的是，位置检测单元采用GPS定位器采集跨体的末跨端位置信息，GPS定位器安装在跨体的末跨端。
在上述任一方案中优选的是，在步骤S4中进行数据清洗时，当跨体末跨与中心点的距离L在跨体预设范围内时，对跨体的运动方向进行判断；当跨体末跨与中心点的距离L超出跨体预设范围内时进行剔除，以舍弃当前值；
对跨体的运动方向进行判断时，规定喷灌机正转为顺时针，由喷灌机行走中因末跨的抖动使GPS定位器采集的坐标方向不同，与顺时针方向一致时，计算两点之间以当前速度运动的理论值误差Vset；而对与顺时针反向的数据进行剔除；
计算两点之间以当前速度运动的理论值误差Vset，当喷灌机运动时的运动速度在Vset以内时，输入卡尔曼滤波器进行最佳估计，以得到末跨的位置最佳估计值；当运动速度超出Vset时进行剔除。
在上述任一方案中优选的是，所述跨体预设范围根据跨体参考半径R与GPS最大漂移误差值Det之差和跨体参考半径R与GPS最大漂移误差值Det之和形成的区间而设定。
在上述任一方案中优选的是，当跨体的末跨与中心点的距离L在预设参数范围内，则认为喷灌机运行正常，当跨体超出预设参数范围内，则认为喷灌机运行异常并报警停机。
在上述任一方案中优选的是，所述预设参数范围根据跨体半径参数R与半径误差值DetR之差和跨体半径参数R与半径误差值DetR之和形成的区间进行设定。
在上述任一方案中优选的是，所述喷灌机的主控逻辑单元通过4G与远程管理系统进行连接，以由管理员通过远程管理系统对平移机的运行状态实时监控。
与现有技术相比，本发明提供的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法具有以下有益效果：
将GPS定位器安装在跨体的末跨端，在喷灌机运行半周或一个圆周的情况下进行计算中心线坐标，将获取静态中心点坐标的方法转移到求取动态坐标的方法上,GPS的动态误差要优于静态误差，提高了中心点坐标测量的准确角度，从而使跨体末跨与中心点的距离L测量的更加精准，间接使最终得到的末跨的位置最佳估计值更加精准；把单纯的位置信息转变为系统角度信息，多维度系统适配，增加多重安全冗余设计，从而实现喷灌机的高精度，高稳定性的运行。
附图说明
图1为本发明提供的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法的流程图；
图2为本发明提供的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法的系统架构图；
图3为本发明中主控逻辑单元对位置检测单元检测的位置信息进行数据清洗的流程图；
图4为本发明中冗余安全性判断的流程图；
图5为本发明中将坐标换算成角度的示意图。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
如图1-4所示，按照本发明提供的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法的一实施例，包括如下步骤：
步骤S1，在喷灌机的末跨端安装位置检测单元，由位置检测单元实时检测自身的位置信息，喷灌机以最大速度运行半个或一个圆周，以实现GPS的漂移误差为动态误差，将运动中位置检测单元实时采集的位置信息通过射频传送装置发送给主控逻辑单元；主控逻辑单元利用数据分析计算出圆心点的坐标，此坐标为喷灌机的中心点坐标，并将该中心点坐标设为电子地图上的中心点坐标；
步骤S2，在电子地图上设置喷灌机的末跨参考坐标、跨体半径参数R、中心点坐标；
步骤S3，喷灌机按照圆周轨迹进行运动，位置检测单元实时检测自身的位置信息，获取末跨的当前位置坐标，所述位置检测单元的位置信息通过射频传送装置发送给主控逻辑单元，所述主控逻辑单元利用球体坐标系，根据末跨参考坐标、跨体半径参数R、中心点坐标、末跨的当前位置坐标换算成方位角，并计算得到跨体末跨与中心点的距离L；
步骤S4，主控逻辑单元对位置检测单元检测的位置信息根据所述喷灌机的末跨与中心点的距离L、运动方向、运动速度以及GPS最大漂移误差值Det进行数据清洗，得到末跨的位置最佳估计值。
在本实施例中，步骤S1中，利用圆周运动计算喷灌机中心坐标，将坐标变换成方位角度，需要知道三点坐标值，即中心点坐标①，末跨参考坐标②，末跨当前坐标③，如图5所示，在对地球做球面简化的坐标系中，即转化为求方位角的计算上：需要获取三点坐标，末跨参考坐标定义为正北方向，在GPS常用WGS-84坐标系中默认使用0度即可，中心点坐标的计算，采用步骤S1中描述的内容进行计算，因为GPS的动态误差要优于静态误差，由于GPS的动态误差小，提高了中心点坐标测量的准确度，从而间接使后续的跨体末跨与中心点之间的距离计算的更加准确；避免在现有技术中采用在中心点放置一个GPS装置，用以实时获取中心点坐标，因为GPS静态坐标误差较大，可以说是不存在绝对值静止位置，导致无法使用。
在本实施例中，步骤S3中，对利用球体坐标系进行换算成方位角，对其进行展开，以北极点N为顶点，N-PQO构成了一个三面角；二面角N-PQ-O的大小为θ，其平面角为π/2-φ2；二面角p-ON-Q的大小为λ2-λ1，其平面角为δ；
由三面角正弦定理可得：
Figure BDA0002925094440000041
由三面角余弦定理可得：
Figure BDA0002925094440000042
Figure BDA0002925094440000043
由此可得：
Figure BDA0002925094440000044
结合上述在求解两点间的距离时得到的结果：
Figure BDA0002925094440000045
可得到：
Figure BDA0002925094440000046
进而得到方位角：
Figure BDA0002925094440000047
其中，位置检测单元和主控逻辑单元中均包括MCU控制器和射频传送装置，所述射频传送装置采用RF433模组，RF433模组包括RF433射频发射设备和RF433射频接收设备。
进一步的，位置检测单元采用GPS定位器采集跨体的末跨端位置信息，GPS定位器安装在跨体的末跨端。
进一步的，在得到跨体末跨与中心点的距离L信息后，因为GPS定位器仍然存在误差的原因，需要对数据合理性做清洗与末跨最佳估计值进行计算，在步骤S4中进行数据清洗时，当跨体末跨与中心点的距离L在跨体预设范围内时，对跨体的运动方向进行判断；当跨体末跨与中心点的距离L超出跨体预设范围内时进行剔除，以舍弃当前值；
对跨体的运动方向进行判断时，规定喷灌机正转为顺时针，由喷灌机行走中因末跨的抖动使GPS定位器采集的坐标方向不同，与顺时针方向一致时，计算两点之间以当前速度运动的理论值误差Vset；而对与顺时针反向的数据进行剔除；
计算两点之间以当前速度运动的理论值误差Vset，喷灌机在运行中，运动速度是按照百分比调控的，在运动时的速度是确定值，当喷灌机运动时的运动速度在Vset以内时，输入卡尔曼滤波器进行最佳估计，以得到末跨的位置最佳估计值；当运动速度超出Vset时进行剔除，即在超出速度合理性范围的点进行剔除。
进一步的，所述跨体预设范围根据跨体参考半径R与GPS最大漂移误差值Det之差和跨体参考半径R与GPS最大漂移误差值Det之和形成的区间而设定。
进一步的，进行冗余安全性判断，喷灌机在运行中，经常由于地形因素，设备零件异常因素造成喷灌机走歪，严重情况下，喷灌机会发生折叠，损失惨重，当发生这种情况时，可以通过实时计算跨体末端与中心点的距离来监测异常情况，当检测到距离L小于或者大于喷灌机跨体半径参数R加减DetR时，发出异常报警并将喷灌机停下，起到防护作用，提高安全性。
具体的，当跨体的末跨与中心点的距离L在预设参数范围内，则认为喷灌机运行正常，继续进行距离L的计算，当跨体超出预设参数范围内，则认为喷灌机运行异常并报警停机；
所述预设参数范围根据跨体半径参数R与半径误差值DetR之差和跨体半径参数R与半径误差值DetR之和形成的区间进行设定。
进一步的，所述喷灌机的主控逻辑单元通过4G与远程管理系统进行连接，以由管理员通过远程管理系统对平移机的运行状态实时监控。
本领域技术人员不难理解，本发明包括上述说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1，在喷灌机的末跨端安装位置检测单元，由位置检测单元实时检测自身的位置信息，喷灌机以最大速度运行半个或一个圆周，以实现GPS的漂移误差为动态误差，将运动中位置检测单元实时采集的位置信息通过射频传送装置发送给主控逻辑单元；主控逻辑单元利用数据分析计算出圆心点的坐标，此坐标为喷灌机的中心点坐标，并将该中心点坐标设为电子地图上的中心点坐标；
步骤S2，在电子地图上设置喷灌机的末跨参考坐标、跨体半径参数R、中心点坐标；
步骤S3，喷灌机按照圆周轨迹进行运动，位置检测单元实时检测自身的位置信息，获取末跨的当前位置坐标，所述位置检测单元的位置信息通过射频传送装置发送给主控逻辑单元，所述主控逻辑单元利用球体坐标系，根据末跨参考坐标、跨体半径参数R、中心点坐标、末跨的当前位置坐标换算成方位角，并计算得到跨体末跨与中心点的距离L；
步骤S4，主控逻辑单元对位置检测单元检测的位置信息根据所述喷灌机的末跨与中心点的距离L、运动方向、运动速度以及GPS最大漂移误差值Det进行数据清洗，得到末跨的位置最佳估计值；
其中，在步骤S4中进行数据清洗时，当跨体末跨与中心点的距离L在跨体预设范围内时，对跨体的运动方向进行判断；当跨体末跨与中心点的距离L超出跨体预设范围内时进行剔除，以舍弃当前值；
对跨体的运动方向进行判断时，规定喷灌机正转为顺时针，由喷灌机行走中因末跨的抖动使GPS定位器采集的坐标方向不同，与顺时针方向一致时，计算两点之间以当前速度运动的理论值误差Vset；而对与顺时针反向的数据进行剔除；
计算两点之间以当前速度运动的理论值误差Vset，当喷灌机运动时的运动速度在Vset以内时，输入卡尔曼滤波器进行最佳估计，以得到末跨的位置最佳估计值；当运动速度超出Vset时进行剔除。
2.根据权利要求1所述的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法，其特征在于：位置检测单元采用GPS定位器采集跨体的末跨端位置信息，GPS定位器安装在跨体的末跨端。
3.根据权利要求1所述的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法，其特征在于：所述跨体预设范围根据跨体参考半径R与GPS最大漂移误差值Det之差和跨体参考半径R与GPS最大漂移误差值Det之和形成的区间而设定。
4.根据权利要求1所述的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法，其特征在于：当跨体的末跨与中心点的距离L在预设参数范围内，则认为喷灌机运行正常，当跨体超出预设参数范围内，则认为喷灌机运行异常并报警停机。
5.根据权利要求1所述的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法，其特征在于：所述预设参数范围根据跨体半径参数R与半径误差值DetR之差和跨体半径参数R与半径误差值DetR之和形成的区间进行设定。
6.根据权利要求1所述的基于GPS定位在喷灌机角度识别与安全防护的方法，其特征在于：所述喷灌机的主控逻辑单元通过4G与远程管理系统进行连接，以由管理员通过远程管理系统对平移机的运行状态实时监控。
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