CN103809155B

CN103809155B - 一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***

Info

Publication number: CN103809155B
Application number: CN201410022399.3A
Authority: CN
Inventors: 张海辉; 崔选科; 王东; 张家明; 杨小虎; 范叶满
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: CN103809155A

Abstract

一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***，包括若干已知位置、同等高度的ZigBee信标节点，及由四轴飞行器和ZigBee节点组成的待定位飞行器节点，本发明还提出以下定位方法，即四轴飞行器飞过农田时选择4个无线信号强度最强的信标节点，通过接收到的无线信号强度计算得到飞行器节点与信标节点之间的空间距离，将空间距离映射成信标节点所在水平面的水平距离，每3个信标节点组成一个三角形定位子区域，即共形成4个子区域，对于每个子区域分别通过三边定位法计算飞行器节点的相对坐标，再通过质心法计算这4个相对坐标所形成四边形的质心，将该质心坐标作为飞行器节点的最终位置坐标，本发明可实现飞行器在农田区域化作业中低成本、高精度、快速定位。

Description

一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***

技术领域

本发明涉及农田小区域快速定位的技术应用，特别涉及一种基于无线传感器网络和四轴飞行器相结合的农田定位***与方法。

背景技术

随着现代农业的发展，近期采用无人机等小型飞行器监测农田病虫害、农作物生长情况和农田水利情况，在其感知农田信息的基础上，做到合理施肥、播种、灌溉和喷洒农药，节约费用、降低成本。然而，要实现这些目标，必须依赖于无人机在农田中的精确定位。

目前，无人机定位主要采用全球定位***（Global Positioning System,GPS）。这个***由覆盖全球的24颗卫星组成，可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。GPS全球卫星定位***由三部分组成：空间部分—GPS星座，地面控制部分—地面监控***，用户设备部分—GPS信号接收机。按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，用于概略导航定位，受到***误差源的影响，并不能适应农田逐行、逐株作业的精度要求。相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，但由于价格昂贵，难以满足我国现阶段农业规模化程度较低带来的设备低成本要求。

在农田环境下的机械作业，定位的作用是用于无人机或农机的自动导航，以实现指定农田的区域化喷药、施肥、播种或收获等农事作业，其特点是小区域范围内的精确定位和以此为基础的小区域作业全覆盖，能精确获取机械位于农田的相对位置即可，可避免采用GPS技术动态获取绝对位置的需求。目前典型的小区域定位技术可分为定向和非定向两种，定向技术如激光测距、雷达测距等，在位置动态变化的无人机等应用场合需要解决被测物动态跟踪、方向动态调整等技术问题，成本较高；非定向技术包括采用声波、全向无线电等技术，被测点与信标节点之间的距离与信号衰减程度或信号传播时间有关，通过测量信号衰减值或信号传播时间可精确计算相对位置。

本发明将非定向测距技术应用到农田小区域定位，提出一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***与方法。

发明内容

本发明采用小区域***若干点为信标节点，通过小区域范围内低成本、高精度的2.4G无线信号覆盖，无人机携带信号接收装置作为待定位节点，通过信号衰减计算与各信标节点的相对位置，以此实现无人机的快速、高精度定位。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***，包括：

若干已知位置、同等高度的ZigBee信标节点，每个ZigBee信标节点包括射频发射器和射频接收器，各个ZigBee信标节点均匀分布于农田中，信标节点相对坐标已知；

由四轴飞行器和ZigBee节点组成的待定位飞行器节点，所述四轴飞行器上设置有处理器和高度传感器，所述ZigBee节点包括射频发射器和射频接收器，固定在所述四轴飞行器中心；

所述待定位飞行器节点通过接收所述ZigBee信标节点中4个无线信号强度最强的信标节点发出的无线信号计算所述待定位飞行器节点与所述4个ZigBee信标节点之间的空间距离，将空间距离映射成ZigBee信标节点所在水平面的水平距离，每3个ZigBee信标节点组成一个三角形定位子区域，即共形成4个子区域，对于每个子区域分别通过三边定位法计算飞行器节点的相对坐标，再通过质心法计算这4个相对坐标所形成的四边形的质心，将该质心坐标作为飞行器节点的最终位置坐标。

根据所述的一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***的定位方法，包括如下步骤：

步骤1：四轴飞行器飞过农田，通过高度传感器，获取飞行器高度H；

步骤2：待定位飞行器节点的射频接收器接收到不同所述ZigBee信标节点的射频发射器发射的信号，获取相应的接收信号强度指示值（ReceivedSignal Strength Indication,RSSI），

RSSI [dBm] = PL (d_{0}) [dBm] - 10 nlg (\frac{d}{d_{0}}) - X_{σ},

所述待定位飞行器节点选择4个无线信号强度最强的ZigBee信标节点，通过RSSI计算公式获得这4个ZigBee信标节点和四轴飞行器之间的实际空间距离d，方程式中，d₀是参考距离，取1m；n是信道衰减指数，取值2～4；PL(d₀)是距离发射机d₀处的信号强度，由经验或者硬件的规范定义获得；PL(d)是与发射机相距为d位置的信号强度；X_σ是均值为零、方差为σ的高斯随机变量，它是根据环境确定的；

步骤3：通过步骤2，应用勾股定理，将所述待定位飞行器节点和4个ZigBee信标节点的之间的空间距离映射到水平面的水平距离，公式为其中D是由步骤2计算出的实际空间距离，H是步骤1测得的所述四轴飞行器的高度，M是映射到水平面的水平距离；

步骤4：将所述已知位置信息的4个信标节点每3个组成一个三角形定位子区域，即共形成4个三角形子区域；

步骤5：设步骤4中4个三角形子区域中任意一个三角形三个顶点的坐标分别为A（x_A,y_A），B（x_B,y_B）和C（x_C,y_C），设所述待定位飞行器节点坐标为（x,y），由步骤3求得所述待定位飞行器节点和A，B，C三点的水平距离分别为M1，M2和M3，通过三边定位法，对这三点分别根据相应坐标应用距离公式，最后整理求得所述待定位飞行器节点坐标：

x = \frac{1}{2} \cdot \frac{(y_{B} - y_{C}) (x_{A}^{2} - x_{C}^{2} + y_{A}^{2} - y_{C}^{2} + {M_{3}}^{2} - {M_{1}}^{2}) - (y_{A} - y_{C}) (x_{A}^{2} - x_{C}^{2} + y_{B}^{2} - y_{C}^{2} + {M_{3}}^{2} - {M_{2}}^{2})}{(x_{A} - x_{C}) (y_{B} - y_{C}) - (y_{A} - y_{C}) (x_{B} - x_{C})}

y = \frac{1}{2} \cdot \frac{(x_{A} - x_{C}) (x_{A}^{2} - x_{C}^{2} + y_{B}^{2} - y_{C}^{2} + {M_{3}}^{2} - {M_{2}}^{2}) - (x_{B} - x_{C}) (x_{A}^{2} - x_{C}^{2} + y_{A}^{2} - y_{C}^{2} + {M_{3}}^{2} - {M_{1}}^{2})}{(x_{A} - x_{C}) (y_{B} - y_{C}) - (y_{A} - y_{C}) (x_{B} - x_{C})}

步骤6：由步骤5求出4个三角形子区域所对应的4个待定位飞行器节点坐标，4个坐标点可以组合成一个四边形，通过质心法取此四边形的质心作为所述待定位飞行器节点的最终定位坐标：

(x, y) = (\frac{x_{A^{'}} + x_{B^{'}} + x_{C^{'}} + x_{D^{'}}}{4}, \frac{y_{A^{'}} + y_{B^{'}} + y_{C^{'}} + y_{D^{'}}}{4})

将所述ZigBee信标节点其中一个ZigBee信标节点标定为坐标原点，其他ZigBee信标节点按照农田分布中与坐标原点的实际位置标定相对坐标。

待定位飞行器的最终定位目标为相对坐标原点的相对坐标。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)根据农田信标节点的实际分布，对每一个信标节点进行相对位置定位，形成农田信息监测网络，不仅可以定点监测农田信息，也可为移动定位监测提供平台和基础，节省了资源和成本；

(2)将ZigBee的RSSI定位技术和四轴飞行器相结合，在三边-质心定位方法基础之上，将算法加以扩充和改进，结合四轴飞行器的高度信息，可以将空间中飞行的四轴飞行器进行坐标定位；

(3)***体积相对较小，成本相对较低，能量损耗低，便于携带和操作，在进行定位和信息采集时不会对农田构成任何损坏，适用范围广，易于推广；

(4)数据传输可靠，定位精度高，可适用于较复杂的环境。

附图说明

图1是本发明的***组成和定位原理示意图。

图2是本发明的***结构示意图。

图3是本发明的四轴飞行器节点示意图。

图4是本发明的三边定位原理示意图。

图5是本发明的质心坐标计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***由信标节点（Q0～Q7）和所述待定位飞行器节点K二部分组成。所述信标节点（Q0～Q7）是本***的必要条件，同时也是本***的显著特征。本***主要是利用现有的用于农田信息监测的ZigBee无线传感器网络来建立本发明所述***。农田信息监测ZigBee网络通过实际测量将信标节点（Q0～Q7）按照行列方式布设在农田空隙中。

同时所述待定位飞行器节点包括扩展ZigBee模块，当四轴飞行器通过遥控或者自动控制飞过农田时，通过所述待定位飞行器节点自身获取的高度信息，和所述待定位飞行器节点包括的ZigBee模块获取来自不同信标节点或者定位节点的RSSI值，选择4个RSSI值最大的信标节点，通过RSSI的计算公式得到飞行器节点和上述4个信标节点之间的空间距离，通过勾股定理，将空间距离映射成信标节点所在水平面的水平距离，每3个信标节点组成一个三角形定位子区域，即共形成4个子区域，对于每个子区域分别通过三边定位法计算飞行器节点的相对坐标，再通过质心法计算这4个相对坐标所形成四边形的质心，将该质心坐标作为飞行器节点的最终位置坐标

如图2所示，本发明所述信标节点分别由ZigBee模块（包括射频发射器和射频接收器）和其他传感器组成；所述待定位飞行器节点，主要包括四轴飞行器（包括处理器和高度传感器）和ZigBee模块（包括射频发射器和射频接收器）。所述信标节点Q0～Q7通过射频发射器和射频接收器分别与所述待定位飞行器节点通信以实现所述待定位飞行器节点的定位，同时所述信标节点Q0～Q7也可以通过射频发射器和射频接收器相互之间交换信息以检验信标节点的运行状况。

如图3所示，本发明所述四轴飞行器节点包括四轴飞行器、处理器、ZigBee模块，高度传感器和其他传感器。这些器件集中在飞行器中心4，四轴飞行器四轴在结构上采用了四个旋翼1为飞行的基本动力源，四个旋翼1通过支架3连接在飞行器中心4。同时四个旋翼1两两对称分布于机身的前后和左右四个方向，四个旋翼1位于同一水平高度，并且各个旋翼1的半径和结构都一样，一组相对的旋翼1逆时针方向旋转，另一组相对的旋翼1顺时针方向旋转，四个无刷电机2对称分布于飞行器支架的末端，支架的中央交叉空间可以安放飞行姿态控制处理器、ZigBee模块B和传感器及其它外部拓展的设备。由于两组旋翼1以相反方向旋转，因此当飞行器平衡飞行时，产生的空气动力扭矩效应以及陀螺效应均被相互抵消，因此，四轴飞行器能够抵抗一定的外部干扰，保证自身的稳定及受遥控器的控制。从上述结构和原理可以看出，四轴飞行器机械结构简单直观，可灵活控制，是用于农田信息采集定位的最佳设备。

对于所述待定位飞行器节点在飞掠农田时定位方法，具体来说包括如下步骤：

步骤1：所述四轴飞行器通过高度传感器，获取飞行器的高度H，如图1中所示；

步骤2：

所述待定位飞行器节点的射频接收器接收到不同所述ZigBee信标节点的射频发射器发射的信号，获取相应的RSSI值，

RSSI [dBm] = PL (d_{0}) [dBm] - 10 nlg (\frac{d}{d_{0}}) - X_{σ},

所述待定位飞行器节点选择4个无线信号强度最强的信标节点，通过RSSI计算公式获得这4个信标节点和四轴飞行器之间的实际空间距离d，方程式中，d₀是参考距离，取1m；n是信道衰减指数，取值2～4；PL(d₀)是距离发射机d₀处的信号强度，由经验或者硬件的规范定义获得；PL(d)是与发射机相距为d位置的信号强度；X_σ是均值为零、方差为σ的高斯随机变量，它是根据环境确定的。如图1中所示，通过上述方法，可以分别求得所述待定位飞行器节点和所述4个信标节点的距离D₁,D₂,D₃,D₄。

步骤3：通过步骤2，应用勾股定理，将所述待定位飞行器节点和4个信标节点的之间的空间距离映射到水平面的水平距离，公式为其中D是由步骤2计算出的实际空间距离，H是步骤1测得的所述四轴飞行器的高度，M是映射到水平面的水平距离。如图1中所示，D₁、D₂、D₃映射到水平面为M₁、M₂、M₃。

步骤4：将所述已知位置信息的4个信标节点每3个组成一个三角形定位子区域，即共形成4个三角形子区域。

步骤5：设步骤4中4个三角形子区域中任意一个三角形三个顶点的坐标分别为A（x_A,y_A），B（x_B,y_B）和C（x_C,y_C），设所述待定位飞行器节点坐标为（x,y），由步骤3求得所述待定位飞行器节点和A，B，C三点的水平距离分别为M1，M2和M3，通过三边定位法，如图4所示，对这三点分别根据相应坐标应用距离公式，列出下列公式：

\{\begin{matrix} {(x_{A} - x)}^{2} + {(y_{A} - y)}^{2} = {M_{1}}^{2} \\ {(x_{B} - x)}^{2} + {(y_{B} - y)}^{2} = {M_{2}}^{2} \\ {(x_{C} - x)}^{2} + {(y_{C} - y)}^{2} = {M_{3}}^{2} \end{matrix}

最后整理求得所述待定位飞行器节点坐标：

x = \frac{1}{2} \cdot \frac{(y_{B} - y_{C}) (x_{A}^{2} - x_{C}^{2} + y_{A}^{2} - y_{C}^{2} + {M_{3}}^{2} - {M_{1}}^{2}) - (y_{A} - y_{C}) (x_{A}^{2} - x_{C}^{2} + y_{B}^{2} - y_{C}^{2} + {M_{3}}^{2} - {M_{2}}^{2})}{(x_{A} - x_{C}) (y_{B} - y_{C}) - (y_{A} - y_{C}) (x_{B} - x_{C})}

y = \frac{1}{2} \cdot \frac{(x_{A} - x_{C}) (x_{A}^{2} - x_{C}^{2} + y_{B}^{2} - y_{C}^{2} + {M_{3}}^{2} - {M_{2}}^{2}) - (x_{B} - x_{C}) (x_{A}^{2} - x_{C}^{2} + y_{A}^{2} - y_{C}^{2} + {M_{3}}^{2} - {M_{1}}^{2})}{(x_{A} - x_{C}) (y_{B} - y_{C}) - (y_{A} - y_{C}) (x_{B} - x_{C})}

步骤6：由步骤5求出4个三角形子区域所对应的4个待定位飞行器节点坐标，4个坐标点可以组合成一个四边形，通过质心法，如图5所示，由四边形四个顶点A’、B’、C’、D’的坐标（x_A’,y_A’）、（x_B’,y_B’）、（x_C’,y_C’）、（x_D’,y_D’）可以得出其质心坐标如公式为：

(x, y) = (\frac{x_{A^{'}} + x_{B^{'}} + x_{C^{'}} + x_{D^{'}}}{4}, \frac{y_{A^{'}} + y_{B^{'}} + y_{C^{'}} + y_{D^{'}}}{4})

即校正后的所述待定位飞行器节点坐标。

需要说明的是，本方法使用的全向天线是指三维立体空间的全向，即信号辐射图在三维空间为标准的球形；而工程应用中，一般也将某个平面内方向图为圆周的天线称为全向天线，如鞭状天线，它在径向的主瓣是圆，但仍有轴向的副瓣。利用此类鞭状天线进行定位时会影响测量精度，为了保证精度，需要限制飞行器飞行高度与节点部署高度的高度差。实际应用中，可以将飞行器在农田上方飞行的高度限制在5m左右，定位节点高度在3m左右。

以上描述了本发明的基本原理、基本特征和基本的实施方案，并且这里通过了说明而不是限制的方式进行了阐述。对于本领域内的技术人员来说，很显然的是，在本质上不脱离所附权利要求书限定的发明精神和范围的前提下，可以做出许多其他实施案例。

Claims

1.一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位***的定位方法，包括如下步骤：

步骤2：待定位飞行器节点的射频接收器接收到不同所述ZigBee信标节点的射频发射器发射的信号，获取相应的接收信号强度指示值（Received Signal Strength Indication,RSSI），所述待定位飞行器节点选择4个无线信号强度最强的ZigBee信标节点，通过RSSI计算公式获得这4个ZigBee信标节点和四轴飞行器之间的实际空间距离d，方程式中，d₀是参考距离，取1m；n是信道衰减指数，取值2～4；PL(d₀)是距离发射机d₀处的信号强度，由经验或者硬件的规范定义获得；PL(d)是与发射机相距为d位置的信号强度；X_σ是均值为零、方差为σ的高斯随机变量，它是根据环境确定的；

。

3.根据权利要求2所述定位方法，其特征在于，将所述ZigBee信标节点其中一个ZigBee信标节点标定为坐标原点，其他ZigBee信标节点按照农田分布中与坐标原点的实际位置标定相对坐标。

4.根据权利要求2所述定位方法，其特征在于，待定位飞行器的最终定位目标为相对坐标原点的相对坐标。