CN109781096A - 一种用于智能农机的组合导航定位***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于智能农机的组合导航定位***，包括接收机，用于获取智能农机的卫星导航***数据；惯性导航装置，用于获取智能农机的惯性导航数据；传感器，用于获取智能农机的直线偏移程度和转向信息；以及信息采集与处理装置，用于接收和处理所述接收机、所述惯性导航装置和所述传感器获取的信息，并获得融合所述接收机获取的信息和所述惯性导航装置获取的信息的精准定位信息。

Description

一种用于智能农机的组合导航定位***和方法

技术领域

本发明涉及导航定位领域，特别涉及一种适用于智能农机的组合导航定位***和方法。

背景技术

科学技术的发展使得世界各国的农业自动化水平都得到了显著提高，特别是在精准农业领域，利用导航实现智能农机设备的自动驾驶和精准定位已成为农业生产者提高生产效率的重要手段。

近年来，组合导航***及相关技术得到了迅速的发展和应用，例如，全球定位***(GPS)与惯性导航***(INS)相结合的导航方式，但是在精准农业领域，由于成本问题以及算法处理问题等，组合导航还没有得到广泛推广，目前国内外的大部分智能农机所采用的导航方式仍限于GPS 或辅助导航。随着对智能农机的导航定位精度要求的不断提高，现有的导航方式受农机作业环境等因素影响所产生的误差已导致其精准度无法满足需求。

因此，需要一种适用于农业作业环境的精准度高的精准定位***及方法。

发明内容

本发明提供一种适用于智能农机的组合导航定位***，该***包括接收机，用于获取智能农机的卫星导航***数据；惯性导航装置，用于获取智能农机的惯性导航数据；传感器，用于获取智能农机的直线偏移程度和转向信息；以及信息采集与处理装置，用于接收和处理所述接收机、所述惯性导航装置和所述传感器获取的信息，并获得融合所述接收机获取的信息和所述惯性导航装置获取的信息的精准定位信息。

优选的，所述信息采集与处理装置包括用于接收所述接收机、所述惯性导航装置和所述传感器获取的信息的数据接收模块，以及用于融合所述接收机获取的信息和所述惯性导航装置获取的信息的信息处理模块。

优选的，所述信息处理模块还可用于对所述接收机获取的信息和所述惯性导航装置获取的信息进行滤波计算并获得误差估值；所述信息处理模块将所述误差估值反馈给所述接收机或所述惯性导航装置进行反馈矫正并获得精准定位数据。

优选的，所述惯性导航装置进行解算的初值是由所述接收机获取的卫星导航数据。

优选的，所述接收机是GPS接收机或北斗接收机。

根据本发明的另一个方面，还提供一种适用于智能农机的智能驾驶***，包括如上所述的组合导航定位***。

优选的，所述智能驾驶***还包括服务器，所述信息采集和处理模块将所述精准定位信息和所述传感器获取的信息上传至服务器，用户通过所述服务器查看和比对所述信息采集和处理装置上传至服务器的所述精准定位信息和所述传感器获取的信息，手动调整所述智能农机的行驶路线。

优选的，所述智能驾驶***还包括自动驾驶设备，所述信息采集和处理模块将所述精准定位信息和所述传感器获取的信息上传至所述自动驾驶设备，所述自动驾驶设备通过比对所述信息采集和处理装置上传至服务器的所述精准定位信息和所述传感器获取的信息，自动调整所述智能农机的行驶路线。

根据本发明的另一个方面，还一种采用如上所述的组合导航定位***进行定位的方法，包括以下步骤：

获取卫星导航数据作为初值；

利用所述初值对获取的惯性导航数据进行解算并获得智能农机的运动模型；

利用所述运动模型建立滤波器，实时融合所述卫星导航数据和所述惯性导航数据并获得精准定位信息。

根据本发明的另一个方面，还提供一种采用如上所述的智能驾驶***进行智能驾驶的方法，包括以下步骤：

比对所述组合导航定位***获得的精准定位信息和传感器采集信息；

若所述组合导航定位***获得的精准定位信息和传感器采集信息相比具有偏移，则调整所述智能农机的行走路线；否则不调整。

相对于现有技术，本发明取得了如下有益技术效果：本发明提供的适用于智能农机的组合导航定位***和方法，采用了地磁与转角传感器与 GPS/INS组合的导航方式，通过相应的信息处理，能够有效解决使用GPS 或INS定位时出现的信号丢失或干扰所导致的定位误差，以及随着智能农机连续作业时间增加所积累的定位误差导致的定位精度下降，从而实现智能农机的长时间精准导航定位以及自动偏移纠正，提高了农业生产效率。

附图说明

图1是本发明提供的组合导航定位***结构示意图。

图2是本发明提供的组合导航定位方法流程图。

图3是本发明提供的INS数据解算方法流程图。

图4是本发明较佳实施例提供的利用上述定位信息对智能农机进行纠偏的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图，对根据本发明的实施例中提供的适用于智能农机的组合导航定位***和方法进一步详细说明。

卫星导航***是利用定位卫星在全球范围内实时进行导航定位的***，除了美国研发的GPS，目前还有我国的北斗卫星导航***也是一种卫星定位***。这种***常常会受用户接收机的影响产生误差，并且在信号传播时，受使用环境影响常常会产生传播延时误差；惯性导航***是一种以牛顿力学定律为基础自主式导航***。但是这种***的定位误差会随着时间累积，因此不能独立长时间使用。

将卫星导航***与惯性导航相结合的组合导航方式能够取长补短，充分发挥上述两种导航***的优势，利用卫星导航***的长期稳定性与适中精度，来弥补惯性导航***的误差随时间传播增大的缺点，同时利用惯性导航***的短期高精度来弥补卫星导航***在受干扰时误差增大或受遮挡时丢失信号的缺点。

为了将组合导航应用于农业领域的智能农机中，发明人经研究提出了一种结合了地磁传感器与转角传感器的卫星导航***与惯性导航***的组合导航方式，通过相应的信息处理，能够有效的提高农业生产效率。

图1是本发明提供的组合导航定位***结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种适用于智能农机的组合导航定位***100，包括GPS接收机2、INS装置3、信息采集与处理装置1、传感器4。其中，GPS接收机2用于获取GPS数据；INS装置3包括用于获取智能农机行驶状态信息的加速度计31和陀螺仪32；传感器4包括用于检测智能农机行走时直线偏移程度的地磁传感器41，以及用于检测智能农机转向角大小及转动方向的转角传感器42；信息采集与处理装置1包括用于接收各种采集数据的数据采集模块11和用于导航解算的信息处理模块12，信息采集与处理装置1 可以与带有显示器的外部服务器和智能农机的自动驾驶装置相连接，以便将定位导航数据上传至服务器中供用户查看，或者供自动驾驶装置调整智能农机的行走路线。

GPS接收机2获取一定格式的定位信息，在对信息进行解包处理时，可以采用最优估计方法，例如，对GPS值采用加权平均处理方式，即通过多次对同一位置采集GPS数据后再进行取均值处理，以便减少定位误差，从而提高定位精度；另外，还可以利用转换算法对GPS数据进行坐标变换，例如，将GPS数据的经纬度转换到(X,Y)坐标系中，以便在将GPS数据上传至服务器时，更适用于电子地图的实时显示功能，便于用户查看。

INS装置3可以包括一个三轴加速度计31和一个陀螺仪32，或者三个单轴加速度计31和三个单轴陀螺仪32。在采集智能农机的三维姿态数据后，INS装置3可对数据进行导航解算，以GPS的初始测量数据作为INS 的初值，通过陀螺仪建立导航坐标系，加速度计可解算出速度与位置，从而获得经导航解算处理的位置、速度和姿态信息。

地磁传感器41安装于智能农机的前转向轮两侧以便监测农机行走的直线偏移程度以及农机的直线行走方向；转角传感器42安装于智能农机的转向轴上，以便检测农机的转动角大小和转动方向。

信息采集与处理装置1的数据采集模块11可接收由GPS接收机2发送的GPS信息、INS装置3发送的加速度计信息和陀螺仪信息以及传感器4 发送的方位角信息和转向角信息；信息处理模块12可对GPS接收机2和 INS装置3所采集的数据进行信息融合处理和滤波计算，以便输出精准的定位信息至服务器或自动驾驶设备。

其中，在服务器的地图上，精准定位信息可用来显示农机的当前状态与位置，用户可根据上述信息查看智能农机的历史轨迹与当前轨迹，并对智能农机的行走路线进行调整；自动驾驶设备可以通过比较传感器4的实时信息与GPS/INS融合后的定位信息对智能农机进行自动纠偏；另外，还可对智能农机的行驶范围进行预设，根据上述定位信息，若智能农机行驶出预设的范围时，对用户或自动驾驶设备进行信息反馈。

在本发明的一个实施例中，信息处理模块12在执行滤波计算时可以采用卡尔曼滤波或粒子滤波。其中，采用卡尔曼滤波时，需将智能农机运动的非线性模型近似为线性模型处理；采用粒子滤波时，可直接使用非线性模型。

在本发明的一个实施例中，若GPS信号受到干扰丢失或仪器故障导致 GPS接收机2不工作时，INS装置3可以单独工作并输出定位信息；类似地，若INS装置3出现故障时，GPS接收机2可以单独工作并输出定位信息。发生上述情况时，导航***100可将故障信息上报服务器以便处理，同时，由于使用单一装置进行定位所导致的精度降低，可利用传感器4所采集信息进行辅助定位。

根据本发明的另一个方面，还提供一种利用上述组合导航***100对智能农机进行导航定位的方法，图2是本发明提供的用于智能农机的组合导航定位方法流程图，如图2所示，该方法具体包括以下步骤：

S10、获取GPS数据

智能农机处于静止或刚启动状态时，利用GPS接收机2获取当前智能农机的位置信息，将获取的GPS经纬度数据经过解包和坐标变换处理之后输入至信息处理模块进行最优估计处理，将经处理的位置信息作为INS装置的初值。

在本发明的一个实施例中，对GPS数据进行最优处理时，可采集智能农机启动后尚未移动位置的时间段内的(例如启动后1min到2min)GPS 数据进行多次采集，再进行均值处理，以便减少定位误差。

S20、获取INS数据

智能农机启动后，INS装置3将开始采集智能农机的三维姿态信息，利用上述步骤S10获得的初值对INS装置3进行初始化，采用SINS算法，通过陀螺仪32建立导航坐标系，加速度计31解算出速度与位置信息，对数据进行导航解算处理，得到位置、速度、姿态信息。图3是本发明较佳实施例提供的对INS数据进行解算的方法流程图，如图3所示，其包括步骤如下：

S201、利用GPS接收机2提供的初值信息，确定智能农机的初始位置和初始速度，并确定姿态矩阵的初始值，即将INS导航平台坐标系和n系或g系的轴向对准，对实测数据和噪声数据进行初始化；

S202、利用三轴陀螺仪32测得的b系相当于i系的角速度和通过计算得到的n系相当于i系的角速度求得b系相对于n系的角速度再经微分计算b系得到n系的姿态变换矩阵可从该姿态矩阵中提取智能农机的姿态角；

S203、利用b系到n系的姿态变换矩阵把加速度计31输出的信息变换到n系，消除有害加速度(例如，智能农机相对于地球运动造成的向心加速度、地球自转产生的哥氏加速度和重力加速度)，然后经积分计算智能农机的位置和速度。类似地，可通过求解n系到e的变换矩阵(即位置矩阵)来计算智能农机的经度和纬度。

S30、融合处理GPS/INS数据

随着智能农机的移动，GPS接收机2将继续获取智能农机的位置信息，信息处理模块12可利用接收到的不断更新的GPS数据以及INS数据构建智能农机的运动模型，，进而利用该运动模型建立18阶卡尔曼滤波器或粒子滤波器，以便进行滤波迭代计算，从而对GPS数据和INS数据进行实时融合处理。

在本发明的一个实施例中，由于随着智能农机的工作时间累积，采用滤波器所产生的近似计算误差会不断增大，这就导致了滤波效果变差。为解决上述问题，发明人提出一种定时利用GPS数据对INS的解算值进行反馈校正的方法，即将智能农机的预计总运行时间分隔为若干时间段，每隔一段时间重复上述步骤S10和S20对INS装置3进行初始化，从而消除 INS装置3由于时间累积所导致的误差，例如，假设智能农机的预计总时间为60min，运行速度为5-10km/h，则可设定每隔15min对INS装置3进行一次初始化，从而持续获得精准的定位信息。

在本发明的一个实施例中，INS装置3与GPS接收机2的采集频率在通常情况下是相对一致的，若INS数据的采集频率大于GPS数据的采集频率，可在有GPS信号时进行滤波计算，以便修正INS解算值；在无GPS 信号时采用INS的解算值进行定位；在卡尔曼滤波或粒子滤波对INS解算值反馈校正后，为防止各项误差值累积，可将卡尔曼滤波或粒子滤波的状态向量置为零。

S40、输出精准的导航定位信息并调整行走路线

通过对误差估值进行校正处理，信息采集和处理装置1将获得的智能农机的精准位置、速度和姿态信息发送至服务器，用户可在服务器的地图上查看出智能农机的动态信息，例如当前运行轨迹和历史轨迹。

图4是本发明较佳实施例提供的利用上述定位信息对智能农机进行纠偏的方法流程图，如图4所示，在智能农机启动之后，作为辅助导航的地磁传感器41和转角传感器42将获得智能农机实时的行走方向和转向信息，信息采集和处理装置1可将上述传感器4所采集的实时信息与GPS/INS融合后的精准定位信息一起上传到服务器/自动驾驶设备，用户或自动驾驶设备可利用上述实时信息与精准定位信息进行比较，并根据比较结果判断智能农机实时偏移情况，例如，对于直线行走的智能农机来说，若发生左右偏移，可手动或自动修正智能农机的运行路线。

在本发明的一个实施例中，上述GPS接收机2还可替换为北斗双模接收装置。

在本发明的一个实施例中，上述智能农机包括用于播种、施肥、耕地或收割的一般智能农用机械。

尽管在上述实施例中，采用了智能农机直线行走为例对本发明提供的适用于智能农机的组合导航定位***和方法进行了举例说明，但本领域普通技术人员应理解，上述***及方法还可适用于智能农机在各种道路上的拐弯导航定位或曲线行驶导航定位等。

相对于现有技术，在本发明实施例中所提供的用于智能农机的组合导航定位***和方法，采用了地磁与转角传感器与GPS/INS组合的导航方式，通过相应的信息处理与误差反馈，能够实现智能农机的精准导航定位，提高了农业生产效率。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种用于智能农机的组合导航定位***，包括

接收机，用于获取智能农机的卫星导航***数据；

惯性导航装置，用于获取智能农机的惯性导航数据；

传感器，用于获取智能农机的直线偏移程度和转向信息；以及

信息采集与处理装置，用于接收和处理所述接收机、所述惯性导航装置和所述传感器获取的信息，并获得融合所述接收机获取的信息和所述惯性导航装置获取的信息的精准定位信息。

2.根据权利要求1所述的组合导航定位***，其特征在于，所述信息采集与处理装置包括用于接收所述接收机、所述惯性导航装置和所述传感器获取的信息的数据接收模块，以及用于融合所述接收机获取的信息和所述惯性导航装置获取的信息的信息处理模块。

3.根据权利要求2所述的组合导航定位***，其特征在于，所述信息处理模块还可用于对所述接收机获取的信息和所述惯性导航装置获取的信息进行滤波计算，并对所述惯性导航装置进行定时校准。

4.根据权利要求1所述的组合导航定位***，其特征在于，所述惯性导航装置进行解算的初值是由所述接收机获取的卫星导航数据。

5.根据权利要求1所述的组合导航定位***，其特征在于，所述接收机是GPS接收机或北斗接收机。

6.一种适用于智能农机的智能驾驶***，包括如权利要求1至5任一项所述的组合导航定位***。

7.根据权利要求6所述的智能驾驶***，其特征在于，所述智能驾驶***还包括服务器，所述信息采集和处理模块将所述精准定位信息和所述传感器获取的信息上传至服务器，用户通过所述服务器查看和比对所述信息采集和处理装置上传至服务器的所述精准定位信息和所述传感器获取的信息，手动调整所述智能农机的行驶路线。

8.根据权利要求6所述的智能驾驶***，其特征在于，所述智能驾驶***还包括自动驾驶设备，所述信息采集和处理模块将所述精准定位信息和所述传感器获取的信息上传至所述自动驾驶设备，所述自动驾驶设备通过比对所述信息采集和处理装置上传至服务器的所述精准定位信息和所述传感器获取的信息，自动调整所述智能农机的行驶路线。

9.一种采用如权利要求1至5任一项所述的组合导航定位***进行定位的方法，包括以下步骤：

获取卫星导航数据作为初值；

利用所述初值对获取的惯性导航数据进行解算并获得智能农机的运动模型；

利用所述运动模型建立滤波器，实时融合所述卫星导航数据和所述惯性导航数据并获得精准定位信息。

10.一种采用如权利要求6至8所述的智能驾驶***进行智能驾驶的方法，包括以下步骤：

比对所述组合导航定位***获得的精准定位信息和传感器采集信息；

若所述组合导航定位***获得的精准定位信息和传感器采集信息相比具有偏移，则调整所述智能农机的行走路线；否则不调整。