割草机器人工作原理及试验研究——基于GPS/DR组合导航系统

贺 涛，肖 勇

(四川水利职业技术学院 信息工程系，四川 宜宾 611231)



割草机器人工作原理及试验研究
——基于GPS/DR组合导航系统

贺 涛，肖 勇

(四川水利职业技术学院 信息工程系，四川 宜宾 611231)

随着国民经济不断发展，我国人民生活水平不断提升，多种人工作业逐渐被机器所取代。GPS/DR组合导航系统能够有效提升割草机器人定位精度，克服传统割草机器人固有弊端，提高工作效率。为此，对GPS/DR组合导航系统原理展开了分析，进行了GPS/DR组合导航系统割草机器人研究，并进行了相关试验研究，验证了GPS/DR组合导航系统割草机器人相对于传统割草机器人的优势。

割草机器人；GPS/DR组合导航系统；试验研究

0 引言

智能机器人已经开始逐渐渗入到人们的生活中，代替人力作业提高各种工作效率，割草机器人就是其中一种。割草机器人在其他硬件方便并不存在技术难题，研究重点是如何实现其准确定位。传统割草机器人大多采用电缆在指定区域围绕出工作范围，并通过电涡流传感器方式对其进行导航，存在导航精度不足、工作范围比较固定及智能化较低的问题。基于此，出现了以GPS/DR组合导航系统为平台的割草机器人。本文运用GPS/DR组合导航系统建立相关模型，详细阐述了GPS/DR组合导航系统工作原理，并结合卡尔曼滤波等相关知识论证割草机器人可靠性，为割草机器人发展提供新思路。

1 GPS/DR 组合导航系统及原理

1.1 GPS/DR 组合导航系统

GPS是全球定位系统(Global Positioning System)的英文简称。GPS接收装置是离散型传感器，能够有效感应位置、运动轨迹和速度。GPS是当前常用的导航系统，应用广泛；但在使用过程中，GPS信号容易中断，会出现接受装置信号丢失状况。若单独适应GPS作为导航系统，容易受到外界干扰，建筑物的遮挡、天气不好、外界电磁信号干扰等都会造成GPS信号中断。因此，需要借助其他传感设备与GPS设备相互配合使用，克服GPS信号不稳定状况。DR(数字罗盘)是另一种定位系统，信号稳定，能在恶劣环境中保持其可靠性；DR的缺点是定位精度存在问题，因此需要另一种定位系统辅助提升精度。因此，GPS/ DR组合导航系统诞生了。

GPS/DR组合导航系统从根本上克服各自作为导航传感器存在的弊端，二者组合使用性能超过其他定位传感系统，起到1+1>2的效果。当GPS因为环境因素导致信号丢失时，DR系统便会接替导航，保证导航工作不中断；当DR系统定位精度出现偏差时，可使用GPS对其定位进行系统校正。GPS/DR组合导航系统真正实现导航系统互补原则，两种导航系统完美兼容，相辅相成。不仅如此，GPS/DR组合导航系统在使用过程不仅能够扬长补短，还能够实现优势最大化。例如，GPS/DR组合导航系统使用过程中，DR系统能够在一定程度上提高GPS系统对位置的定位精度。

1.2 GPS导航原理

GPS主要由卫星、地面支持系统及地面接收系统组成。GPS接收机根据卫星发送的信号进行定位，在卫星能够覆盖的地区皆可进行定位。GPS定位系统主要有单点定位方式和差分定位方式两种：单点定位方式原理为通过卫星和接收装置间直线距离，在定位时以此时卫星瞬时位置为基准确定定位点具体位置。导航时，GPS信号往往受到环境因素影响，因此在进行高精度导航时往往误差较大，因此难以将高精度载波运用到割草机器人定位中，一般采用普通导航方式，即码伪距定位原理，如图1所示。接收器在定位时需要同时受到4颗及以上卫星发射的信号才能够进行位置准确计算。

图1 码伪距定位原理图

码伪距定位的优点：仅需要1台接受装置即可完成定位工作，实施起来简单易行；自带数据处理系统能够对数据进行初步处理，用户可根据显示了解相关信息。其缺点是信号稳定性较差，容易受环境影响造成误差。

差分GPS系统在地面设置接收站，并通卫星进行信号连接。信息主要从GPS基准站发出，根据其发射方式差异可将差分GPS分为位置、伪距、相位及相位平滑伪距4类，这4类仅仅发射信号方式不同，就原理而言是一样的。基站接受相关信号数据并与实际位置进行差分处理，计算出误差值，使同一时刻被监测载体得到的数据与基站计算出的误差结果吻合，得出结果后，基站将相关信息发送至载体，载体将误差值进行差分，得出较为精确的结果，反馈到基站。其工作原理图如图2所示。

图2 传统差分原理图

1.3 DR导航的原理

DR导航是一种基于航位推算法的定位技术，航位推算法主要根据航向及传感器感应距离方位的组合矢量得到载体相关位置信息，如图3所示。

图3 载体的位置信息坐标图

由图3可得：xk=x0+∑Sicosθi, yk=y0+∑Sisinθi。其中，(x0,y0)为起始位置，Si、θi分别为某段时间绝对位移长度及航向。

2 GPS/DR组合导航系统卡尔受滤波模型

GPS/DR组合导航系统的信号是波的一种，需要进行滤波，传统割草机器人不仅活动范围受到拘束，其信号稳定性常受到其他波的干扰。GPS/DR组合导航系统采用滤波改进方案就是利用辅助设备(滤波器)进行误差确认。将状态初始值设置为0，则状态估计值误差此刻等同于状态误差，一般将其命名为状态矢量。实际操作过程中，可周期性输入相关数据进行误差修正，并定期重置初始值为0，将变量降到最小，以此降低误差。进行滤波计算时，可将矩阵元设置为0，以达到误差最小化。为有效观测整个过程，可通过建立卡尔曼滤波过程工作模型。首先，需要建立载体方程，取其状态变量为X=[eveaenvnanεψ]。其中，e为东位置分量；n为北位置分量；ve为东速度分量；vn为北速度分量；ae为东加速度分量；an为北加速度分量；ε为误差，ψ为里程计标定示数。

X=[e veaen vnanε ψ]T

则统计模型为X=FX+U+W(t)。系统矩阵方程为

其中，Wxx为各分量的高斯白噪声；Tne/Tnn为载体加速度变化率条件下预设时间常数；Tε为一阶马尔可夫过程的相关时间常数。

基于此矩阵即可建立系统量测方程，在此之前需预设几个相关量。用经纬度表示GPS接收机位置，经度为eobs(B)，纬度为nobs(L)；DR显示载体航向为θ；行进距离为S。因此，可得观测矢量Z=[eobsnobsθS]，观测方程为eobs=e+v1，nobs=θ+v2，θ=arctan(ve/vn)+ε+εθ,s=S=ΨtSQR(ve2+vn2)+εs。由此可得

Z(t)=h[tX(t)]+V(t)

观测线性方程需将其离散，则有

Z(k)=h[k， X(k)]+V(k)

结合相关条件展开为泰勒级数，可得

在以上几个方程基础上，可拓展自适应卡尔曼滤波方程。设Q(k)为噪声协方差矩阵Q离散形式，R为协方差矩阵，则

3 试验验证

为验证GPS/DR组合导航系统有效性，通过试验对其进行验证。为保证机器人在割草中平稳行进，采用双道履带作为行走装置，动力采用两台伺服马达，马达由PWM信号控制。机器人配备微型计算机等设备，并采用LP3300 型数字罗盘组合Ag GPS132 GPS接收机，组成GPS/DR组合导航系统。该系统通过串口连接在机器人主机控制主板上，机器人主要控制程序通过C++编写，主要程序存于机器人主机内。

试验场地选取在一空旷草地上，方向选为朝北30°，机器人速度设置为0.1m/s。试验后对相关数据进行收集整理，绘制成轴线图,如图4～图9所示。

图4 北向位置估计误差

图5 北向速度估计误差

图6 东向位置估计误差

图7 东向速度估计误差

图8 北向位置推算

图9 东向位置推算

实际验证过程中，需将GPS接收器及数字罗盘接口断开，以此作为对比项。试验表明：GPS/DR组合导航系统相对于GPS或DR单个导航系统在精度、信号强度、稳定性等各方面性能都得到显著提升。

4 结论

GPS定位技术是当前较为常用的导航技术，应用前景广泛，为克服GPS定位技术固有弊端必须采用其他导航感应系统作为辅助导航资源。通过组合导航系统，能够将各个子导航系统科学组织，取长补短，克服单一定位系统存在的缺点。本文通过数学建模进行理论研究，结合实际验证表明：GPS/DR组合导航系统能够有效克服传统割草机器人的不足之处，提高工作效率，促进智能化农业的发展。

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Robot Mower Working Principle and Experimental Research——Based on the GPS/DR Integrated Navigation System

He Tao, Xiao Yong

(Department of Information Engineering, Sichuan Water Conservancy Vocational College, Yibin 611231，China)

With the continuous development of the national economy, the people's living standards continue to improve, a variety of that the operation mode is gradually replaced by the machine.The 21st century is the era of intelligent, mowing also need to intelligent robot replace traditional manual work mowing robot requires the is quite intelligent.Automatic positioning and navigation system is required. GPS/DR integrated navigation system can effectively improve the positioning accuracy of mowing robot, to overcome the inherent drawbacks of traditional robot lawn mower, let the mowing robot can effectively serve the people. The GPS/DR integrated navigation system principle analysis and carry on the research for GPS/DR integrated navigation system for Robot Mower, develop the correlation experimental study and verification of GPS/DR integrated navigation system for Robot Mower with respect to the advantages of traditional robot lawn mower.

robot mower； GPS/DR integrated navigation system; experimental study

2016-06-07

国家自然科学基金项目(51175515)

贺 涛(1977-)，女，四川宜宾人，讲师，(E-mail)hetao06051@163.com。

S817.11+1；TP242

A

1003-188X(2017)08-0191-04