一种基于UWB的农业机械田间定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于UWB的农业机械田间定位系统及方法，系统包括若干个固定于定位田块边缘的UWB定位基站，以及安装于作业机械上的UWB定位标签、IMU惯性测量单元和终端处理器；UWB定位基站作为定位参考点，数量不少于3个；UWB定位标签安装于作业机械顶部，与各个UWB定位基站进行无线通信，分别测量出UWB定位标签与各UWB定位基站的距离，将所测量出的距离信息发送至终端处理器；IMU惯性测量单元用于采集作业机械的实时姿态信息，并发送至终端处理器；终端处理器用于根据接收的距离信息和实时姿态信息进行位置解算和校正，得到作业机械稳定的位置信息。本发明专利技术定位成本低、精度高且受外界干扰小，适用于各种农业机械的田间定位，具有实用推广价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB的农业机械田间定位系统及方法
本专利技术涉及农业机械田间定位
，具体涉及一种基于UWB的农业机械田间定位系统及方法。
技术介绍
自动驾驶是农业机械自动化、智能化发展的最终方向，农机自动驾驶技术是智慧农业的重要组成部分。目前，农机自动驾驶技术中常用的定位方式包括GNSS定位、机器视觉定位和惯性导航定位等。GNSS定位能够实现户外高精度定位，定位精度可达厘米级，但其应用成本太高，且易受外界环境(天气、地形等)影响；机器视觉定位应用场景较为受限，需提取有效定位特征；惯性导航定位成本较低，但定位误差随时间累加，定位效果不佳。如何降低成本、提高定位精度是农业机械自动驾驶技术广泛应用亟需解决的关键问题。近年来，随着无线定位技术的快速发展，UWB(Ultra-Wide-band)超宽带无载波通信技术日趋成熟，其通信距离和定位精度不断提高，并具备成本低、定位精度高、受外界干扰小等特点，逐渐展现了UWB在室外定位的应用潜能。UWB定位技术对农业机械的田间定位，尤其是对南方中小型田块农业机械的田间定位，拥有广阔的应用前景。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题和不足，本专利技术提供了一种基于UWB的农业机械田间定位系统及方法，通过较低的成本投入，实现对田间作业区域内农业机械的精确定位。为了实现上述任务，本专利技术采用如下技术方案：一种基于UWB的农业机械田间定位系统，包括若干个固定于定位田块边缘的UWB定位基站，以及安装于作业机械上的UWB定位标签、IMU惯性测量单元和终端处理器；所述UWB定位基站作为定位参考点，UWB定位基站的数量不少于3个且不布设在同一条直线上；所述UWB定位标签安装于作业机械顶部，用于通过与各个所述UWB定位基站进行无线通信，以分别测量出UWB定位标签与各UWB定位基站的距离，并将所测量出的距离信息发送至所述终端处理器；所述IMU惯性测量单元用于采集作业机械的实时姿态信息，并将所采集的实时姿态信息发送至终端处理器；所述终端处理器用于根据接收的距离信息和实时姿态信息进行位置解算和校正，得到作业机械稳定的位置信息。进一步地，所述的UWB定位基站保持相同水平高度，垂直地面安装，安装高度大于作业机械在田块内作业时车身的最大高度；其中两个UWB定位基站分别安装于定位田块最长边的两端处，其余UWB定位基站沿定位田块边缘均匀分布；根据所述UWB定位基站的位置分布，建立田块定位坐标系。进一步地，所述的田块定位坐标系的建立过程为：面向定位田块中心，以所述定位田块最长边其中一端的UWB定位基站的中心作为定位坐标系的原点，所述定位田块最长边两端的UWB定位基站的连线为X轴，以定位田块所在侧为X轴正方向；在水平面内过原点垂直于X轴方向作为Y轴，以过原点垂直于水平面竖直向上为Z轴，建立空间直角坐标系作为田块定位坐标系。进一步地，所述的UWB定位标签位于作业机械顶部的左右对称轴线上，通过与各UWB定位基站进行无线通信互发数据包，利用双边双向测距法测量UWB定位标签与各UWB定位基站的距离。进一步地，所述的IMU惯性测量单元包括加速度计、磁力计和陀螺仪，水平安装于作业机械上，根据测量的三维加速度和角速度融合解算得到作业机械的欧拉角及姿态，以作为所述实时姿态信息。进一步地，所述的终端处理器根据接收的所述距离信息，利用定位算法解算出UWB定位标签的三维位置坐标；利用所述实时姿态信息对所述解算出的三维位置坐标进行位置校正，并对所述校正后的位置坐标进行数据平滑处理，得到作业机械稳定的位置坐标。进一步地，所述的定位算法包括：默认各UWB定位基站的高度所在平面为Z轴的零平面，根据UWB定位标签与UWB定位基站的距离公式得到多边定位方程组：式中，x、y、z为UWB定位标签的三维位置坐标，xi、yi(i＝1,2,…,n)为UWB定位基站i的二维位置坐标，n为UWB定位基站的数量；di为UWB定位标签到UWB定位基站i的直线距离；消去z，得到二维定位矩阵方程：式中系数矩阵记为A，常数阵记为β；利用最小二乘法解算出二维坐标信息(x,y)：再将所述二维坐标信息代入方程组(1)中，默认z坐标为负，解得方程组(1)中各方程z坐标并取均值，得到UWB定位标签的三维位置坐标。进一步地，所述的位置校正用于校正因UWB定位标签的安装位置与作业机械的重心位置不重合所带来的位置偏差，以及因作业田块的地势不平，导致作业机械车身倾斜产生横滚角及位置偏差、俯仰角及位置偏差；所述位置校正包括：初始位置校正：根据UWB定位标签的安装高度、与作业机械重心的纵向位置距离，对位置坐标进行校正：式中，x、y、z为校正后作业机械的位置坐标，x0、y0、z0为测量的UWB定位标签的位置坐标，L为作业机械的重心与UWB定位标签的纵向位置距离，H为UWB定位标签的安装高度；横滚角校正：根据UWB定位标签的安装高度、与作业机械重心的纵向位置距离、车身航偏角及车身横滚角，对位置坐标进行校正：式中，α为车身横滚角，γ为车身航偏角；俯仰角校正：根据UWB定位标签的安装高度、与作业机械重心的纵向位置距离、车身航偏角及车身俯仰角，对位置坐标进行校正：当俯仰角β>0时，当俯仰角β<0时，进一步地，所述的数据平滑处理是利用算术平均值滤波器或卡尔曼滤波器对校正后输出的位置信息进行平滑处理。本专利技术的另一方面，提供一种基于UWB的农业机械田间定位方法，包括以下步骤：S1，在定位田块边缘布置N个UWB定位基站，N≥3，并建立田块定位坐标系；S2，将UWB定位标签安装于作业机械顶部，并在作业机械上安装IMU惯性测量单元和终端处理器；通过与各个所述UWB定位基站进行无线通信，分别测量出UWB定位标签与各UWB定位基站的距离，并将所测量的距离信息发送至终端处理器；S3，终端处理器根据接收的所述距离信息，利用定位算法解算出UWB定位标签的三维位置坐标；S4，IMU惯性测量单元测量出作业机械车身欧拉角及姿态，并将所测量的实时姿态信息发送至终端处理器；S5，终端处理器根据所述作业机身欧拉角及姿态对解算出的三维位置坐标进行位置校正；S6，终端处理器对所述校正后的位置坐标进行数据平滑处理，得到作业机械稳定的位置坐标信息。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术特点：1.本专利技术通过UWB无线定位技术实现农业机械的田间定位，能够克服GNSS定位和机器视觉定位的缺点，具有定位精度高、受外界因素干扰小且价格低等优点，对农业机械田间作业的定位具有普适性。2.本专利技术通过IMU传感器测量作业机械的实时姿态信息，利用姿态信息对UWB定位系统获取的位置信息进行校正；在复杂的水田环境作业时，仍能得到作业机械的高精度位置信息和姿态信息。附图说明图1是本专利技术的系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于UWB的农业机械田间定位系统，其特征在于，包括若干个固定于定位田块边缘的UWB定位基站，以及安装于作业机械上的UWB定位标签、IMU惯性测量单元和终端处理器；/n所述UWB定位基站作为定位参考点，UWB定位基站的数量不少于3个且不布设在同一条直线上；/n所述UWB定位标签安装于作业机械顶部，用于通过与各个所述UWB定位基站进行无线通信，以分别测量出UWB定位标签与各UWB定位基站的距离，并将所测量出的距离信息发送至所述终端处理器；/n所述IMU惯性测量单元用于采集作业机械的实时姿态信息，并将所采集的实时姿态信息发送至终端处理器；/n所述终端处理器用于根据接收的距离信息和实时姿态信息进行位置解算和校正，得到作业机械稳定的位置信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB的农业机械田间定位系统，其特征在于，包括若干个固定于定位田块边缘的UWB定位基站，以及安装于作业机械上的UWB定位标签、IMU惯性测量单元和终端处理器；
所述UWB定位基站作为定位参考点，UWB定位基站的数量不少于3个且不布设在同一条直线上；
所述UWB定位标签安装于作业机械顶部，用于通过与各个所述UWB定位基站进行无线通信，以分别测量出UWB定位标签与各UWB定位基站的距离，并将所测量出的距离信息发送至所述终端处理器；
所述IMU惯性测量单元用于采集作业机械的实时姿态信息，并将所采集的实时姿态信息发送至终端处理器；
所述终端处理器用于根据接收的距离信息和实时姿态信息进行位置解算和校正，得到作业机械稳定的位置信息。


2.根据权利要求1所述的基于UWB的农业机械田间定位系统，其特征在于，所述的UWB定位基站保持相同水平高度，垂直地面安装，安装高度大于作业机械在田块内作业时车身的最大高度；其中两个UWB定位基站分别安装于定位田块最长边的两端处，其余UWB定位基站沿定位田块边缘均匀分布；根据所述UWB定位基站的位置分布，建立田块定位坐标系。


3.根据权利要求2所述的基于UWB的农业机械田间定位系统，其特征在于，所述的田块定位坐标系的建立过程为：
面向定位田块中心，以所述定位田块最长边其中一端的UWB定位基站的中心作为定位坐标系的原点，所述定位田块最长边两端的UWB定位基站的连线为X轴，以定位田块所在侧为X轴正方向；在水平面内过原点垂直于X轴方向作为Y轴，以过原点垂直于水平面竖直向上为Z轴，建立空间直角坐标系作为田块定位坐标系。


4.根据权利要求1所述的基于UWB的农业机械田间定位系统，其特征在于，所述的UWB定位标签位于作业机械顶部的左右对称轴线上，通过与各UWB定位基站进行无线通信互发数据包，利用双边双向测距法测量UWB定位标签与各UWB定位基站的距离。


5.根据权利要求1所述的基于UWB的农业机械田间定位系统，其特征在于，所述的IMU惯性测量单元包括加速度计、磁力计和陀螺仪，水平安装于作业机械上，根据测量的三维加速度和角速度融合解算得到作业机械的欧拉角及姿态，以作为所述实时姿态信息。


6.根据权利要求1所述的基于UWB的农业机械田间定位系统，其特征在于，所述的终端处理器根据接收的所述距离信息，利用定位算法解算出UWB定位标签的三维位置坐标；利用所述实时姿态信息对所述解算出的三维位置坐标进行位置校正，并对所述校正后的位置坐标进行数据平滑处理，得到作业机械稳定的位置坐标。


7.根据权利要求6所述的基于UWB的农业机械田间定位系统，其特征在于，所述的定位算法包括：
默认各UWB定位基站的高度所在平面为Z轴的零平面，根据UWB定位标签与UWB定位基站的距离公式得到多边定位方程组：



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【专利技术属性】
技术研发人员：马旭，肖荣浩，李宏伟，温志成，曹秀龙，魏宇豪，王曦成，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44