小微型农机用低成本定位导航系统研究

发布时间：2020-05-27 01:26

【摘要】：全世界人口增长剧烈,随之对食物和农产品的需求成倍增加。农用机械自动化、无人化是现代化农业发展的趋势,是解决需求压力的必然办法。定位导航是实现农用机械自动化、无人化的关键技术之一。目前无人化小微型农用机械迫切需要精度高、稳定可靠的低成本定位导航系统,而实现这样的系统仍然是个待解决的难题。为了解决上述问题,本文对低成本定位导航系统进行了深入研究,研究内容主要包括低成本硬件平台设计与搭建,基于多传感器数据融合的组合定位导航算法,基于航向算法改进的组合定位导航算法。主要工作完成如下:首先设计与搭建了组合导航系统的硬件平台。根据互补原理,在分析了多种传感器优缺点后,选用了惯性导航模块与卫星导航模块;从本文的初衷出发,选用了价格低廉的惯性导航模块、卫星导航模块及相应的计算模块;组装各个模块,搭建完成了系统的硬件平台。然后分析和设计了组合导航算法。根据卡尔曼滤波器原理,设计了系统模型、测量模型及各个协方差矩阵;具体包括设计GNSS与INS错误模型,建立动态系数矩阵、过程噪声矩阵以及测量矩阵。接着提出了航向算法并改进了组合导航算法。根据载体运动特点,提出了直线算法、关联算法;联合这两种算法构建了新的航向算法,仿真结果表明该算法效果良好;将航向算法输出值作为新的观测量融入到组合算法;增加了新的状态向量,设计了对应的系统方程、测量方程及协方差矩;更新和扩展了动态系数矩阵、过程噪声矩阵以及测量矩阵,设计完成了基于航向算法改进的组合定位导航算法。最后设计与实施了仿真实验与车载实验。借助开源仿真平台进行了仿真实验;设计并执行了场地车载实验。实验结果表明定位精度达到厘米级,姿态精度小于1度,至少95%的估计值处于3个标准差之内;尤其是改进后的组合导航算法,比原来的组合算法航向精度至少提高了数倍,证明了本文设计的低成本组合导航系统效果良好,具有导航参数丰富、精度高及稳定性好等优点,适用于无人化小微型农用机械。
【图文】：

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我们设计了整个定位导航系统的框架，如图 2.1 所示。基站包含的 GNSS 模块组成，移动站的传感器由 GNSS 和惯性导航（简称惯导）组成。动站通过无线传输系统通讯。图 2.1 定位导航系统硬件框架图②移动站设计移动站部分的传感器系统包含了 GNSS 模块与惯性导航模块。本系统给 GN有相应的卫星信号接收天线。此外还有承载定位导航系统解算软件模块略模块，提供通讯能力的通讯模块与相应的天线，电源模块以及为组合系护的外壳，如图 2.2 所示。GNSSGNSS+惯导基站移动站无线链路

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如图 2.3 所示。图 2.3 定位导航系统基站设计框图2.3.2 模块选取①GNSS 模块及天线GNSS 模块选用 ublox 公司生产的 M8T 模块。该模块如图 2.4 所示。该模块能够接收多种卫星系统的信号，具有同时解算多种卫星信息的能力。它能够支持北斗卫星定位导航系统，支持 GPS（美国的全球卫星定位导航系统）卫星定位导航系统，支持格洛纳斯卫星定位导航系统，也支持伽利略卫星定位导航系统。此外它还可以接收一些区域性卫星定位导航系统的信号。比如它可以接收日本的卫星定位导航系统。它能接收的全球卫星导航系统发射出的其中一种卫星信息频段。比如，对于北斗卫星定位导航系统来说，它可以接收北斗卫星 B1 频段信号；对于美国的全球卫星定位导航系统来说，，它可以接收 L1 C/A 信号。这些信号频段都是针对民用设计的频段。目前使用这些民用频段也都能到达到很好定位效果，这得益于现在各个国家对卫星定位导航系统的重视与支持。图 2.4 卫星定位模块展示
【学位授予单位】：重庆师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN96;S220

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