精准农业中车载定位系统的研究与设计

发布时间：2020-08-09 08:32

【摘要】：中国农业的发展经历了传统作业到机械作业的转化。目前虽然农机自动化程度仍然不高,但是未来自动驾驶的时代一定会来临。要实现农机自动驾驶首先要解决的就是定位导航问题,农业机械的定位导航与城市车辆的定位导航是有区别的。城市环境导航定位的优势是有精确的道路地图匹配,能够对定位结果进行修正;农田环境则一般无法进行地图匹配修正。未来的农机自动驾驶必然是伴随着精准农业共同建立的,精准农业中通常利用无线传感器网络来实时收集农田及作物信息,无线传感器网络同时也为农机的精确定位导航提供了另一种可能。对于农机定位问题,采用RTK-GPS技术是目前已有解决方案中采用最普遍的。这种技术是观测的卫星载波相位,定位精度极高,但需设立基站以及售价很高使得其难以大力推广。为此,本文对精准农业中的车载定位系统进行研究,设计实现了成本较低、精度较高的GPS/INS/WSN组合定位系统。首先,研究了常用的无线传感器网络定位技术,包括基于测距的定位方法和无需测距的定位方法,分析了各自的优缺点后,考虑到在本文的应用场景下对算法的复杂度、定位精度以及硬件设备的要求,选择了基于RSSI的测距方法为本文的组合定位系统进行融合。其次,研究了农田环境下无线信号的传播损耗模型,根据在类似农田环境下的实测RSSI值拟合出无线信号的传播路径损耗参数。针对接收到的RSSI值波动问题,本文采用高斯滤波方法进行滤波处理,然后利用拟合出的路径损耗参数进行无线传感器网络定位测试,测试结果表明无线传感器网络具有较好的定位性能。然后,利用matlab软件对GPS/INS/WSN组合导航性能进行仿真,作为对比,分别对GPS/INS组合导航系统、WSN/INS组合导航系统以及GPS/INS/WSN组合导航系统进行仿真。GPS/INS/WSN组合导航系统以INS为参考系统,建立联邦卡尔曼滤波进行融合。仿真结果表明,GPS/INS/WSN组合导航系统比单一的GPS/INS以及WSN/INS组合导航系统性能更好。最后,基于GPS/INS/WSN组合定位系统的需求分析,设计实现了一套GPS/INS/WSN车载定位系统,包括系统的硬件设计、ARM程序设计以及ZigBee模块的软件开发,用C++设计实现了上位机程序来对车载定位系统进行监控。系统的测试结果表明,本文设计的组合定位系统能够提高农机定位精度,满足农机精确定位需求。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S22;TP212.9;TN929.5
【图文】：

基本原理,导航卫星,卫星

位技术介绍 GPS 定位系统的原理以及误差来源。位原理球定位系统）由美国军方发起，旨在为美国军队提供全天58 年启动，经过 6 年的研究正式投入使用。后来又经过不断全部 24 颗 GPS 导航卫星的发送部署，全球覆盖率也达到系统的基本原理是同时测量多颗导航卫星到用户接收机之位置信息以及多颗卫星到接收机的距离就可以算出接收机如图 2-1 所示。卫星的实时位置是可以在卫星星历中查到用速度乘以时间得到的，信号传播速度为光速，时间为测的时间同步，因此需要额外的一颗卫星，也就是说 GPS 定够同时接收到至少 4 颗卫星。

协议体系结构,接入点

西南交通大学硕士研究生学位论文第 10页的协议栈 Z-Stack，Z-Stack 完整实现了 ZigBee 协议，符合 ZigBee 规范。ZigBee 协议是由层构成的，各个层都有不同职责，每一层为其上层提供特定的服务，这些服务接入点由接口完成，服务接入点又是通过服务原语来完成的。ZigBee 协议的体系结构如图 2-2 所示：

网络拓扑结构图,网络拓扑结构,定位方法

图 2-3 网络拓扑结构星状网络结构最简单，由一个协调器和多个终端设备组成，通讯网络只存在协调器与终端设备之间。树状网络由一个协调器加上多个星状结构组合而成，各个设备只能同自己的父节点或子节点进行通信，与其他节点进行通信需要在树状路由上进行消息转发。网状网络是在树状网络的基础上发展而来，不同于树状网络，网状网络中所有具有路由功能的节点都直接进行互连。该结构消息传输速率高、可靠性强，但存储空间开销较大。2.4 无线传感器网络定位技术根据定位形式可以将无线传感器网络定位技术分为两种：基于测距的定位方法和无需测距的定位方法[29]。基于测距的定位方法是通过测量盲节点到锚节点之间的距离或者角度来对盲节点进行定位；而无需测距的定位方法则是直接根据网络连通性来计算盲节点的位置。

【参考文献】