精准农业中车载定位系统的研究与设计

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。

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摘 要

Abstract

第1章　绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容及组织结构

第2章　相关技术介绍

2.1 GPS定位技术

2.1.1 GPS定位原理

2.1.2 GPS定位误差

2.2 惯性导航系统

2.2.1 导航系统参考坐标系

2.2.2 惯导系统原理

2.3 ZigBee技术

2.3.1 ZigBee协议栈

2.3.2 ZigBee网络拓扑结构

2.4 无线传感器网络定位技术

2.4.1 基于测距的定位方法

2.4.2 无需测距的定位方法

2.5 本章小结

第3章　农机组合导航技术研究

3.1 基于RSSI的测距

3.1.1 农田环境下无线信道传播模型

3.1.2 RSSI滤波处理

3.1.3 拟合传播模型参数

3.1.4 无线传感器网络定位测试

3.2 GPS/INS融合算法

3.2.1 GPS/INS松组合导航系统状态方程

3.2.2 GPS/INS松组合导航系统量测方程

3.2.3 仿真实验

3.3 WSN/INS融合算法

3.3.1 WSN/INS组合导航系统状态方程

3.3.2 WSN/INS组合导航系统量测方程

3.3.3 仿真实验

3.4 GPS/INS/WSN组合导航

3.4.1 联邦卡尔曼滤波

3.4.2 信息分配因子

3.4.3 仿真实验

3.5 本章小结

第4章　GPS/INS/WSN组合定位系统的设计与实现

4.1 系统需求分析及总体框图

4.2 GPS数据采集与提取

4.2.1 GPS模块选型

4.2.2 导航电文提取

4.3 惯性导航模块

4.3.1 惯性导航数据读取

4.3.2 惯性导航数据解算

4.4 ZigBee节点

4.5 无线传感器网络设计

4.5.1 软件开发平台

4.5.2 协调器节点程序设计

4.5.3 参考节点程序设计

4.5.4 移动节点程序设计

4.6 处理器电路及软件设计

4.6.1 处理器电路设计

4.6.2 组合定位系统程序流程

4.7 监控中心上位机设计

4.8 本章小结

第5章 系统测试

5.1 搭建测试环境

5.2 静态测试

5.3 运动环境下测试

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及科研成果