用于自行走农机的认知无线精准定位系统及其控制方法与流程

本发明属于农机无线定位系统领域，尤其是一种不受天气影响、能够提高定位准确度的用于自行走农机的认知无线精准定位系统。

背景技术：

目前农机都是采用卫星定位，达不到小地块精度要求，不适于我国广大耕地的使用。同时卫星定位受到天气影响。同时因为卫星定位信号受到建筑物隔挡，也无法在大棚内使用。因此目前还没有专门适于自动驾驶农业机器人和自行走农机的认知无线精准定位系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种不受天气影响、能够提高定位准确度的用于自行走农机的认知无线精准定位系统。

本发明的技术方案是：用于自行走农机的认知无线精准定位系统，包括自行走农机(1)，其特征是在自行走农机(1)上设置有具有无线通讯单元的嵌入式服务器，即机器人无线定位节点(n)；在自行走农机(1)的周围设置有具有收信(rx)和发射(tx)功能的第一无线定位节点(n1)、第二无线定位节点(n2)和第三无线定位节点(n3)；所述无线定位节点都具有嵌入式微处理机进行无线通讯运行控制。

所述第一无线定位节点(n1)、第二无线定位节点(n2)和第三无线定位节点(n3)均设置于2米高的发射和接收杆上。

所述机器人无线定位节点(n)由具有64比特的risc微处理器(2)和无线通讯模块(10)组成，所述risc微处理器(2)和无线通讯模块(10)通过spi接口(3)连接，所述risc微处理器(2)具有gpu(graphicsprocessingunit)。

所述第一无线定位节点(n1)、第二无线定位节点(n2)和第三无线定位节点(n3)均由32比特risc微处理器(12)和无线通讯模块(20)组成，所述32比特risc微处理器(12)和无线通讯模块(20)通过spi接口(13)连接。

用于自行走农机的认知无线精准定位系统的控制方法，其特征是包括下列步骤：

(1)布放布放第一无线定位节点(n1)、第二无线定位节点(n2)和第三无线定位节点(n3)；

(2)根据maxwellequation的电磁方程式，采用数据插值法根据信号衰减强度计算点到点距离；

(3)开启认知无线通讯各个节点间的点呼，在此基础上，按照数学模型和通讯实测数据，进行信号衰减和距离关联的理论计算；

(4)进行定位计算；

(5)回到第二步继续计算或者根据指令完成定位计算。

所述步骤(1)中布放第一无线定位节点(n1)、第二无线定位节点(n2)和第三无线定位节点(n3)的原则如下：

(1)选择最佳工作场地中的最长边界线l：该边界线l选择原则如下，首先观察场地左手边的所有可能的边界线集合{lj|j＝1,2,…,k}，从此集合中选出边界线集合中的最长边；

(2)在选择出的最长边界线两端布放第一无线定位节点(n1)节点和第二无线定位节点(n2)，然后以这两个节点为基础形成(x,y)二维坐标系的y‐axis轴；

(3)在步骤(2)选择的基础上，选择第三无线定位节点(n3)，在距离第一无线定位节点(n1)和第二无线定位节点(n2)最远的边界上，定义x‐axis轴为穿过第三无线定位节点(n3)并与y‐axis轴正交的直线；x‐axis轴的定义原则是右手坐标系，从x‐axis到y‐axis的矢量叉积产生的z‐axis坐标是从工作平面指向上方。

所述步骤(2)中，根据maxwellequation的电磁方程式，电磁在大气环境中传播的衰减公式如下

20log(d)+20log(f)‐147.55

根据该公式建立传播信号衰减与距离信号频率对应表，根据此对应表，采用数据插值法根据信号衰减强度计算点到点距离。

所述步骤(3)中，开启认知无线通讯各个节点间的点呼，每个点呼叫即为无线通讯“握手”呼叫，这个呼叫的主要目的是建立各个节点的无线通讯；在无线通讯建立后，根据认知无线通讯的算法对以下13个通讯参数进行选择，实现优化通讯，这13个参数可根据通讯质量动态选择如下：

(1)通讯频段fbw:frequencyband(低频段525mhz以下,高频段以上)；

(2)工作频道wfr:workingfrequencyrange；

(3)通讯带宽bwd:bandwidth；

(4)码流速率cdr:codingrate(bitratesettings)；

(5)扩频参数spd:spreadingfactor；

(6)跳频扩频参数fhss:frequencyhoppingspreadspectrum；

(7)crc验错纠错编码:errorcorrectionanddetectionbasedtechnique；

(8)寻址通讯adr:addressbasedcommunication；

(9)扰码(白化)处理scr:scrambling；

(10)信标通讯模式bcn:beacontxmode；

(11)发射功率pwr:txpower；

(12)接收信号相对强度指标rssi:relativesignalstrengthindicator；

(13)信道滤波cnl:channelfilter.

将这13个参数根据无线通讯系统运算的时间和耗能，建立如下调整使用顺序分类为6大类别，即：

第一类：功率及滤波相关类：

(11)发射功率pwr:txpower；

(13)信道滤波cnl:channelfilter.

第二类：编码相关类：

(4)码流速率cdr:codingrate(bitratesettings)；

(7)crc验错纠错编码:errorcorrectionanddetectionbasedtechnique；

(9)扰码(白化)处理scr:scrambling；

第三类：扩频、调频相关类：

(5)扩频参数spd:spreadingfactor；

(6)跳频扩频参数fhss:frequencyhoppingspreadspectrum；

第四类：信标、寻址类：

(8)寻址通讯adr:addressbasedcommunication；

(10)信标通讯模式bcn:beacontxmode；

第五类：通讯频段、频道、带宽相关调整变化类:

(1)通讯频段fbw:frequencyband(低频段525mhz以下,高频段以上)；

(2)工作频道wfr:workingfrequencyrange；

(3)通讯带宽bwd:bandwidth；

第六类：其他：

(12)接收信号相对强度指标rssi:relativesignalstrengthindicator；

认知通讯的优化通讯采用按照类别进行，首先采取调整第一类通讯参数的方式，如果达到优化通讯目标，则停止调整，否则，进入下个类别进行参数调整，直至在相关的类别中达到满意的通讯质量标准要求；选择原则为：首先选择第一类参数，其次调整第二类参数，以此类推，最后调整第五类参数，从而达到通讯目标函数设定的“信心阈值”范围，实现认知无线通讯优化。

所述步骤(3)中，第一无线定位节点(n1)、第二无线定位节点(n2)和第三无线定位节点(n3)的无线ping程序与机器人无线定位节点(n)分别根据maxwellequation和插值法建立对应3个对应距离r1、r2和r3；其中，r1对应第一无线定位(n1)到机器人无线定位节点(n)的距离，r2对应第二无线定位定位节点(n2)到机器人无线定位节点(n)的距离,r3对应第三无线定(n3)到机器人无线定位节点(n)的距离，在此基础上，三个距离按照方程如下计算：

r1^2＝(x‐x1)^2+(y‐y1)^2…(1)

r2^2＝(x‐x2)^2+(y‐y2)^2…(2)

r3^2＝(x‐x3)^2+(y‐y3)^2…(3)

在以上距离方程的基础上，将(1)到(3)建立连立方程，即运行机器人(节点n)同时满足3个对应距离r1,r2,r3，并以此联立方程为基础建立如下目标函数。

e＝[r1^2‐(x‐x1)^2+(y‐y1)^2]+[r2^2‐(x‐x2)^2+(y‐y2)^2]+[r3^2‐(x‐x3)^2+(y‐y3)^2](4)

对目标函数(4)的变量x和y分别求偏导数，并令其为0，得到如下2个方程：

(x‐x1){r1^2‐[(x‐x1)^2+(y‐y1)^2]}+alpha*(x‐x2){r2^2‐[(x‐x2^2+(y‐y2^2]}+beta*(x‐x3){r3^2‐[(x‐x3^2+(y‐y3^2]}＝0…(5)

(y‐y1){r1^2‐[(x‐x1)^2+(y‐y1)^2]}+alpha*(y‐y2){r2^2‐[(x‐x2^2+(y‐y2^2]}

+beta*(y‐y3){r3^2‐[(x‐x3^2+(y‐y3^2]}＝0

…(6)

对以上方程式求解x和y,得到运行机器人节点n位置。

本发明的效果是：用于自行走农机的认知无线精准定位系统，包括2个主要部分，第一部分为置于运行农业机器人上的具有无线通讯单元的嵌入式服务器，即无线定位中的节点n。第二部分为3个设计一样的具有收信(rx)和发射(tx)功能的无线定位节点n1,n2和n3。每个无线定位节点都具有嵌入式微处理机进行无线通讯运行控制，并且为减少地面反射造成的无线电波多路径衰减(multi-pathfading)，每个节点都置于2米高的发射和接收杆上。三个无线定位节点n1,n2和n3启动后与机器人节点n进行点对点呼叫建立通讯。在车载嵌入式服务器系统认知无线通讯算法管理下，进入优化无线通讯状态，根据电磁方程(maxwellequation)和插值法，采用牛顿拉夫逊法(newton-ralfson)迭代算法，对目标函数极值求解，从而获得对置于运行农业机器人上的无线通讯节点n的精准定位。本装置特别适于在野外、开阔农田面和大棚内的环境下使用。

下面结合附图和实施例

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为机器人无线定位节点系统框图；

图3为第一无线定位节点、第二无线定位节点和第三无线定位节点系统框图；

图4为第一无线定位节点、第二无线定位节点和第三无线定位节点结构示意图；

图5为本发明工作流程图；

图6为第一无线定位节点、第二无线定位节点和第三无线定位节点布放图；

图7为和第三无线定位节点位置选择示意图；

图8为采用无线通讯方法定位示意图。

具体实施方式

图1中，用于自行走农机的认知无线精准定位系统，包括自行走农机1，在自行走农机1上设置有具有无线通讯单元的嵌入式服务器，即机器人无线定位节点n；在自行走农机1的周围设置有具有收信(rx)和发射(tx)功能的第一无线定位节点n1、第二无线定位节点(n2和第三无线定位节点n3；无线定位节点都具有嵌入式微处理机进行无线通讯运行控制。

图2中，机器人无线定位节点n由具有64比特的risc微处理器2和无线通讯模块10组成，所述risc微处理器2和无线通讯模块10通过spi接口3连接，所述risc微处理器2具有gpu(graphicsprocessingunit)。6为低频段天线接口，7为低频段天线，8为高频段天线接口，9为高频段天线。

图3中，所述第一无线定位节点n1、第二无线定位节点n2和第三无线定位节点n3均由32比特risc微处理器12和无线通讯模块20组成，所述32比特risc微处理器12和无线通讯模块20通过spi接口13连接。16为低频段天线接口，17为低频段天线，18为高频段天线接口，19为高频段天线。

图4中，第一无线定位节点n1、第二无线定位节点n2和第三无线定位节点n3均设置于2米高的发射和接收杆上，能够减少地面反射造成的无线电波多路径衰减(multi-pathfading)，图中21为2米高的发射和接收杆，22为无线定位节点，23为低频段天线，24为高频段天线。

图5中，用于自行走农机的认知无线精准定位系统的控制方法，其特征是包括下列步骤：

(1)布放布放第一无线定位节点(n1)、第二无线定位节点(n2)和第三无线定位节点(n3)；

(2)根据maxwellequation的电磁方程式，采用数据插值法根据信号衰减强度计算点到点距离；

(3)开启认知无线通讯各个节点间的点呼，在此基础上，按照数学模型和通讯实测数据，进行信号衰减和距离关联的理论计算；

(4)进行定位计算；

(5)回到第二步继续计算或者根据指令完成定位计算。

所述步骤(1)中布放第一无线定位节点n1、第二无线定位节点n2和第三无线定位节点n3的原则如下：

(1)选择最佳工作场地中的最长边界线l：该边界线l选择原则如下，首先观察场地左手边的所有可能的边界线集合{lj|j＝1,2,…,k}，从此集合中选出边界线集合中的最长边；图6中所示的{l1,l2,l3,l4}。从此集合中选出边界线集合中的最长边，图6中，选择l1。

(2)在选择出的最长边界线两端布放第一无线定位节点(n1)节点和第二无线定位节点(n2)，然后以这两个节点为基础形成(x,y)二维坐标系的y‐axis轴；

(3)在步骤(2)选择的基础上，选择第三无线定位节点(n3)，在距离第一无线定位节点(n1)和第二无线定位节点(n2)最远的边界上，定义x‐axis轴为穿过第三无线定位节点(n3)并与y‐axis轴正交的直线；x‐axis轴的定义原则是右手坐标系，从x‐axis到y‐axis的矢量叉积产生的z‐axis坐标是从工作平面指向上方(参见图7)。

所述步骤(2)中，根据maxwellequation的电磁方程式，电磁在大气环境中传播的衰减公式如下

20log(d)+20log(f)‐147.55

根据该公式建立传播信号衰减与距离信号频率对应表，根据此对应表，采用数据插值法根据信号衰减强度计算点到点距离。

所述步骤(3)中，开启认知无线通讯各个节点间的点呼，每个点呼叫即为无线通讯“握手”呼叫，这个呼叫的主要目的是建立各个节点的无线通讯；在无线通讯建立后，根据认知无线通讯的算法对以下13个通讯参数进行选择，实现优化通讯，这13个参数可根据通讯质量动态选择如下：

(1)通讯频段fbw:frequencyband(低频段525mhz以下,高频段以上)；

(2)工作频道wfr:workingfrequencyrange；

(3)通讯带宽bwd:bandwidth；

(4)码流速率cdr:codingrate(bitratesettings)；

(5)扩频参数spd:spreadingfactor；

(6)跳频扩频参数fhss:frequencyhoppingspreadspectrum；

(7)crc验错纠错编码:errorcorrectionanddetectionbasedtechnique；

(8)寻址通讯adr:addressbasedcommunication；

(9)扰码(白化)处理scr:scrambling；

(10)信标通讯模式bcn:beacontxmode；

(11)发射功率pwr:txpower；

(12)接收信号相对强度指标rssi:relativesignalstrengthindicator；

(13)信道滤波cnl:channelfilter.

将这13个参数根据无线通讯系统运算的时间和耗能，建立如下调整使用顺序分类为6大类别，即：

第一类：功率及滤波相关类：

(11)发射功率pwr:txpower；

(13)信道滤波cnl:channelfilter.

第二类：编码相关类：

(4)码流速率cdr:codingrate(bitratesettings)；

(7)crc验错纠错编码:errorcorrectionanddetectionbasedtechnique；

(9)扰码(白化)处理scr:scrambling；

第三类：扩频、调频相关类：

(5)扩频参数spd:spreadingfactor；

(6)跳频扩频参数fhss:frequencyhoppingspreadspectrum；

第四类：信标、寻址类：

(8)寻址通讯adr:addressbasedcommunication；

(10)信标通讯模式bcn:beacontxmode；

第五类：通讯频段、频道、带宽相关调整变化类:

(1)通讯频段fbw:frequencyband(低频段525mhz以下,高频段以上)；

(2)工作频道wfr:workingfrequencyrange；

(3)通讯带宽bwd:bandwidth；

第六类：其他：

(12)接收信号相对强度指标rssi:relativesignalstrengthindicator；

认知通讯的优化通讯采用按照类别进行，首先采取调整第一类通讯参数的方式，如果达到优化通讯目标，则停止调整，否则，进入下个类别进行参数调整，直至在相关的类别中达到满意的通讯质量标准要求；选择原则为：首先选择第一类参数，其次调整第二类参数，以此类推，最后调整第五类参数，从而达到通讯目标函数设定的“信心阈值”范围，实现认知无线通讯优化。

图8中，所述步骤(3)，第一无线定位节点n1、第二无线定位节点n2和第三无线定位节点n3的无线ping程序与机器人无线定位节点(n)分别根据maxwellequation和插值法建立对应3个对应距离r1、r2和r3；其中，r1对应第一无线定位(n1)到机器人无线定位节点(n)的距离，r2对应第二无线定位定位节点(n2)到机器人无线定位节点(n)的距离,r3对应第三无线定(n3)到机器人无线定位节点(n)的距离，在此基础上，三个距离按照方程如下计算：

r1^2＝(x‐x1)^2+(y‐y1)^2…(1)

r2^2＝(x‐x2)^2+(y‐y2)^2…(2)

r3^2＝(x‐x3)^2+(y‐y3)^2…(3)

在以上距离方程的基础上，将(1)到(3)建立连立方程，即运行机器人(节点n)同时满足3个对应距离r1,r2,r3，并以此联立方程为基础建立如下目标函数。

e＝[r1^2‐(x‐x1)^2+(y‐y1)^2]+[r2^2‐(x‐x2)^2+(y‐y2)^2]+[r3^2‐(x‐x3)^2+(y‐y3)^2](4)

对目标函数(4)的变量x和y分别求偏导数，并令其为0，得到如下2个方程：

(x‐x1){r1^2‐[(x‐x1)^2+(y‐y1)^2]}+alpha*(x‐x2){r2^2‐

[(x‐x2^2+(y‐y2^2]}+beta*(x‐x3){r3^2‐[(x‐x3^2+(y‐y3^2]}＝0…(5)

(y‐y1){r1^2‐[(x‐x1)^2+(y‐y1)^2]}+alpha*(y‐y2){r2^2‐[(x‐x2^2+(y‐y2^2]}

+beta*(y‐y3){r3^2‐[(x‐x3^2+(y‐y3^2]}＝0

…(6)

对以上方程式求解x和y,得到运行机器人节点n位置。