本文關(guān)鍵詞：基于RTK的農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的研究　出處：《浙江大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：RTK載波相位差分技術(shù),是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)接收站載波相位觀測(cè)量的差分方法,可實(shí)時(shí)獲取厘米級(jí)定位解,具有操作性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。高精度的RTK產(chǎn)品幾十萬(wàn)的高昂價(jià)格,使得RTK定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚不廣泛。隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)的大力支持,農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和智能化技術(shù)將會(huì)快速發(fā)展,而獲取高精度的定位解是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田車輛自動(dòng)導(dǎo)航的基礎(chǔ)。本研究以農(nóng)田導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用為首要目的,以美國(guó)Swift公司的Piksi定位模塊為基礎(chǔ),構(gòu)建RTK系統(tǒng)進(jìn)行研究,前期設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精度分析,后期根據(jù)項(xiàng)目要求對(duì)電臺(tái)和天線等部分硬件進(jìn)行改進(jìn),使用濾波算法對(duì)改進(jìn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最終成功將Piksi RTK系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)田拖拉機(jī)上。主要研究結(jié)果如下:(1)Piksi模塊是一款超高性價(jià)比的定位模塊,RTK靜態(tài)水平定位精度可達(dá)1cm。使用Piksi模塊時(shí),要充分考慮周圍的環(huán)境,附近切不可要有高大建筑物等遮擋;配套的console控制軟件可保存3種格式下的6種類型數(shù)據(jù),完全滿足用戶使用需求;串口直接讀取的Piksi數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了 Swift公司SBP二進(jìn)制協(xié)議的處理,不使用console軟件無(wú)法直接獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù);搭建RTK系統(tǒng)時(shí),基準(zhǔn)站需要使用console軟件設(shè)置經(jīng)緯度和海拔高度數(shù)據(jù)后發(fā)送給流動(dòng)站。(2)空間大地坐標(biāo)與導(dǎo)航切平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換滿足精度分析的要求;采用標(biāo)準(zhǔn)差(σ)、圓概率誤差(CEP)、距離均方根誤差(RMS)、2倍均方誤差(2DRMS)的指標(biāo)對(duì)Piksi RTK系統(tǒng)靜態(tài)精度進(jìn)行分析,Piksi單個(gè)模塊靜態(tài)單點(diǎn)的定位精度約為8m,RTK的靜態(tài)精度(2drms,95%)約為1.5cm;設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)雙軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了直線擬合評(píng)估動(dòng)態(tài)直線精度的可行性,當(dāng)流動(dòng)站在0.4m/s-2.3m/s的平均速度范圍內(nèi)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)擬合得到的定位精度約為1.5cm;采用測(cè)量點(diǎn)到擬合圓心距離與擬合半徑的差值評(píng)估圓周運(yùn)動(dòng)的定位精度,發(fā)現(xiàn)在0.4 m/s-1.6 m/s的平均線速度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站的精度約為1.5cm;考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的問(wèn)題,擬合分析得到的測(cè)量誤差整體偏小,初步判定PiksiRTK的真實(shí)動(dòng)態(tài)精度約為3 cm-5 cm。(3)PiksiRTK系統(tǒng)的3DR數(shù)傳電臺(tái)功率較小,傳輸距離受限,實(shí)際傳輸距離在開闊環(huán)境下約為300 m-400 m;將系統(tǒng)的天線和電臺(tái)更換為加拿大P900電臺(tái)和GSM增益天線,經(jīng)測(cè)試在校園內(nèi)有建筑物遮擋的情況下的傳輸距離約為1 km,開闊環(huán)境下更是可以達(dá)到3.5km;隨著傳輸距離的增加,改進(jìn)后的Piksi RTK系統(tǒng)的定位精度不斷下降,利用最小二乘法插值擬合發(fā)現(xiàn)傳輸距離在超過(guò)3.2km以后將會(huì)下降到亞米級(jí)別。(4)采用卡爾曼濾波建立的數(shù)據(jù)處理模型,傳輸距離內(nèi)獲取的定位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波后的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度均可提升一倍左右,濾波后距離基準(zhǔn)站1 km內(nèi)的靜態(tài)定位精度約為1 cm,滿足課題對(duì)傳輸距離和精度的兩方面要求;動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波模型對(duì)直線運(yùn)動(dòng)下的數(shù)據(jù)有很好的糾偏效果,濾波處理后動(dòng)態(tài)誤差約為1 cm-3 cm。(5)將改進(jìn)后的Piksi RTK系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)用拖拉機(jī)上,RTK數(shù)據(jù)產(chǎn)生的軌跡直線度優(yōu)于拖拉機(jī)的GPS軌跡,通過(guò)采用地圖固定點(diǎn)作為基準(zhǔn)站的方法,解決了實(shí)際應(yīng)用的準(zhǔn)確度問(wèn)題,農(nóng)田實(shí)驗(yàn)分析得出Piksi RTK系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度可達(dá)到標(biāo)稱的2 cm-6 cm,與動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)分析得出的精度一致,濾波后的動(dòng)態(tài)精度約為1cm-3 cm,說(shuō)明Piksi RTK系統(tǒng)可以達(dá)到農(nóng)田車輛自動(dòng)導(dǎo)航的要求,在農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)定位領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[Abstract]:The RTK carrier phase difference technology is a real-time difference processing method for two receiver stations to observe the carrier phase. It can get centimeter level positioning solution in real time, and has the advantages of strong operability and wide application. The high - precision RTK products are hundreds of thousands of high prices, making the application of RTK positioning technology in the agricultural field is still not widely used. With the support of the state for agriculture, agricultural automation and intelligent technology will develop rapidly, and obtaining high-precision location solutions is the foundation for automatic navigation of farm vehicles. Based on the practical application of farmland navigation as the primary purpose, the Piksi positioning module of Swift company in the United States as the basis to construct the RTK system research, preliminary design experiment of precision analysis, according to the requirements of the late radio and antenna hardware is improved, so that the improved data filtering algorithm, the ultimate success the application of Piksi RTK system in agricultural tractors. The main results are as follows: (1) the Piksi module is a high performance and cost-effective positioning module, and the static level positioning accuracy of RTK can reach 1cm. Using the Piksi module, to fully consider the surrounding environment, must not be near tall buildings block; console control software can save 3 kinds of 6 types of data format, fully meet the needs of users; Piksi serial data read directly after the Swift SBP binary protocol, do not use console software is unable to get the latitude and longitude data directly; build RTK system, the base station needs to use the console software to set the latitude and longitude and altitude data sent to the mobile station. (2) space geodetic coordinate conversion and navigation cutting plane coordinates satisfy the precision analysis; the standard deviation (sigma), circular error probability (CEP) distance, root mean square error (RMS), 2 times the mean square error (2DRMS) index to analyze the static accuracy of Piksi RTK system, Piksi static single module single point positioning accuracy is about 8m, the accuracy of static RTK (2drms, 95%) is about 1.5cm; the dynamic track of experimental design to verify the feasibility of dynamic evaluation of linear fitting straight line accuracy, positioning accuracy when the mobile station in the average speed range of 0.4m/s-2.3m/s linear motion through the fitting of the location is about 1.5cm; the accuracy of motion difference evaluation circumference measurement points to fitting center distance and fitting radius, found in the range of motion average line speed of 0.4 m/s-1.6 m/s in the mobile station accuracy is about 1.5cm; taking into account the actual application process of neutral point Point problem, the measurement error obtained by fitting analysis is small, and the real dynamic accuracy of PiksiRTK is estimated to be about 3 CM-5 cm. (3) 3DR PiksiRTK system radio power is low, limited transmission distance, transmission distance in open environment is about 300 M-400 m; the system of the antenna and the radio station replaced Canada P900 radio and GSM gain antenna, tested in campus buildings covered by the transmission distance is about 1 km the open environment, but also can achieve 3.5km; with the increase of the transmission distance, the positioning accuracy of Piksi improved RTK system decreased, found that transmission distance in more than 3.2km will be down to sub meter level using the least squares fitting don't. (4) processing model using the Calman filter to establish data transmission distance to obtain the positioning data through static and dynamic accuracy can be filtered doubled around, filtered distance base station within 1 km static positioning accuracy is about 1 cm, meet the two aspects of the transmission distance and the accuracy of the dynamic data; Calman filter model of linear motion of the correction effect is very good, after filtering the dynamic error is about 1 cm-3 cm. (5) will be improved after the application of Piksi RTK system to agricultural tractors, GPS track straightness is better than the tractor to generate the RTK data, by using the fixed point map method as a reference station, solves the accuracy problem of practical application, the dynamic accuracy of the Piksi field testing and analysis of RTK system can reach the nominal 2 cm-6 cm, the accuracy of consistent experimental analysis and dynamic simulation, the dynamic precision filter is about 1cm-3 cm, Piksi RTK system can meet the requirements of the vehicle automatic navigation of farmland, and has broad application prospects in the field of agricultural precise positioning.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P228.4;S22

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本文編號(hào)：1345392