[发明专利]一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及农田小区域快速定位的技术应用，特别涉及一种基于无线传感器网络和四轴飞行器相结合的农田定位系统与方法。

背景技术

随着现代农业的发展，近期采用无人机等小型飞行器监测农田病虫害、农作物生长情况和农田水利情况，在其感知农田信息的基础上，做到合理施肥、播种、灌溉和喷洒农药，节约费用、降低成本。然而，要实现这些目标，必须依赖于无人机在农田中的精确定位。

目前，无人机定位主要采用全球定位系统（Global Positioning System,GPS）。这个系统由覆盖全球的24颗卫星组成，可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分—GPS星座，地面控制部分—地面监控系统，用户设备部分—GPS信号接收机。按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，用于概略导航定位，受到系统误差源的影响，并不能适应农田逐行、逐株作业的精度要求。相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，但由于价格昂贵，难以满足我国现阶段农业规模化程度较低带来的设备低成本要求。

在农田环境下的机械作业，定位的作用是用于无人机或农机的自动导航，以实现指定农田的区域化喷药、施肥、播种或收获等农事作业，其特点是小区域范围内的精确定位和以此为基础的小区域作业全覆盖，能精确获取机械位于农田的相对位置即可，可避免采用GPS技术动态获取绝对位置的需求。目前典型的小区域定位技术可分为定向和非定向两种，定向技术如激光测距、雷达测距等，在位置动态变化的无人机等应用场合需要解决被测物动态跟踪、方向动态调整等技术问题，成本较高；非定向技术包括采用声波、全向无线电等技术，被测点与信标节点之间的距离与信号衰减程度或信号传播时间有关，通过测量信号衰减值或信号传播时间可精确计算相对位置。

本发明将非定向测距技术应用到农田小区域定位，提出一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位系统与方法。

发明内容

本发明采用小区域外围若干点为信标节点，通过小区域范围内低成本、高精度的2.4G无线信号覆盖，无人机携带信号接收装置作为待定位节点，通过信号衰减计算与各信标节点的相对位置，以此实现无人机的快速、高精度定位。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位系统，包括：

若干已知位置、同等高度的ZigBee信标节点，每个ZigBee信标节点包括射频发射器和射频接收器，各个ZigBee信标节点均匀分布于农田中，信标节点相对坐标已知；

由四轴飞行器和ZigBee节点组成的待定位飞行器节点，所述四轴飞行器上设置有处理器和高度传感器，所述ZigBee节点包括射频发射器和射频接收器，固定在所述四轴飞行器中心；

所述待定位飞行器节点通过接收所述ZigBee信标节点中4个无线信号强度最强的信标节点发出的无线信号计算所述待定位飞行器节点与所述4个ZigBee信标节点之间的空间距离，将空间距离映射成ZigBee信标节点所在水平面的水平距离，每3个ZigBee信标节点组成一个三角形定位子区域，即共形成4个子区域，对于每个子区域分别通过三边定位法计算飞行器节点的相对坐标，再通过质心法计算这4个相对坐标所形成的四边形的质心，将该质心坐标作为飞行器节点的最终位置坐标。

根据所述的一种基于ZigBee的四轴飞行器农田定位系统的定位方法，包括如下步骤：

步骤1：四轴飞行器飞过农田，通过高度传感器，获取飞行器高度H；