u-blox高精度GNSS平台在自主机器人中的应用

摘要

在精密机器人中实现完全自主操作面临着重大的技术挑战，尤其是在GNSS信号接收不良的环境中，这使得精确导航变得复杂。克服这些限制对于各个行业的操作人员来说至关重要，他们寻求可靠、高效和完全自动化的割草解决方案。

本白皮书概述了全球领先的定位与短距离通信技术供应商u-blox的综合方法，结合高精度修正服务、简化的交付机制和专门的客户支持，使得在不需要固定本地基站的情况下，能够无缝地实现机器人解决方案的全面自动化。通过提供可扩展的厘米级定位解决方案，我们使制造商和服务提供商能够将自主能力直接集成到他们的产品中，从而减少操作复杂性、增强安全性并最大化生产力。

虽然本文以自主割草为主要案例研究，但它为任何高精度GNSS应用中的利益相关者提供了一个战略框架，以利用先进的定位技术，实现效率、可靠性和客户满意度的可衡量改善。

背景

自1990年代引入以来，全球导航卫星系统（GNSS）已成为现代社会的一个基本组成部分，支持从导航到精确计时的广泛应用。如今，由不同提供商运营的多个GNSS星座确保用户可以在地球上的任何地方、任何时间确定其位置。

标准的全球导航卫星系统（GNSS）信号通常提供米级定位精度——这对于许多日常应用来说已经足够。新兴的应用场景，包括自动驾驶、精准农业和机器人系统，要求更高的精度。为了满足这些需求，用户依赖于GNSS修正服务，以补偿原始卫星信号中固有的各种误差源。

本白皮书将解释如何大规模部署u-blox的接收器和修正技术，以支持自主户外机器人应用，最大化操作效率。

通过利用PPP-RTK技术，PointPerfect提供可靠的厘米级定位，以支持增强的路径规划和一致的切割模式，即使在具有挑战性的环境中也能保持稳定。其基于互联网的交付系统利用高度压缩的SPARTN格式来降低带宽成本，同时灵活的订阅方式简化了在住宅或商业草坪机器人车队中的部署。

住宅割草机市场的演变

电离层是大气层的一个区域，延伸至地球表面上方约60到1000公里。这个层充满了主要由太阳辐射产生的带电粒子，在GNSS信号传播中发挥着关键作用。随着带电粒子密度随时间变化，GNSS信号会经历延迟和衍射，这直接影响GNSS定位的准确性和可用性。而电离层最广为人知的现象，便是绚丽的北极光。

1830年代	1990年代	2010年代	现在
人力操控	早期机器人，物理边界线	带有本地基站的GNSS RTK	完全自主结合GNSS +修正

住宅割草机市场技术演变

维护一个整洁的院子长期以来一直是房主的优先事项，推动了草坪护理设备的持续创新。第一款专利的人力割草机于1830年问世，标志着硬件设计和操作效率持续创新的开始。

自动化在1990年代进入市场，早期的机器人割草机依赖于随机导航模式和物理边界线。随着基于自主GNSS的导航引导的引入，效率显著提高。到2010年代，物理边界线被虚拟地理围栏取代，割草机开始使用本地GNSS RTK基站进行精确导航。这项技术消除了早期自主割草机常见的随机交叉模式，但需要设置、配置和维护本地GNSS RTK基站。

为了降低系统复杂性和成本，制造商探索了支持自主操作的高精度定位的新方法。这就是Point Perfect Flex发挥作用的地方。

系统概述

自主割草系统的核心要求包括厘米级定位精度、快速收敛时间，以及在整个割草季节内的高服务可用性。然而，定位技术仅是解决方案的一部分。服务与服务之间的商业关系对于成功进入市场同样至关重要。

PointPerfect和多频段GNSS平台-完美的组合

在具有挑战性的环境中，快速、准确的定位需要紧密耦合的解决方案。当将异构定位引擎解决方案与修正服务配对时，集成商可能会遇到由于GNSS芯片解释修正数据的方式存在细微差异而导致的问题。

u-blox的行业领先GNSS平台F9和X20具有先进的信号跟踪和处理能力，并原生支持SPARTN修正格式（spartnformat.org）。特别是，X20的全频段跟踪能力可以改善大气建模，提供更强的信号跟踪能力，并防止干扰和欺骗，从而提供精确可靠的定位解决方案。

在修正方面，PointPerfect提供了一系列修正服务，利用数百个实时操作参考站，形成一个统一的解决方案，使得高度复杂的气象建模成为可能，并具备内在的冗余，以防止单个参考站的故障。虽然PointPerfect支持 RTCM 和SPARTN格式，但集成商可以从SPARTN 格式中获得更详细的气象信息和压缩能力。

u-blox提供的硬件和服务组合，适用于可扩展的机器人应用

服务对服务商业模式

定位技术只是故事的一半。在大规模部署此类系统时,服务与服务之间的关系至关重要，以确保产品成功发布。这包括与客户后端系统的无缝集成、灵活透明的计费解决方案、明确的服务水平协议，以支持关键修复和长期解决方案的改进，以及通过客户仪表盘访问性能指标和状态。这些工具可以提醒客户性能下降的情况，并帮助最终用户的排除故障。

成功的服务对服务商业协议的组成部分

大规模部署大陆高精度全球导航卫星系统（GNSS）

自动草坪割草机：技术和操作挑战

GNSS信号挑战

今天，在开放天空环境中，GNSS 接收器通常可以接收到20到25颗卫星的信号，每颗卫星都在多个频率上进行传输。这提供了出色的冗余性和可靠性，这对于在后院可能创造的复杂环境中成功操作自主割草机至关重要——包括建筑物、棚子和树木。

这些障碍物导致GNSS信号在其表面反弹和反射，从而导致定位误差增加。u-blox的接收器利用最新的GNSS信号和星座，以及专有技术来减轻GNSS多径效应，确保可靠、可信的解决方案。

另一个主要挑战是电离层的影响。 定位精度受到系统有效性的强烈影响GNSS接收机可以建模并补偿电离层延迟。电离层的影响随时间和地点而变化，并且很难准确建模。

客户和部署挑战

在传统设置中，部署自主割草机对最终用户和设备制造商都带来了重大挑战。从客户的角度来看，消费产品必须“能够正常工作”。然而，设置、配置和维护GNSS基站的过程并不简单。树木、围栏、棚屋甚至停放车辆的障碍物使得确保所需的高质量测量数据以进行RTK变得具有挑战性。

这为制造商增加了进一步的复杂性，他们必须帮助解决这些挑战，这些问题可能会随着环境的变化而变化和演变。通过消除对本地基站的需求，PointPerfect完全消除了这种复杂性，提供了一种从第一天起就能可靠工作的即插即用解决方案。

真实世界评估：PointPerfect Flex

在u-blox，我们不断将产品推向极限，并在现实场景中对其进行评估。测试设置可能会因为机器人割草机平台上可用空间有限而变得具有挑战性。通过一些巧妙的工程设计，可以让多个设备并行运行，以评估在真实世界条件下的性能，例如在建筑物和围栏附近。

图 3.自主割草机测试设置，展示了用于在部分遮挡、高多路径环境中进行真实世界评估的多解决方案平台。

为了进行比较，使用专业级接收器的传统短基线RTK解决方案作为参考，以评估与u-blox芯片组配对的可扩展PointPerfect Flex服务，以及类似的大众市场竞争对手。

机器人割草机的操作环境具有挑战性，存在大型障碍物和树冠覆盖。这种具有挑战性的环境在图4的左侧清晰可见，显示了割草机在突出区域内的操作。在这个测试案例中，院子四周被房屋、树木和高围栏紧密包围。左侧地图上的每个点代表u-blox相对于参考解决方案的位置精度。几乎所有位置都显示为绿色，表明达到了厘米级的精度。

右侧的位置精度图显示了PointPerfect Flex位置结果低于特定水平精度阈值的百分比，与竞争对手相比。实线垂直线显示u-blox解决方案的精度几乎是竞争对手解决方案的两倍。这在图5中也得到了强调，图中显示了两种解决方案的RMS和P95统计数据，以及RTK固定率。除了更准确外，u-blox解决方案还更频繁地保持RTK固定状态，从而提高了解决方案的可靠性。

 u-blox PointPerfect Flex 在实际环境中的性能与竞争对手的比较。

显示了整体定位统计的摘要以及在测试期间的RTK固定速率。RTK固定解决方案对于确保解决方案的可靠准确性至关重要。在这次测试中，我们看到u-blox再次超越了竞争对手，固定率在95%以上，而竞争对手设备仅达到了约80%。

通过实时应用PointPerfect修正，接收器可以有效减轻电离层活动，并为用户提供稳定的位置结果。下面的图表显示了在强电离层条件下，使用X20硬件与PointPerfect修正服务组合所能实现的水平精度和定位质量。

总结

高精度GNSS为大众市场的工业机器人和物联网应用（包括自主割草机）提供了显著价值。当与高度可扩展的 PointPerfect 校正服务配合使用时，客户体验得以优化，从而实现更均匀的解决方案。

这一成就表明，曾经仅限于专业或专业系统的厘米级定位，现在可以在消费和住宅环境中可靠且大规模地部署。通过消除本地基站的复杂性，同时保持专业级的准确性，u-blox的集成解决方案代表了自主机器人技术的重大进步。

/关于u-blox公司/

u-blox是汽车、工业及消费电子领域的全球技术领导者，通过定位和短程通信技术持续推动创新。作为高精度技术领域的开拓者，我们提供智能可靠的解决方案，助力人员、车辆及机械设备实现精准定位与无线通信。公司总部位于瑞士塔尔维尔，在欧洲、亚洲和美国设有办事处，持续创造全球影响力。