一種農(nóng)用無人機飛行控制系統(tǒng)方案設計

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1、一種農(nóng)用無人機飛行控制系統(tǒng)方案設計 　?。簽闈M足日益增長的農(nóng)用無人機對飛行控制的需求，本文提出了一種集合了地面站，飛行控制系統(tǒng)的整體方案。首先分析了該方案的特點，隨后分別給出了地面站系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)的設計，最后基于該方案給出了在某農(nóng)用無人機飛行控制系中的具體應用。該系統(tǒng)具有使用方便，成本低廉，在對農(nóng)用無人機的普及應用方面有一定的工程和經(jīng)濟價值。 7751717一種農(nóng)用無人機飛行控制系統(tǒng)方案設計_[] 　?。恨r(nóng)用無人機；飛行控制系統(tǒng)；地面站 　　引 言 　　伴隨著技術的逐漸成熟，無人機由于工作適應性強，操作靈活、工作效率高、使用成本低等特點，

2、目前正受到世界范圍內(nèi)越來越多國家的關注，現(xiàn)已在民用領域得到大力推廣。無人機系統(tǒng)涉及的學科領域廣、復雜程度高，包含有機體結(jié)構(gòu)、飛行控制、數(shù)據(jù)傳輸、航路規(guī)劃等，是集多種技術學科于一體的綜合性研究對象。 　　植保無人機是農(nóng)機領域的智能高端裝備，是用于農(nóng)作物保護作業(yè)的無人駕駛飛機，該型無人飛機由飛行平臺（固定翼、單旋翼、多旋翼）、GPS 飛控、噴灑機構(gòu)三部分組成，通過地面遙控或 GPS 飛控來實現(xiàn)噴灑作業(yè)，可以噴灑藥劑、種子、粉劑等。 　　為了提高農(nóng)藥噴灑的效率和安全性，植保無人機服務農(nóng)業(yè)首先在日本、美國等發(fā)達國家得到了快速發(fā)展。1990 年，日本山葉公司率先推出世界上第一架無人機，主要用于噴灑農(nóng)

3、藥。 　　中國作為農(nóng)業(yè)大國，18 億畝基本農(nóng)田每年需要大量的農(nóng)業(yè)植保作業(yè)[1]。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年有 300 萬農(nóng)藥中毒者，我國每年由于農(nóng)藥污染食品而造成的中毒者人數(shù)年均近 20 萬，約占食物中毒人數(shù)的 1/3。利用農(nóng)用無人機進行植保作業(yè)，由操控人員進行遠距離遙控，甚至采用預先航路規(guī)劃的方法，由無人機自主飛行，完成植保作業(yè)，該方式將打破特殊地勢的局限，同時使人與農(nóng)藥的接觸率降到最低，防治效果相比人工和其它措施有了顯著改善，同時節(jié)省了用藥量和用水量，提高了藥物使用率，能夠極大提高生產(chǎn)效率。 　　為了適應農(nóng)業(yè)信息化的要求，農(nóng)用小型無人機除了要求其自身的特點之外，還要具備對飛行姿態(tài)進行穩(wěn)定及精確

4、的控制系統(tǒng)。目前無人機領域還沒有成套面向農(nóng)業(yè)領域的無人機的飛行控制與任務管理系統(tǒng)，現(xiàn)有的飛行控制與任務管理系統(tǒng)大多沿用國外已有的技術或者沿用一部分軍事領域常用的技術，具有系統(tǒng)復雜，開發(fā)成本高等缺陷。所以研究一種適合于農(nóng)業(yè)領域的具有復雜度較低，精確度較高，操作使用簡便的的農(nóng)用無入機控制與任務管理系統(tǒng)具有十分重要的經(jīng)濟意義。本研究根據(jù)農(nóng)用無人機的使用特點，設計了一套農(nóng)用無人機的飛行控制與任務管理系統(tǒng)，其特點是：系統(tǒng)復雜度較低、控制精度高、任務規(guī)劃系統(tǒng)簡便易操作，適用范圍廣泛等特點。 　　1 無人機飛行控制系統(tǒng)總體架構(gòu) 　　無人機飛行控制系統(tǒng)是無人機的神經(jīng)中樞，其功能主要有自動增穩(wěn)控制和與導航設

5、備聯(lián)合使用實現(xiàn)自主飛行。在無人機收到干擾，陀螺儀、加速度計及大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)將敏感到的無人機姿態(tài)信息、位置信息、加速度信息和速度信息等參數(shù)送至飛行控制計算機經(jīng)過飛控結(jié)算后，通過控制操縱面偏轉(zhuǎn)調(diào)整無人機的姿態(tài)和速度，保證無人機按照預定的軌跡飛行[2]。 　　本文設計的飛行控制系統(tǒng)，將飛行控制單元、地面測控系統(tǒng)和飛行仿真計算機進行綜合設計，整個飛行控制系統(tǒng)的原理如圖1所示： 　　圖1 飛行控制系統(tǒng)總體方案 　　其中，自動駕駛儀完成導航結(jié)算及無人機姿態(tài)控制，完成無人機指定任務；地面能夠接收無人機下傳的遙測信息，對無人機的狀態(tài)及任務完成情況進行實時監(jiān)測，同時能夠通過無線鏈路上傳航路信息及遙控操作

6、信息，實時對無人機操控。 　　在此對該系統(tǒng)進行簡要的介紹，整個無人機飛行控制系統(tǒng)具有三種工作模式：全自主工作模式，半自主工作模式及遙控飛行控制模式。全自主模式：無人機飛行控制系統(tǒng)按照預先設定的航路信息及任務指令，全程自主完成飛行控制，無需飛控手參與。半自助工作模式：無人機接入增穩(wěn)控制，操控手通過地面站將遙控指令信息，如姿態(tài)，速度指令上傳至自動駕駛儀，完成無人機遙控操作飛行。遙控飛行模式：飛控手操作遙控器，通過遙控接收機接收遙控指令，直接控制無人機的飛行，該模式多應用于無人機控制參數(shù)調(diào)節(jié)階段。 　　此外，該飛行控制系統(tǒng)還設置了飛控手遙控飛行訓練功能，通過模擬訓練，增加飛控手對無人機性能的了解

7、，降低實際飛行中遙控操作的風險。 　　2 無人?C地面測控系統(tǒng) 　　無人機測控系統(tǒng)主要用于傳輸?shù)孛娌倏厝藛T的指令，傳送地面站實時規(guī)劃的無人機飛行航跡信息，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機飛行控制參數(shù)的在線調(diào)整；負責將無人機的姿態(tài)參數(shù)、位置坐標和工作狀態(tài)等信息回傳給地面站，由地面站實時顯示無人機的飛行參數(shù)、飛行姿態(tài)、航向航跡等信息，還可以對飛行數(shù)據(jù)進行保存和回放。 　　無人機地面測控系統(tǒng)包括：測控計算機，差分GPS基準站，高增益天線等設備構(gòu)成。其中測控計算機運行于windows環(huán)境，操縱桿通過USB接口接入測控計算機。 　　測控計算機接收的無人機姿態(tài)、位置等信息在地面站軟件實時顯示， 　　本文所選擇地面

8、站系統(tǒng)應用于本研究后期的驗證性實驗，將主控系統(tǒng)與該地面站通過電臺建立雙向數(shù)據(jù)通信，以達到對無人機遙控指令上傳、差分基準數(shù)據(jù)上傳及遙測數(shù)據(jù)下傳監(jiān)測等功能。其界面如圖2所示。 　　圖2 地面控制站界面示意圖 　　該地面站需要通過主控制板與GPS模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊來創(chuàng)建出整體運行機構(gòu)，地面站功能如圖3所示。在執(zhí)行航行任務過程中大多運用地面站數(shù)據(jù)顯示結(jié)構(gòu)中的儀表界面和電子地圖顯示功能完成對飛行數(shù)據(jù)和飛行軌跡的監(jiān)測，并在數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)中完成對飛行數(shù)據(jù)的記錄。同時，地面站還提供了“遙控自動駕駛”的模式使得飛行器在手動控制下可以按照期望的飛行軌跡進行飛行。 　　圖3 無人機地面站系統(tǒng)功能圖 　　這款地

9、面站所具備的主要特點有：支持眾多類型的無人駕駛工具，包括固定翼，多旋翼，直升機和地面車輛等。并且相關程序已經(jīng)編寫完備，只需輸入控制參數(shù)即可對控制對象進行操控。在實際飛行時支持多個航點規(guī)劃，可對上百個航點進行設定。 　　3 無人機姿態(tài)控制系統(tǒng) 　　飛行控制系統(tǒng)是無人機完成各種姿態(tài)動作的指揮中心，依靠這個指揮中心來實現(xiàn)穩(wěn)定可控的自動導航、自主飛行、飛行數(shù)據(jù)采集等功能[3]。本文所研究的農(nóng)用固定翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制原理如圖4所示。本系統(tǒng)共有三個回路，分別為：由舵機構(gòu)成的舵機回路、由整個系統(tǒng)構(gòu)成的穩(wěn)定回路和由傳感器反饋量構(gòu)成的控制回路，三個控制回路形成嵌套關系，舵回路實現(xiàn)對無人機各機翼舵機

10、的及時調(diào)整，使其具有將機身姿態(tài)實現(xiàn)矯正的功能；穩(wěn)定回路使無人機的飛行姿態(tài)維持在可控范圍內(nèi)，也使系統(tǒng)阻尼特性加強；控制回路主要功能是保持飛機飛行軌跡，如高度的穩(wěn)定與保持，進而可以構(gòu)成自主著陸系統(tǒng)。本文通過對圖中的飛行器環(huán)節(jié)進行數(shù)學建模，選擇適宜于農(nóng)用遙感無人機的控制策略，完成對實驗無人機的各項控制參數(shù)的調(diào)試，結(jié)合所建立的數(shù)學模型和控制策略進行仿真實驗和實際飛行試驗。無人機姿態(tài)控制原理如圖4所示。 　　圖4 無人機姿態(tài)控制系統(tǒng) 　　當無人機在空中進行巡航時，檢測無人機飛行的各種傳感器傳回的數(shù)據(jù)就會在同一時間匯集到飛行控制計算機中，例如當慣性測量單元傳發(fā)過來姿態(tài)與航向信息，GPS傳回的距離和位置

11、信息，陀螺傳過來的角運動信息等，都會由系統(tǒng)中的計算裝置完成對這些傳感器信號的處理、運算，然后通過相關的控制方法和策略，解算得到每個操縱執(zhí)行機構(gòu)的控制量，然后將這些控制量分別安排到相應的執(zhí)行結(jié)構(gòu)上去執(zhí)行，以完成對無人機的控制。 　　3.1 控制架構(gòu)的選擇 　　目前，民用小型無人機一般采取傳統(tǒng)經(jīng)典PID的控制方式對其飛行狀態(tài)參數(shù)進行不斷糾正，傳統(tǒng)PID控制的本質(zhì)就是系統(tǒng)中所有回路的依次閉合，控制原理圖如圖5所示[4]。在無人機領域應用經(jīng)典控制方法可以對飛行姿態(tài)實現(xiàn)相對精確有效的控制，經(jīng)典控制方法的控制結(jié)構(gòu)可以依據(jù)實際操作經(jīng)驗和知識來建立，參數(shù)調(diào)節(jié)簡單，并且可以根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)來判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性

12、。 　　農(nóng)用無人機，多采用常規(guī)布局，自身具有良好的穩(wěn)定性，經(jīng)典PID控制完全能勝任該類無人機飛行控制，此外，考慮到后續(xù)農(nóng)用無人機應用前景廣泛，PID控制架構(gòu)需要調(diào)節(jié)參數(shù)少，調(diào)節(jié)方式簡便，普通操作人員可以通過簡單的培訓即可完成調(diào)試工作，從而選用該控制架構(gòu)。 　　圖5 PID控制架構(gòu)原理圖 　　3.2 無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)設計 　　無人機的縱向運動是指無人機在垂直面內(nèi)的運動特性，主要包括無人機的縱向角運動和縱向線運動。飛機的縱向角運動主要是指使飛機按照預設的俯仰角度值進行飛行，并以此作為無人機角運動的直接控制變量，角度的數(shù)值獲取可以通過主控系統(tǒng)的IMU模塊實現(xiàn)。 　　在對角運動進行控制過程

13、中，飛機俯仰角參數(shù)是屬于長周期的變化運動，它的變化以及建立穩(wěn)定的時間都會非常長；同時，飛機上所受外界環(huán)境的影響以及作用在飛機操縱機構(gòu)上的誤差都會對飛機力矩發(fā)生一定程度的改變。在無人機的縱向控制中，由于該方向力矩的作用而產(chǎn)生的縱向角加速度會使無人機在俯仰通道平面內(nèi)產(chǎn)生振蕩，導致對無人機俯仰角的控制產(chǎn)生偏差，因此本文引入俯仰角速度在俯仰角控制過程中作為俯仰角控制系統(tǒng)的內(nèi)回路，內(nèi)回路又稱為阻尼回路，在內(nèi)回路中主要是俯仰角速率作用，縱向角運動進行控制主要是由俯仰角作為外回路來控制。 　　圖6 無人機姿態(tài)控制原理圖 　　在無人機的縱向線運動中，直接被控對象是飛機的高度，而無人機高度受飛機姿態(tài)和推力變

14、化而改變，由于依靠推力控制飛行高度響應速率較慢，所以主要通過改變俯仰角度來保持飛行高度，尤其是當無人機縱向通道的俯仰角度發(fā)生變化時對高度的影響十分明顯。假定當前無人機以水平狀態(tài)飛行，并且此時速度矢量與機體某一軸平行，此時飛機的仰角與迎角都為零。無人機飛行高度升高時的俯仰角呈正值變化，無人機飛行高度降低時俯仰角為負值變化。無論俯仰角的如何變化，最終都會導致飛行高度的改變。因此，在控要對無人機當前俯仰角與設定值進行實時比較，若實際值大于設定值無人機就進行下滑動作；反之無人機進行爬升動作，如果當前俯仰角與期望的俯仰角相等時，無人機就會保持當前狀態(tài)進行巡航飛行。 　　類似航向及滾動通道的設計類似，具

15、體就不在此贅述。在實際使用過程中，有控制理論基礎的操作人員，可以按照本設計過程對無人機操控進行仿真調(diào)參，對于無基礎的操作人員無需對控制器設計過程過多關注，可以按照一定的經(jīng)驗規(guī)律，對參數(shù)進行在線調(diào)整，使用十分簡便。整個參數(shù)設置界面見圖7： 　　圖7 無人機控制參數(shù)設置界面 　　4 應用實例 　　飛行實驗要預先規(guī)劃的航?上進行，需要將無人機手動控制飛離地面，無人機起飛過程如圖8所示。當無人機飛行相對穩(wěn)定后，切換至由地面站控制的自主飛行，飛機在航點1處朝航點2直線飛行，此時無人機以俯仰角運動占主導，以一定俯仰角做高度上升飛行。在飛行高度達到預設數(shù)值時，飛行狀態(tài)處于水平巡航狀態(tài)，；當飛行至航點2

16、處時，無人機在副翼控制做滾轉(zhuǎn)運動，在姿態(tài)調(diào)整完畢后，在航點2.3之間以預設高度保持巡航狀態(tài)。 　　圖8 無人機飛行試驗示例 　　從圖8中可以看出，無人機飛行航跡跟蹤效果達到預期目的，飛行控制參數(shù)在默認值的基礎上，稍作調(diào)整，即能達到良好的控制效果。該套控制系統(tǒng)，在界面上簡潔直觀，使用上有很大的便利。 　　5小結(jié) 　　隨著科技的發(fā)展，無人機在各領域的占有量和利用率逐漸提高。大規(guī)模的推廣農(nóng)用無人機的使用，不僅能夠擺脫勞動力緊缺，資源使用率低的困境，無人機作業(yè)的高效快速的特點還能保證農(nóng)作物的良好生長，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益。本文針對農(nóng)用無人機研究了一套具有普遍適應性飛行控制操作系統(tǒng)，從實際的使用結(jié)果看，該套系統(tǒng)具有使用簡單，成本低廉，可靠性高，適應范圍廣泛的特點，具有較高的工程及經(jīng)濟價值。 　　參考文獻 　　[1] 朱憲良. 農(nóng)用無人機植保應用發(fā)展的探討.農(nóng)機科技推廣，2014. 　　[2] 谷新宇.微小型無人機飛行控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].湖南：國防科學技術大學，2010. 　　[3] 何湘智，王榮春，羅倩倩.固定翼無人機縱向控制律設計及仿真驗證[J].科學技術與工程， 2010（009）：2134.2138. 　　[4] 李瑋.無人機PID控制及智能PID控制技術的研究[D].南京：南京理工大學，2004.1.10.