一種農(nóng)用無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

王佳宇++包豐艷

【摘 要】：為滿足日益增長(zhǎng)的農(nóng)用無人機(jī)對(duì)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(diǎn)，隨后分別給出了地面站系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后基于該方案給出了在某農(nóng)用無人機(jī)飛行控制系中的具體應(yīng)用。該系統(tǒng)具有使用方便，成本低廉，在對(duì)農(nóng)用無人機(jī)的普及應(yīng)用方面有一定的工程和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】：農(nóng)用無人機(jī)；飛行控制系統(tǒng)；地面站

引 言

伴隨著技術(shù)的逐漸成熟，無人機(jī)由于工作適應(yīng)性強(qiáng)，操作靈活、工作效率高、使用成本低等特點(diǎn)，目前正受到世界范圍內(nèi)越來越多國家的關(guān)注，現(xiàn)已在民用領(lǐng)域得到大力推廣。無人機(jī)系統(tǒng)涉及的學(xué)科領(lǐng)域廣、復(fù)雜程度高，包含有機(jī)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(shù)學(xué)科于一體的綜合性研究對(duì)象。

植保無人機(jī)是農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的智能高端裝備，是用于農(nóng)作物保護(hù)作業(yè)的無人駕駛飛機(jī)，該型無人飛機(jī)由飛行平臺(tái)（固定翼、單旋翼、多旋翼）、GPS 飛控、噴灑機(jī)構(gòu)三部分組成，通過地面遙控或 GPS 飛控來實(shí)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(jī)服務(wù)農(nóng)業(yè)首先在日本、美國等發(fā)達(dá)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(jī)，主要用于噴灑農(nóng)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(jì)，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(jī)進(jìn)行植保作業(yè)，由操控人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控，甚至采用預(yù)先航路規(guī)劃的方法，由無人機(jī)自主飛行，完成植保作業(yè)，該方式將打破特殊地勢(shì)的局限，同時(shí)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(shí)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(yīng)農(nóng)業(yè)信息化的要求，農(nóng)用小型無人機(jī)除了要求其自身的特點(diǎn)之外，還要具備對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定及精確的控制系統(tǒng)。目前無人機(jī)領(lǐng)域還沒有成套面向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的無人機(jī)的飛行控制與任務(wù)管理系統(tǒng)，現(xiàn)有的飛行控制與任務(wù)管理系統(tǒng)大多沿用國外已有的技術(shù)或者沿用一部分軍事領(lǐng)域常用的技術(shù)，具有系統(tǒng)復(fù)雜，開發(fā)成本高等缺陷。所以研究一種適合于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的具有復(fù)雜度較低，精確度較高，操作使用簡(jiǎn)便的的農(nóng)用無入機(jī)控制與任務(wù)管理系統(tǒng)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。本研究根據(jù)農(nóng)用無人機(jī)的使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套農(nóng)用無人機(jī)的飛行控制與任務(wù)管理系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：系統(tǒng)復(fù)雜度較低、控制精度高、任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)簡(jiǎn)便易操作，適用范圍廣泛等特點(diǎn)。

1 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的神經(jīng)中樞，其功能主要有自動(dòng)增穩(wěn)控制和與導(dǎo)航設(shè)備聯(lián)合使用實(shí)現(xiàn)自主飛行。在無人機(jī)收到干擾，陀螺儀、加速度計(jì)及大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)將敏感到的無人機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)的姿態(tài)和速度，保證無人機(jī)按照預(yù)定的軌跡飛行[2]。

本文設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)，將飛行控制單元、地面測(cè)控系統(tǒng)和飛行仿真計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，整個(gè)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(dòng)駕駛儀完成導(dǎo)航結(jié)算及無人機(jī)姿態(tài)控制，完成無人機(jī)指定任務(wù)；地面能夠接收無人機(jī)下傳的遙測(cè)信息，對(duì)無人機(jī)的狀態(tài)及任務(wù)完成情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)能夠通過無線鏈路上傳航路信息及遙控操作信息，實(shí)時(shí)對(duì)無人機(jī)操控。

在此對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，整個(gè)無人機(jī)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(jī)飛行控制系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的航路信息及任務(wù)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(jī)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(dòng)駕駛儀，完成無人機(jī)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(jī)接收遙控指令，直接控制無人機(jī)的飛行，該模式多應(yīng)用于無人機(jī)控制參數(shù)調(diào)節(jié)階段。

此外，該飛行控制系統(tǒng)還設(shè)置了飛控手遙控飛行訓(xùn)練功能，通過模擬訓(xùn)練，增加飛控手對(duì)無人機(jī)性能的了解，降低實(shí)際飛行中遙控操作的風(fēng)險(xiǎn)。

2 無人機(jī)地面測(cè)控系統(tǒng)

無人機(jī)測(cè)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(shí)時(shí)規(guī)劃的無人機(jī)飛行航跡信息，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)飛行控制參數(shù)的在線調(diào)整；負(fù)責(zé)將無人機(jī)的姿態(tài)參數(shù)、位置坐標(biāo)和工作狀態(tài)等信息回傳給地面站，由地面站實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)的飛行參數(shù)、飛行姿態(tài)、航向航跡等信息，還可以對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和回放。

無人機(jī)地面測(cè)控系統(tǒng)包括：測(cè)控計(jì)算機(jī)，差分GPS基準(zhǔn)站，高增益天線等設(shè)備構(gòu)成。其中測(cè)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行于windows環(huán)境，操縱桿通過USB接口接入測(cè)控計(jì)算機(jī)。

測(cè)控計(jì)算機(jī)接收的無人機(jī)姿態(tài)、位置等信息在地面站軟件實(shí)時(shí)顯示，

本文所選擇地面站系統(tǒng)應(yīng)用于本研究后期的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，將主控系統(tǒng)與該地面站通過電臺(tái)建立雙向數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到對(duì)無人機(jī)遙控指令上傳、差分基準(zhǔn)數(shù)據(jù)上傳及遙測(cè)數(shù)據(jù)下傳監(jiān)測(cè)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(yùn)行機(jī)構(gòu)，地面站功能如圖3所示。在執(zhí)行航行任務(wù)過程中大多運(yùn)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(duì)飛行數(shù)據(jù)和飛行軌跡的監(jiān)測(cè)，并在數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)中完成對(duì)飛行數(shù)據(jù)的記錄。同時(shí)，地面站還提供了“遙控自動(dòng)駕駛”的模式使得飛行器在手動(dòng)控制下可以按照期望的飛行軌跡進(jìn)行飛行。

圖3 無人機(jī)地面站系統(tǒng)功能圖

這款地面站所具備的主要特點(diǎn)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(jī)和地面車輛等。并且相關(guān)程序已經(jīng)編寫完備，只需輸入控制參數(shù)即可對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操控。在實(shí)際飛行時(shí)支持多個(gè)航點(diǎn)規(guī)劃，可對(duì)上百個(gè)航點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定。

3 無人機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)完成各種姿態(tài)動(dòng)作的指揮中心，依靠這個(gè)指揮中心來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的自動(dòng)導(dǎo)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(jī)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(gè)回路，分別為：由舵機(jī)構(gòu)成的舵機(jī)回路、由整個(gè)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(gè)控制回路形成嵌套關(guān)系，舵回路實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)各機(jī)翼舵機(jī)的及時(shí)調(diào)整，使其具有將機(jī)身姿態(tài)實(shí)現(xiàn)矯正的功能；穩(wěn)定回路使無人機(jī)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(qiáng)；控制回路主要功能是保持飛機(jī)飛行軌跡，如高度的穩(wěn)定與保持，進(jìn)而可以構(gòu)成自主著陸系統(tǒng)。本文通過對(duì)圖中的飛行器環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，選擇適宜于農(nóng)用遙感無人機(jī)的控制策略，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)無人機(jī)的各項(xiàng)控制參數(shù)的調(diào)試，結(jié)合所建立的數(shù)學(xué)模型和控制策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際飛行試驗(yàn)。無人機(jī)姿態(tài)控制原理如圖4所示。

圖4 無人機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)

當(dāng)無人機(jī)在空中進(jìn)行巡航時(shí)，檢測(cè)無人機(jī)飛行的各種傳感器傳回的數(shù)據(jù)就會(huì)在同一時(shí)間匯集到飛行控制計(jì)算機(jī)中，例如當(dāng)慣性測(cè)量單元傳發(fā)過來姿態(tài)與航向信息，GPS傳回的距離和位置信息，陀螺傳過來的角運(yùn)動(dòng)信息等，都會(huì)由系統(tǒng)中的計(jì)算裝置完成對(duì)這些傳感器信號(hào)的處理、運(yùn)算，然后通過相關(guān)的控制方法和策略，解算得到每個(gè)操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，然后將這些控制量分別安排到相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)上去執(zhí)行，以完成對(duì)無人機(jī)的控制。

3.1 控制架構(gòu)的選擇

目前，民用小型無人機(jī)一般采取傳統(tǒng)經(jīng)典PID的控制方式對(duì)其飛行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)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(jī)領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)典控制方法可以對(duì)飛行姿態(tài)實(shí)現(xiàn)相對(duì)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(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來建立，參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)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。

農(nóng)用無人機(jī)，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(jī)飛行控制，此外，考慮到后續(xù)農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)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(jiǎn)便，普通操作人員可以通過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)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(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)是指無人機(jī)在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性，主要包括無人機(jī)的縱向角運(yùn)動(dòng)和縱向線運(yùn)動(dòng)。飛機(jī)的縱向角運(yùn)動(dòng)主要是指使飛機(jī)按照預(yù)設(shè)的俯仰角度值進(jìn)行飛行，并以此作為無人機(jī)角運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

在對(duì)角運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制過程中，飛機(jī)俯仰角參數(shù)是屬于長(zhǎng)周期的變化運(yùn)動(dòng)，它的變化以及建立穩(wěn)定的時(shí)間都會(huì)非常長(zhǎng)；同時(shí)，飛機(jī)上所受外界環(huán)境的影響以及作用在飛機(jī)操縱機(jī)構(gòu)上的誤差都會(huì)對(duì)飛機(jī)力矩發(fā)生一定程度的改變。在無人機(jī)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(huì)使無人機(jī)在俯仰通道平面內(nèi)產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致對(duì)無人機(jī)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(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制主要是由俯仰角作為外回路來控制。

圖6 無人機(jī)姿態(tài)控制原理圖

在無人機(jī)的縱向線運(yùn)動(dòng)中，直接被控對(duì)象是飛機(jī)的高度，而無人機(jī)高度受飛機(jī)姿態(tài)和推力變化而改變，由于依靠推力控制飛行高度響應(yīng)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(dāng)無人機(jī)縱向通道的俯仰角度發(fā)生變化時(shí)對(duì)高度的影響十分明顯。假定當(dāng)前無人機(jī)以水平狀態(tài)飛行，并且此時(shí)速度矢量與機(jī)體某一軸平行，此時(shí)飛機(jī)的仰角與迎角都為零。無人機(jī)飛行高度升高時(shí)的俯仰角呈正值變化，無人機(jī)飛行高度降低時(shí)俯仰角為負(fù)值變化。無論俯仰角的如何變化，最終都會(huì)導(dǎo)致飛行高度的改變。因此，在控要對(duì)無人機(jī)當(dāng)前俯仰角與設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，若實(shí)際值大于設(shè)定值無人機(jī)就進(jìn)行下滑動(dòng)作；反之無人機(jī)進(jìn)行爬升動(dòng)作，如果當(dāng)前俯仰角與期望的俯仰角相等時(shí)，無人機(jī)就會(huì)保持當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行巡航飛行。

類似航向及滾動(dòng)通道的設(shè)計(jì)類似，具體就不在此贅述。在實(shí)際使用過程中，有控制理論基礎(chǔ)的操作人員，可以按照本設(shè)計(jì)過程對(duì)無人機(jī)操控進(jìn)行仿真調(diào)參，對(duì)于無基礎(chǔ)的操作人員無需對(duì)控制器設(shè)計(jì)過程過多關(guān)注，可以按照一定的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，使用十分簡(jiǎn)便。整個(gè)參數(shù)設(shè)置界面見圖7：

圖7 無人機(jī)控制參數(shù)設(shè)置界面

4 應(yīng)用實(shí)例

飛行實(shí)驗(yàn)要預(yù)先規(guī)劃的航線上進(jìn)行，需要將無人機(jī)手動(dòng)控制飛離地面，無人機(jī)起飛過程如圖8所示。當(dāng)無人機(jī)飛行相對(duì)穩(wěn)定后，切換至由地面站控制的自主飛行，飛機(jī)在航點(diǎn)1處朝航點(diǎn)2直線飛行，此時(shí)無人機(jī)以俯仰角運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)，以一定俯仰角做高度上升飛行。在飛行高度達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，飛行狀態(tài)處于水平巡航狀態(tài)，；當(dāng)飛行至航點(diǎn)2處時(shí)，無人機(jī)在副翼控制做滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在姿態(tài)調(diào)整完畢后，在航點(diǎn)2.3之間以預(yù)設(shè)高度保持巡航狀態(tài)。

圖8 無人機(jī)飛行試驗(yàn)示例

從圖8中可以看出，無人機(jī)飛行航跡跟蹤效果達(dá)到預(yù)期目的，飛行控制參數(shù)在默認(rèn)值的基礎(chǔ)上，稍作調(diào)整，即能達(dá)到良好的控制效果。該套控制系統(tǒng)，在界面上簡(jiǎn)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(jī)在各領(lǐng)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(jī)的使用，不僅能夠擺脫勞動(dòng)力緊缺，資源使用率低的困境，無人機(jī)作業(yè)的高效快速的特點(diǎn)還能保證農(nóng)作物的良好生長(zhǎng)，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。本文針對(duì)農(nóng)用無人機(jī)研究了一套具有普遍適應(yīng)性飛行控制操作系統(tǒng)，從實(shí)際的使用結(jié)果看，該套系統(tǒng)具有使用簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高，適應(yīng)范圍廣泛的特點(diǎn)，具有較高的工程及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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