植保無人機(jī)飛行控制精度測(cè)量方法及不確定度分析

馬 帥，蘇仁忠，楊宏偉

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081； 2.湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站，湖北 武漢430017)

0 引言

伴隨近幾年國(guó)家無人機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策和地方配套政策的引導(dǎo)下，植保無人機(jī)得到快速推廣和廣泛應(yīng)用[1-2]。根據(jù)目前的應(yīng)用趨勢(shì)，植保無人機(jī)已經(jīng)勝任了噴灑農(nóng)藥、葉面施肥、輔助授粉、農(nóng)田信息采集和輔助決策規(guī)劃等作業(yè)，廣泛應(yīng)用于稻田、旱地、高山茶園、煙草地、防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林等各類場(chǎng)景。相比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，植保無人機(jī)表現(xiàn)出作業(yè)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、適應(yīng)性廣和對(duì)人體健康危害小等明顯優(yōu)勢(shì)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展在一定程度上促進(jìn)了植保無人機(jī)的智能化融合應(yīng)用，部分區(qū)域已具備無人化操縱、精準(zhǔn)精細(xì)作業(yè)、智能管理和智慧農(nóng)場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)條件。

飛行質(zhì)量是影響植保無人機(jī)作業(yè)性能和用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo)。植保無人機(jī)系統(tǒng)一般由飛行平臺(tái)、飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控站及通信鏈路、任務(wù)載荷(噴霧系統(tǒng))和其他傳感器部件組成[3]。表征其飛行質(zhì)量的指標(biāo)主要有懸停精度、飛行高度及穩(wěn)定性、速度性能、飛行控制精度、水平加減速性能和姿態(tài)精度等。這些指標(biāo)無一不是植保無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等綜合作用的結(jié)果，任何一個(gè)分系統(tǒng)的性能都會(huì)影響到其整體飛行狀態(tài)，不同于分系統(tǒng)指標(biāo)的檢測(cè)，整機(jī)飛行性能的檢測(cè)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)所在[4]。

本文選取植保無人機(jī)最典型的飛行性能指標(biāo)“軌跡控制精度”為研究對(duì)象，介紹一種規(guī)范、科學(xué)的檢測(cè)方法，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量值不確定度分析，以提高測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，為質(zhì)量鑒定和檢驗(yàn)檢測(cè)提供依據(jù)。

1 測(cè)量方法

目前常用的飛行性能檢測(cè)方法有直接觀測(cè)法、雷達(dá)定位法和高速相機(jī)測(cè)定法等，但這些方法尚存在操作復(fù)雜、環(huán)境干擾大、結(jié)果精度低和實(shí)時(shí)性差等問題[5-6]。最規(guī)范、成熟的檢測(cè)方法是通過掛載高精度軌跡測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)飛行的軌跡數(shù)據(jù)，然后借助軟件評(píng)估植保無人機(jī)的飛行性能。這種方法測(cè)量誤差較小且不易受環(huán)境影響，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性主要由無人機(jī)軌跡測(cè)量設(shè)備精度決定，而軌跡測(cè)量設(shè)備本身的精度是通過計(jì)量校準(zhǔn)保證的。由此可見，通過飛機(jī)精度測(cè)量值的不確定度分析，可以提高測(cè)量值的可靠性，為其實(shí)際應(yīng)用提供參考。

軌跡測(cè)量設(shè)備組成如圖1所示，在不影響無人機(jī)飛行性能的前提下，將高精度軌跡采集設(shè)備掛載于被測(cè)無人機(jī)上，準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集無人機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)(如時(shí)間、位置、速度、加速度和姿態(tài)等)，實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用評(píng)估軟件對(duì)采集的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析處理，量化評(píng)估其飛行性能，如圖2所示。

在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)預(yù)設(shè)飛行航線，在額定負(fù)載起飛條件下，控制無人機(jī)以高度5 m和速度4 ms，進(jìn)行距離>1000 m的航線飛行。如圖3所示，飛行過程中，無人機(jī)軌跡采集裝置使用RS232串口通信協(xié)議，機(jī)載端通訊4G-DTU模塊將采集的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和發(fā)送，地面端通訊模塊將接收的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理，在軟件中繪制實(shí)時(shí)飛行軌跡，并與預(yù)設(shè)的飛行數(shù)據(jù)在相同時(shí)間系統(tǒng)、相同坐標(biāo)系下進(jìn)行位置坐標(biāo)比對(duì)，并統(tǒng)計(jì)偏差結(jié)果。

2 測(cè)量不確定度分析

2.1建立不確定度模型

依據(jù)測(cè)試方法，飛行控制精度(水平方向)的數(shù)學(xué)模型為

式中ψi——實(shí)際采樣點(diǎn)到預(yù)設(shè)飛行軌跡的水平距離，即飛行控制精度

n——取樣的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)

a、b、c——預(yù)設(shè)軌跡ax+by+c=0中的參數(shù)，可由起始和終止點(diǎn)計(jì)算而得[7]

2.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(1)測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量uψ1。

被測(cè)樣品型號(hào)為廣州某公司的植保無人機(jī)，選取一段平穩(wěn)飛行的直線航線重復(fù)測(cè)量10次飛行控制精度，則不確定度分量主要源于測(cè)量重復(fù)性?？紤]到實(shí)際測(cè)試中由于受現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速風(fēng)向、當(dāng)?shù)貧鈮汉碗姶鸥蓴_等自然條件影響，無人機(jī)實(shí)際的飛行軌跡與預(yù)設(shè)飛行軌跡會(huì)存在一定程度的不確定度。該不確定度受瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向不確定度、各地氣壓不確定度、電磁影響不確定度和求解過程不確定度等綜合影響，所以采用A類方法進(jìn)行評(píng)定[8]。

由表1計(jì)算飛行控制精度的平均值

標(biāo)準(zhǔn)差

≈0.014 2 m

因此

自由度

v1=n-1=10-1=9

表1 飛行控制精度測(cè)量值

(2)采集設(shè)備本身引入的測(cè)量不確定度分量uψ2。

測(cè)試所用的無人機(jī)軌跡測(cè)量設(shè)備輸出的原始軌跡數(shù)據(jù)中，因量化和精度截?cái)嗟仍?，引入的?dòng)態(tài)位置測(cè)量的最大誤差為0.087 m(校準(zhǔn)證書)，其在該誤差區(qū)間內(nèi)符合均勻分布，取半寬區(qū)間，則由計(jì)算可得B類不確定度[9]。

uψ2的估計(jì)很可靠，故自由度v2=∞。

(3)安裝誤差引入的測(cè)量不確定度分量uψ3。

通用掛載工裝進(jìn)行精確測(cè)量，但由于受機(jī)械結(jié)構(gòu)、桿臂值測(cè)量、慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)和固定偏差測(cè)量(測(cè)量設(shè)備與無人機(jī)中心間的距離)等因素影響，安裝中存在對(duì)中誤差。對(duì)中準(zhǔn)確度取0.08 m，采用B類方法進(jìn)行評(píng)定，取半寬區(qū)間，并以均勻分布估計(jì)。

uψ3的估計(jì)很可靠，故自由度v3=∞。

2.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上不確定度分量彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，因此

2.4擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度

取k=2，于是擴(kuò)展不確定度為

U=k·uc=2×0.034=0.068 m

2.5測(cè)量不確定度報(bào)告

本樣品的飛行控制精度測(cè)量結(jié)果：被測(cè)量的估計(jì)值φ=0.385 3 m，不確定度U=0.068 m，k=2。

3 結(jié)束語

對(duì)于植保無人機(jī)飛行控制精度的測(cè)量指標(biāo)，本文提出了一種使用無人機(jī)軌跡測(cè)量設(shè)備直接采集軌跡數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到飛行精度的方法。對(duì)該方法中引入的測(cè)量誤差進(jìn)行了不確定度分析及評(píng)估，從評(píng)估結(jié)果看，主要誤差來源于測(cè)量重復(fù)性，即環(huán)境的隨機(jī)性干擾，但該不確定度引入的誤差在合理范圍內(nèi)，可以滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用對(duì)植保無人機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)的需求[10]。