杜 恒

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

無人機(jī)是無人駕駛航空飛行器的簡稱，具有遙控、動力和導(dǎo)航裝置，能夠執(zhí)行多種類型的任務(wù)。無人機(jī)誕生于1914年，在軍事需求的推動下取得了較快的進(jìn)步。發(fā)展至今，無人機(jī)已經(jīng)形成了一個龐大的家族，用途涉及到社會的各個方面，其中的軍用無人機(jī)代表著該領(lǐng)域的最高水平[1]。早期的無人機(jī)為固定翼，后來在技術(shù)的推動下出現(xiàn)了旋翼無人機(jī)。與固定翼無人機(jī)相比，旋翼無人機(jī)的飛行高度有限，速度也較慢；但旋翼無人機(jī)的機(jī)動性更強，可以垂直起降、空中懸停及大幅度轉(zhuǎn)彎，設(shè)計制造的難度小，且有效載荷較大[2]。上述優(yōu)點使得旋翼無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，具體內(nèi)容包括農(nóng)藥噴灑、農(nóng)田信息監(jiān)測和農(nóng)業(yè)保險勘察等，不僅極大地提高了作業(yè)效率，還推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和智能化[3-5]。

在起飛之前，地面站會根據(jù)作業(yè)的內(nèi)容和環(huán)境條件規(guī)劃出合理的航線，無人機(jī)按照規(guī)劃的航線飛行并完成作業(yè)。但是，在實際飛行中，無人機(jī)會受到復(fù)雜氣象、環(huán)境條件和載荷變化的影響，導(dǎo)致實際航線與規(guī)劃航線之間出現(xiàn)偏差。航線的偏差影響無人機(jī)的作業(yè)效果，不合理的航線和飛行動作縮短續(xù)航能力，降低了作業(yè)效率。因此，對航線的控制精度是反映農(nóng)用無人機(jī)性能的重要指標(biāo)，能夠為無人機(jī)優(yōu)勢的發(fā)揮提供保障。無人機(jī)的航線控制以定位和導(dǎo)航為前提，即在確定無人機(jī)實時位置的基礎(chǔ)上，根據(jù)下一步的目標(biāo)發(fā)出導(dǎo)航指令，調(diào)節(jié)無人機(jī)的方向和速度，使其按照規(guī)劃的航線飛行。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的定位和自動導(dǎo)航可以追溯到20世紀(jì)的80年代，開創(chuàng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械的無人駕駛時代。隨著計算機(jī)視覺和衛(wèi)星技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)械定位和導(dǎo)航的精度大幅提高，應(yīng)用范圍也得到了擴(kuò)展[6]。目前，美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和中國的北斗是3種成熟的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，它們通過電子地圖和衛(wèi)星信號進(jìn)行實時定位及導(dǎo)航，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化程度[7]。

農(nóng)用無人機(jī)作為一種新型技術(shù)匯集的設(shè)備平臺，實時定位和自動導(dǎo)航是其必備的功能，也是順利完成農(nóng)業(yè)操作的要求。在誕生初期，農(nóng)用無人機(jī)的飛行控制由人工完成，操作的負(fù)荷和難度都較大，對航線的控制效果也不理想。在引入了各種新型技術(shù)，并對航線規(guī)劃算法進(jìn)行優(yōu)化后，農(nóng)用無人機(jī)的定位和導(dǎo)航精度得到了提升[8]。另外，人們對無人機(jī)的航線控制也進(jìn)行了研究，韓泉泉等設(shè)計了基于二維坐標(biāo)的航線控制律，在仿真試驗中表現(xiàn)出良好的航線跟隨性能[9]。吳俊成等基于誘導(dǎo)航線開發(fā)出新的協(xié)調(diào)控制方法，可以精確控制多無人機(jī)編隊的飛行狀態(tài)[10]。

航線規(guī)劃是農(nóng)用無人機(jī)定位和導(dǎo)航的依據(jù)，合理的航線有利于提高定位和導(dǎo)航精度。足球比賽機(jī)器人的控制原理與農(nóng)用無人機(jī)類似，因此足球比賽路徑規(guī)劃方法可以為無人機(jī)定位和導(dǎo)航提供參考。足球機(jī)器人系統(tǒng)由視覺、決策、無線通訊和機(jī)器人4部分組成，路徑規(guī)劃由決策部分完成，是主導(dǎo)比賽結(jié)果的關(guān)鍵。足球比賽路徑規(guī)劃的內(nèi)容是在存在障礙物的陌生環(huán)境中，依據(jù)比賽規(guī)則搜尋由起點到達(dá)終點的合理避碰路線[11]。足球比賽路徑規(guī)劃的方法有多種，大致可以分為全局規(guī)劃法和局部規(guī)劃法，都有各自的優(yōu)缺點。柳長安等基于FIRA機(jī)器人的仿真平臺對Position函數(shù)模型進(jìn)行了改進(jìn)，提高了對比賽中具體情況的適應(yīng)能力[12]。黃彥文等在模糊邏輯方法修正勢場函數(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的路徑規(guī)劃算法，并在實際應(yīng)用中得到了檢驗[13]。研究人員還將足球比賽機(jī)器人的路徑規(guī)劃和決策方法應(yīng)用到采摘機(jī)器人上，根據(jù)采摘機(jī)器人的特性設(shè)計智能定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了與農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)合[14-15]。

作為各種新型技術(shù)匯聚的平臺，無人機(jī)擁有智能決策系統(tǒng)和算法運行的條件。本研究將足球比賽路徑規(guī)劃的人工勢場模型與農(nóng)用無人機(jī)相結(jié)合，設(shè)計更為合理適用的無人機(jī)定位和導(dǎo)航方法，為無人機(jī)航線精確控制提供新的途徑。

1 人工勢場模型

人工勢場是一種足球比賽路徑的局部規(guī)劃方法，核心思想是以電磁場理論為基礎(chǔ)的抽象力場。無人機(jī)與足球機(jī)器人一樣，運動過程中都存在目標(biāo)體和障礙物，它們是路徑規(guī)劃需要考慮的因素。目標(biāo)點周圍存在針對無人機(jī)的引力場，障礙物周圍存在針對無人機(jī)的斥力場，兩種力場的強度和方向符合電磁理論的規(guī)律。引力場和斥力場共同組成人工勢場，其特性用勢場函數(shù)進(jìn)行描述。人工勢場模型通過搜索勢場函數(shù)下降最快的方向形成無人機(jī)的運動路徑，則可以盡量避免碰撞障礙物，并盡快地接近目標(biāo)體。人工勢場模型的結(jié)構(gòu)和算法都比較簡單，適合進(jìn)行無人機(jī)的實時控制，能夠規(guī)劃得到平滑的路徑，有利于發(fā)揮無人機(jī)的機(jī)動特性和避障能力。

1.1 引力函數(shù)

人工勢場模型中無人機(jī)的目標(biāo)點是下一個作業(yè)點，障礙物為超過無人機(jī)飛行高度的樹木、建筑和電力設(shè)施等。與足球機(jī)器人不同，無人機(jī)的目標(biāo)點和障礙物一般都處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此導(dǎo)航控制的算法較足球機(jī)器人更為容易。建立無人機(jī)作業(yè)區(qū)域的直角坐標(biāo)系，X軸和Y軸分別表示作業(yè)區(qū)域的橫向和縱向坐標(biāo)。在坐標(biāo)系中標(biāo)定無人機(jī)(U)、目標(biāo)點(T)和障礙物的位置(O)，無人機(jī)和目標(biāo)點只有1個，障礙物可以同時出現(xiàn)多個。無人機(jī)的初始速度為V0，坐標(biāo)系中對無人機(jī)路徑產(chǎn)生影響的引力場只有1個，如圖1所示。引力函數(shù)的計算公式參照黃彥文等的研究，以無人機(jī)與目標(biāo)點之間的距離和相對速度為自變量[13]。

圖1 無人機(jī)的直角坐標(biāo)系

1.2 斥力函數(shù)

根據(jù)實際情況，并不是作業(yè)區(qū)域內(nèi)的所有障礙物都會同時對無人機(jī)的路徑產(chǎn)生影響，只有那些與無人機(jī)的距離小于一定閾值的障礙物才會產(chǎn)生斥力場。在圖1中，只有3個障礙物產(chǎn)生了針對無人機(jī)的斥力場，斥力函數(shù)的計算公式也是參照黃彥文等的研究，以無人機(jī)與障礙物之間的距離和相對速度為自變量[13]。引力場和斥力場共同作用形成勢場合力，使無人機(jī)的飛行軌跡發(fā)生改變，速度由V0變?yōu)閂1，保持著原有的速率，但是方向沿順時針偏轉(zhuǎn)了θ角度，如圖1所示。

2 人工勢場模型

2.1 斥力函數(shù)的修正

2.2 勢場函數(shù)的修正

在整個作業(yè)區(qū)域中，無人機(jī)、障礙物和下一個目標(biāo)點的位置是影響無人機(jī)路徑規(guī)劃的主要因素。此外，路徑規(guī)劃還需要考慮作業(yè)區(qū)域的形狀、所有目標(biāo)點和障礙物的分布，才能制定出相適應(yīng)的飛行路徑策略。為了消除人工勢場對精確度要求較高的局限性，引入模糊邏輯控制方法，將無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)庫直接轉(zhuǎn)化為控制指令，以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的航線控制。

模糊邏輯控制包括模糊變量、模糊知識庫和模糊推理機(jī)3個部分：模糊變量以無人機(jī)狀態(tài)和目標(biāo)任務(wù)作為輸入量，以人工勢場中的最大和最小避障距離作為輸出量；推理機(jī)以知識庫為依據(jù)，通過簡單的三角隸屬函數(shù)對輸入量進(jìn)行分析處理，最后輸出無人機(jī)的最佳避障距離。

圖2 多個障礙物的人工勢場

3 無人機(jī)定位和導(dǎo)航

3.1 無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)平臺為大疆Phantom 4 Advanced型植保無人機(jī)，整體質(zhì)量5kg，續(xù)航時間為30min。無人機(jī)采用北斗和GLONASS雙模式定位，無線傳輸距離可以達(dá)到7km。地面站安裝大疆DJIGS Pro版軟件，可以規(guī)劃無人機(jī)的路徑并實時控制飛行姿態(tài)。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)以Intel586型工控計算機(jī)為核心，采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件在Windows10操作系統(tǒng)中運行，人工勢場的代碼用MatLab工具箱編寫。

無人機(jī)裝載各種傳感器用于飛行狀態(tài)的采集，包括XV-8000CB型角速度傳感器、CZ3-X-Y型加速度傳感器、BA5803型氣壓高度傳感器及中科能慧的NHFS47型風(fēng)速風(fēng)向傳感器等。航線控制設(shè)備包括方向舵、副翼舵和升降舵，舵面根據(jù)路徑規(guī)劃算法提供的方案進(jìn)行相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，改變無人機(jī)的飛行方向和姿態(tài)，從而實現(xiàn)避障的功能。

3.2 定位和導(dǎo)航

無人機(jī)地面站首先建立作業(yè)區(qū)域的直角坐標(biāo)系，然后標(biāo)定其中的障礙物數(shù)量和位置。無人機(jī)的位置通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得，并且實時跟蹤無人機(jī)的運動方向和速度。根據(jù)植保無人機(jī)的藥液噴幅確定方格，然后以方格為單元將作業(yè)區(qū)域網(wǎng)格化，在路徑的規(guī)劃中以人工勢場合力方向上的相鄰方格作為無人機(jī)的目標(biāo)點。

地面站按照人工勢場方法規(guī)劃無人機(jī)的航線，并設(shè)定飛行參數(shù)。作業(yè)過程中，控制中心實時接收傳感器采集的數(shù)據(jù)和無人機(jī)的飛行狀態(tài)，計算實際位置偏離設(shè)定航線的距離，并根據(jù)所處的人工勢場函數(shù)發(fā)出控制指令。指令發(fā)送給飛行姿態(tài)控制設(shè)備，實現(xiàn)對無人機(jī)的定位和導(dǎo)航，如圖3所示。

圖3 無人機(jī)定位和導(dǎo)航流程

4 仿真試驗

2017年，在本單位的棉花田中開展仿真試驗，對無人機(jī)進(jìn)行定位和導(dǎo)航，同時執(zhí)行噴藥作業(yè)。作業(yè)區(qū)域為不規(guī)則的近似長方形，較均勻地分布6個不同形狀的障礙物，包括喬木、電線塔、農(nóng)田設(shè)施和空地。無人機(jī)飛行高度為5m，速度4m/s，標(biāo)準(zhǔn)噴幅為5m。仿真試驗的結(jié)果如圖4所示。其中，白色部分為作業(yè)區(qū)域，黑色塊為障礙物，無人機(jī)的航線用帶有箭頭的黑色線條表示。試驗結(jié)果表明：基于足球比賽路徑規(guī)劃對無人機(jī)進(jìn)行定位和導(dǎo)航，可以使噴灑的藥液覆蓋率達(dá)到98%，無人機(jī)飛行的距離和時間相比人工控制減少了20%，航線中的急劇轉(zhuǎn)向次數(shù)也大幅減少，作業(yè)效率得到了提高。

圖4 仿真試驗中的無人機(jī)航線

5 結(jié)論

將足球比賽路徑規(guī)劃的人工勢場模型與農(nóng)用無人機(jī)相結(jié)合，給出了農(nóng)用無人機(jī)定位和導(dǎo)航方法。人工勢場由引力場和斥力場共同組成，利用勢場函數(shù)進(jìn)行描述。模型搜索勢場函數(shù)下降最快的方向形成無人機(jī)的運動路徑，可以盡量避免碰撞障礙物，并盡快地接近目標(biāo)體。根據(jù)實際情況，對斥力函數(shù)和勢場函數(shù)進(jìn)行了修正。試驗結(jié)果表明：該方法定位和導(dǎo)航的無人機(jī)藥液噴灑覆蓋率達(dá)到98%，飛行距離和時間相比人工控制減少了20%，航線中的急劇轉(zhuǎn)向次數(shù)也大幅減少，作業(yè)效率得到了提高，能夠為農(nóng)用無人機(jī)航線精確控制提供新的途徑。