陳希

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著高效農(nóng)業(yè)的理念和有關(guān)技術(shù)的不斷改進(jìn)與推廣，農(nóng)業(yè)無人機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，以高效、便利、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)使農(nóng)業(yè)無人機(jī)漸漸替換傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，傳統(tǒng)依賴人力耕作的方式已逐漸被現(xiàn)代先進(jìn)的自動(dòng)化耕作方式所取代。農(nóng)業(yè)無人機(jī)已成為農(nóng)業(yè)行情觀測(cè)的關(guān)鍵手段與主導(dǎo)力量。但是農(nóng)業(yè)無人機(jī)使用過程會(huì)受到障礙物影響，導(dǎo)致其撞擊與墜毀，增加成本。因此對(duì)農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制系統(tǒng)研究尤為重要[1]。

關(guān)于農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制系統(tǒng)研究諸多，文獻(xiàn)[2]根據(jù)農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行流程中存在避障問題，利用模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)方式對(duì)其避障路徑進(jìn)行調(diào)控。先設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)調(diào)整方案，同時(shí)給出整個(gè)參數(shù)調(diào)整流程，并根據(jù)能力和時(shí)間集合最優(yōu)解設(shè)定其目標(biāo)對(duì)象，建立其避障路徑優(yōu)化模型系統(tǒng)，最后依據(jù)滾動(dòng)優(yōu)化方法對(duì)其避障優(yōu)化模型系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，解決農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行軌跡中的避障問題，但計(jì)算復(fù)雜，消耗大量時(shí)間；文獻(xiàn)[3]根據(jù)當(dāng)前農(nóng)業(yè)無人機(jī)獨(dú)立避障能力差與避障控制系統(tǒng)復(fù)雜問題，使用深度學(xué)習(xí)方式對(duì)無人機(jī)避障進(jìn)行控制。使用無人機(jī)的雙目相機(jī)采集圖像，當(dāng)其與監(jiān)測(cè)障礙物相差<5 m時(shí)，自己?jiǎn)?dòng)避障控制系統(tǒng)，對(duì)采集圖像進(jìn)行處理并輸送到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過姿態(tài)角度和油門量控制無人機(jī)獨(dú)自飛行和避障，但該方法控制正確率較低。

基于此，本文采用Pixhawk飛控、激光傳感器、GPS位置定位等方式設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制硬件系統(tǒng)，再利用陀螺儀與加速度、磁力計(jì)、串級(jí)執(zhí)行調(diào)節(jié)與運(yùn)動(dòng)方程線性化等設(shè)計(jì)其軟件系統(tǒng)，獲得其避障路徑姿態(tài)、位移、高度的控制，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)無人機(jī)安全、有效與快速的避障路徑控制，避免碰撞事件發(fā)生，降低成本，達(dá)到自主飛行目的。

1 激光傳感器的農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 農(nóng)業(yè)飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架

農(nóng)業(yè)無人機(jī)屬于不穩(wěn)定飛行設(shè)備，因此在飛行過程中需要不停地調(diào)整其姿態(tài)、高度、位置運(yùn)動(dòng)軌跡，使得無人機(jī)能夠趨向理想運(yùn)動(dòng)路徑[4]。為此，采用激光傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 激光傳感器系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)圖1可知，整個(gè)飛行避障路徑控制硬件系統(tǒng)由Pixhawk飛控模塊與傳感器模塊兩部分構(gòu)成。其中，Pixhawk飛控模塊是將Pixhawk飛控設(shè)備當(dāng)作整個(gè)避障路徑控制系統(tǒng)核心處理設(shè)備，其作用就是綜合算出激光傳感器收集來的信息，并依據(jù)任務(wù)要求輸出響應(yīng)的控制指令來控制農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行狀態(tài)；傳感器模塊中激光傳感器功能是獲取高度數(shù)據(jù)，GPS模塊是獲取位置數(shù)據(jù)，避障傳感器是獲取障礙物數(shù)據(jù)。

1)Pixhawk飛控設(shè)備

Pixhawk飛控設(shè)備也被稱為Pixhawk自動(dòng)駕駛設(shè)備，隨著其不斷改進(jìn)與完善，現(xiàn)有的Pixhawk自動(dòng)駕駛設(shè)備作用非常強(qiáng)大，不僅支持超近、中程、遠(yuǎn)程無人機(jī)等諸多農(nóng)業(yè)無人機(jī)機(jī)型，還能集成若干種擴(kuò)展接口，使Pixhawk自動(dòng)駕駛設(shè)備的研發(fā)和使用變成可能。Pixhawk飛控設(shè)備使用兩種處理設(shè)備，即主處理設(shè)備與故障應(yīng)對(duì)處理設(shè)備。其中，主處理設(shè)備使用具備超強(qiáng)計(jì)算功能的STM32F437芯片，故障應(yīng)對(duì)處理設(shè)備則使用32位ARM微控制器。使用這兩個(gè)處理設(shè)備最大的優(yōu)勢(shì)是安全、平穩(wěn)，能夠加強(qiáng)該系統(tǒng)抗干擾功能。例如，在主處理設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，不能確保農(nóng)業(yè)無人機(jī)正常運(yùn)行，還有故障應(yīng)對(duì)處理設(shè)備管理飛行控制作業(yè)，確保農(nóng)業(yè)無人機(jī)能夠安全、平穩(wěn)繼續(xù)執(zhí)行飛行操作。

2)GPS位置監(jiān)測(cè)單元

為了確保農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行路徑的安全、穩(wěn)定，選擇GPS位置定位，其具備作業(yè)穩(wěn)定、搜索功能強(qiáng)等特征。另外GPS模塊還能提供高精準(zhǔn)度的導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)，使Pixhawk飛控設(shè)備可以正確提取出農(nóng)業(yè)無人機(jī)的控制位置，降低空間位置信息數(shù)據(jù)誤差，有效解決了撞擊、墜毀等問題。為此選用的GPS模塊提供的空間位置信息誤差<0.4 m。

針對(duì)以上要求，文中選用P307高精度北斗RTK定位板卡，此板卡對(duì)比其他GPS產(chǎn)品具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1)可以使用差分技術(shù)獲得高精度位置信息數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)度可達(dá)到厘米級(jí)；

2)兼容ROX、RTCM、CMR、CMR+等多種RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)格式；

3)COAST和Sure Track技術(shù)使用，能在差分丟失信息數(shù)據(jù)的狀況下，依舊能夠保持40 min時(shí)間定位狀態(tài)；

4)具有消耗功率小、尺碼小、質(zhì)量輕等特征，極適合農(nóng)業(yè)無人機(jī)載GPS設(shè)備，保證農(nóng)業(yè)無人機(jī)作業(yè)安全。

3)高度監(jiān)測(cè)單元

為了確保農(nóng)業(yè)無人機(jī)在工作流程中運(yùn)行高度的安全、穩(wěn)定性，要求激光傳感器的測(cè)量正確率<0.3 m。即使Pixhawk飛控板中集成有略微氣壓激光傳感器，也能用于運(yùn)行高度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。但因?yàn)檗r(nóng)業(yè)無人機(jī)位于低空作業(yè)，而氣壓傳感器位于低空時(shí)，其測(cè)量準(zhǔn)確率會(huì)受空氣流動(dòng)與溫度變化而導(dǎo)致其上下浮動(dòng)，此時(shí)氣壓傳感器的測(cè)量誤差最大值大約能達(dá)到1.5 m。為此微型氣壓器傳感器MS5611-01BA位于低空時(shí)測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了農(nóng)業(yè)無人機(jī)工作運(yùn)行的要求。

為了滿足農(nóng)業(yè)無人機(jī)對(duì)高度測(cè)量的需求，文中使用激光傳感器當(dāng)作高度測(cè)量傳感器。該激光傳感器外形小，質(zhì)量通常不超過23 g，并且有多種通信接口，為實(shí)際的使用、研發(fā)提供基礎(chǔ)功能。此激光傳感器可以在100 m內(nèi)正確地對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行定位，并且將測(cè)量精度控制在厘米范圍內(nèi)。

1.2 農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

激光傳感器的農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制軟件系統(tǒng)則使用GX Developer對(duì)PLC進(jìn)行編程控制。GX Developer是三菱通用性能極強(qiáng)的編程軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)信息數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)輸送與避障路徑控制等功能。

該軟件系統(tǒng)主要分為避障路徑姿態(tài)控制、高度控制與位置控制。其中姿態(tài)控制采用陀螺儀與加速度、磁力計(jì)等收集無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，再使用擴(kuò)展卡爾曼過濾運(yùn)算得出激光傳感器仰角θ、滾角γ與偏航角ψ數(shù)據(jù)，并做信息整合，得出高精度的無人機(jī)姿態(tài)角數(shù)據(jù)；高度控制使用串級(jí)執(zhí)行調(diào)節(jié)設(shè)備來控制無人機(jī)飛行高度與爬升速度，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高空控制；位置控制通過運(yùn)動(dòng)方程線性化算法獲得障礙物位置，控制農(nóng)業(yè)無人機(jī)飛行路徑。

a)姿態(tài)控制

農(nóng)業(yè)無人機(jī)通常使用航姿參考系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)控制。該控制流程是由磁阻計(jì)與陀螺儀、加速度三部分構(gòu)成。航姿參考系統(tǒng)的作用是能夠?yàn)闊o人機(jī)飛行控制系統(tǒng)提供其姿態(tài)與航向信息數(shù)據(jù)。因?yàn)楹阶藚⒖枷到y(tǒng)使用的激光傳感器性能不佳，其最主要問題就是噪聲太大，所以由航姿參考系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得出的農(nóng)業(yè)無人機(jī)姿態(tài)信息和真實(shí)姿態(tài)相差極大。為此，想要通過航姿參考系統(tǒng)得出正確姿態(tài)數(shù)據(jù)，則需要使用激光傳感器對(duì)無人機(jī)避障路徑進(jìn)行姿態(tài)控制[5]，文中使用擴(kuò)展卡爾曼濾波設(shè)備對(duì)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)做出控制。

卡爾曼濾波設(shè)備在設(shè)計(jì)初始僅是針對(duì)線性系統(tǒng)，但在應(yīng)用中慢慢被發(fā)現(xiàn)其使用的范圍極小。為了使該過濾設(shè)備也能夠處理非線性系統(tǒng)問題，就在該設(shè)備上研發(fā)擴(kuò)展設(shè)備，即擴(kuò)展卡爾曼濾波設(shè)備。其本質(zhì)就是將非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性化系統(tǒng)，再利用卡爾曼濾波設(shè)備做處理，其處理流程如下：

設(shè)定非線性模型：

(1)

式中：f()與h()分別表示非線性函數(shù)；Xk表示該系統(tǒng)k時(shí)刻的狀態(tài)；Zk表示k時(shí)刻監(jiān)測(cè)數(shù)值；Wk-1、Vk表示隨機(jī)變量。

擴(kuò)展卡爾曼濾波設(shè)備為二次型估計(jì)設(shè)備，其對(duì)非線性系統(tǒng)的工作過程劃分成預(yù)測(cè)與修正兩個(gè)部分。

1)預(yù)測(cè)流程

(2)

再預(yù)測(cè)k時(shí)刻的誤差協(xié)方差Pk-

Pk-=AkPk-1AkT+WkQk-1WkT

(3)

式中：Ak表示狀態(tài)矩陣；Qk-1表示流程噪聲。

2)修正流程

先算出擴(kuò)展卡爾曼增益矩陣

(4)

式中：Hk為測(cè)量矩陣；Vk為噪聲聲級(jí)；Rk為該流程噪聲。

再依據(jù)得出測(cè)量數(shù)值，算出更新數(shù)值Zk與其誤差的協(xié)方差Pk，即：

(5)

Pk=(1-KkHk)Pk-

(6)

根據(jù)擴(kuò)展卡爾曼濾波設(shè)備得出這三種設(shè)備的姿態(tài)角信息，并進(jìn)行信息整合，最終得出正確姿態(tài)角數(shù)據(jù)。

b)高度控制

農(nóng)業(yè)無人機(jī)高度控制設(shè)備通常使用串級(jí)控制設(shè)備來完成。外環(huán)是PID高度控制設(shè)備，控制農(nóng)業(yè)無人機(jī)的避障路徑高度，內(nèi)環(huán)則利用P控制設(shè)備來控制其爬升速度。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)無人機(jī)在高度上無阻尼，極易發(fā)生系統(tǒng)超調(diào)過量，所以將控制爬行速度加入內(nèi)環(huán)，能更好地完成系統(tǒng)超調(diào)，增強(qiáng)該軟件系統(tǒng)控制的性能[6]。

農(nóng)業(yè)無人機(jī)高度控制設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑高度控制結(jié)構(gòu)

控制高度的PID設(shè)備以目前高度為反饋數(shù)值，并以理想高度為初始數(shù)值；將高度PID控制設(shè)備送出的理想速度為速度內(nèi)環(huán)的初始數(shù)值，并以此速度為反饋數(shù)值[7]。最后農(nóng)業(yè)無人機(jī)以內(nèi)環(huán)送出數(shù)值為依據(jù)控制該軟件系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑高度控制[8]。

c)位置控制

(7)

式中：Kpx、Kdx、Kix為x軸方向上通道控制系數(shù)；Kpy、Kdy、Kiy為y軸方向上通道控制系數(shù)；Kpz、Kdz、Kiz為z軸方向上通道控制系數(shù)。

避障路徑位置控制流程基本要求是在無超調(diào)的狀況下加快響應(yīng)速度，保證無穩(wěn)態(tài)誤差，完成基于激光傳感器的農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于激光傳感器的農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制系統(tǒng)效果和可行性，利用1.2小節(jié)中姿態(tài)控制、高度控制以及位置控制的方法和流程分別進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 姿態(tài)

為了驗(yàn)證激光傳感器下農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑姿態(tài)控制系統(tǒng)性能，采用對(duì)比方法將本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)進(jìn)行比較，其檢測(cè)結(jié)果如圖3-圖5所示(本刊為黑白印刷，如有疑問請(qǐng)咨詢作者)。

圖3 不同方法下滾角速率變化情況

圖4 不同方法下俯仰角控制對(duì)比情況

圖5 不同方法下偏航角對(duì)比情況

從圖3可知，在0～3 s時(shí)，農(nóng)業(yè)無人機(jī)位于準(zhǔn)備起飛狀態(tài)，本文控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]控制系統(tǒng)得出滾角情況與理想滾角數(shù)值結(jié)果一致；在27 s時(shí)，理想滾角為0.5 rad/s，本文控制系統(tǒng)得出滾角為0.52 rad/s，文獻(xiàn)[2]控制系統(tǒng)得出1.1 rad/s，文獻(xiàn)[3]控制系統(tǒng)得出1.49 rad/s；在80 s時(shí)，理想滾角為-0.15 rad/s，而本文與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]控制系統(tǒng)得出滾角分別為-0.25 rad/s、-0.46 rad/s、-0.46 rad/s。本文控制系統(tǒng)最接近理想滾角數(shù)值，故證實(shí)本文系統(tǒng)對(duì)滾角控制性能良好。

根據(jù)圖4看出，在20 s時(shí)，理想俯仰角是-0.45 rad/s，本文控制系統(tǒng)獲得的俯仰角是-0.45 rad/s，文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]控制系統(tǒng)獲得的俯仰角均是-0.8 rad/s；在60 s時(shí)，理想俯仰角為-0.5 rad/s，而本文與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]控制系統(tǒng)獲得的俯仰角分別是-0.49 rad/s、-0.8 rad/s、-1.1 rad/s，均證實(shí)本文系統(tǒng)性能優(yōu)于文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)。

從圖5折線變化情況看出，本文系統(tǒng)折線變化情況最接近理想偏航角折線，文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[3]都較理想折線較遠(yuǎn)，由此證明本文系統(tǒng)控制偏航角精準(zhǔn)度較高。

綜上所述，通過對(duì)姿態(tài)的滾角、俯仰角、偏航角控制結(jié)果分析均證實(shí)本文控制系統(tǒng)性能極佳，并且準(zhǔn)確率較高。

2.2 高度

在農(nóng)業(yè)無人機(jī)距離障礙物為10 m時(shí)，該無人機(jī)檢測(cè)出障礙物后進(jìn)行減速。在其距離障礙物為3 m時(shí)開始進(jìn)行繞弧運(yùn)動(dòng)，當(dāng)繞過障礙物后返回計(jì)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)沿著指定航線繼續(xù)工作。下面采用本文與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，高度變換情況如圖6所示。

圖6 農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制系統(tǒng)高度控制情況

根據(jù)圖6可知，本文系統(tǒng)高度控制存在誤差大約為0.02 m，文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)高度控制存在誤差分別是0.1 m、0.05 m，本文系統(tǒng)高度控制誤差最小，證實(shí)本文高度控制性能良好。

2.3 位置

將農(nóng)業(yè)無人機(jī)懸停在距離地面100 m地方，經(jīng)過地面檢測(cè)得出不同系統(tǒng)下該無人機(jī)位置變化情況，如圖7所示。

從圖7可知，在27 s、42 s時(shí)，其變化最大，理想控制位置與本文位置控制相差0.001 m，文獻(xiàn)[2]相差0.06 m，文獻(xiàn)[3]相差0.13 m。從整體上看本文系統(tǒng)位置控制極佳，驗(yàn)證了本文避障路徑位置控制性能的魯棒性極佳。

3 結(jié)語

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠使農(nóng)業(yè)無人機(jī)快速、精準(zhǔn)躲避障礙物，并通過硬件與軟件雙重控制更好地實(shí)現(xiàn)便捷、快速的路徑避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在極短時(shí)間內(nèi)完成其路徑避障。農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑控制系統(tǒng)本質(zhì)就是在線實(shí)時(shí)計(jì)劃農(nóng)業(yè)無人機(jī)自己獨(dú)立判斷的流程。通過農(nóng)業(yè)無人機(jī)環(huán)境感知傳感器模塊監(jiān)測(cè)環(huán)境與場(chǎng)景變換，實(shí)時(shí)計(jì)劃任務(wù)對(duì)象并生成飛行路徑，再依據(jù)飛控指令與調(diào)度信息數(shù)據(jù)，控制農(nóng)業(yè)無人機(jī)精準(zhǔn)跟蹤所生成的路徑，最終完成飛行目的。由于整個(gè)流程環(huán)境參數(shù)與此系統(tǒng)的不確定特征，就需要農(nóng)業(yè)無人機(jī)對(duì)該系統(tǒng)參數(shù)與隨機(jī)干擾具備較好的魯棒性。雖然本文方法在避障路徑控制系統(tǒng)方面取得一定成果，但受時(shí)間、課本因素影響，該系統(tǒng)還可以增添一些程序，如仿真程序、執(zhí)行程序等，更好地控制農(nóng)業(yè)無人機(jī)避障路徑飛行。