植保無(wú)人機(jī)仿地飛行控制研究

引言

植保無(wú)人機(jī)作為新興的植保機(jī)械之一,具有作業(yè)效率高、防治效果好等特點(diǎn),近年來(lái)得到了快速的發(fā)展:然而農(nóng)田的地形往往高低起伏,地塊周邊環(huán)境也普遍復(fù)雜,這要求植保無(wú)人機(jī)必須具備可靠的仿地飛行功能。近年來(lái),各無(wú)人機(jī)廠商都針對(duì)仿地飛行進(jìn)行了研究,并推出了相關(guān)產(chǎn)品。極飛科技的P30植保無(wú)人機(jī)裝配了毫米波雷達(dá),可實(shí)現(xiàn)最大30m高度的仿地飛行:大疆創(chuàng)新的T16植保無(wú)人機(jī)裝配了3609全向毫米波雷達(dá),使用雷達(dá)點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行地形探測(cè),實(shí)現(xiàn)仿地飛行。

本文使用毫米波雷達(dá)進(jìn)行相對(duì)高度測(cè)量,詳細(xì)分析了雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程:設(shè)計(jì)了仿地飛行控制策略和控制器,實(shí)現(xiàn)了仿地飛行,并使用Z-3N無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行了試飛試驗(yàn)驗(yàn)證。

1雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的是獲取可靠的雷達(dá)數(shù)據(jù)和雷達(dá)故障狀態(tài),數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

1.1數(shù)據(jù)有效性判斷

毫米波雷達(dá)進(jìn)行高度測(cè)量時(shí),地面狀況多變,其測(cè)量數(shù)據(jù)有可能突跳,故需要對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷。判斷流程如圖2所示:如果雷達(dá)測(cè)量值與上一拍輸出值之差小于Ⅳm,則直接判定雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)正確:如果雷達(dá)測(cè)量值與上一拍輸出值之差較大,則還需要進(jìn)一步判斷雷達(dá)數(shù)據(jù)有效性。將雷達(dá)測(cè)量值與前M拍的測(cè)量值比較,如果偏差都小于Ⅳm,則認(rèn)為是地形變化導(dǎo)致雷達(dá)測(cè)量值有較大變化,判定雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)正確:如果有偏差大于Ⅳm則判定雷達(dá)數(shù)據(jù)有突跳,測(cè)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

圖3是Z-3N無(wú)人直升機(jī)搭載毫米波雷達(dá)的飛行測(cè)試數(shù)據(jù),可見(jiàn)經(jīng)過(guò)有效性判斷后的雷達(dá)高度較為平滑,有效去除了突變的虛假數(shù)據(jù)。

1.2姿態(tài)補(bǔ)償

飛機(jī)的姿態(tài)變化會(huì)對(duì)雷達(dá)測(cè)量值有不同程度的影響,故需對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償,盡可能地減小姿態(tài)對(duì)測(cè)量高度的影響。姿態(tài)補(bǔ)償原理如圖4所示:俯仰、橫滾均會(huì)對(duì)雷達(dá)測(cè)量值產(chǎn)生影響:令真實(shí)高度為H,測(cè)量高度為H0,俯仰角為A,橫滾角為λ,有以下公式關(guān)系:H=H0×coSA×coSλ。

1.3濾波器設(shè)計(jì)

植保飛行作業(yè)時(shí),由于作物高矮及稀疏程度不同,會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)有較大毛刺變化,需對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。以檸檬樹為例,植株的半徑在3m左右,間距6m左右,作業(yè)時(shí)飛行速度3m/S,飛機(jī)經(jīng)過(guò)樹木的周期約為3S,由此設(shè)計(jì)了一階低通濾波器,轉(zhuǎn)折頻率為2rad/S。進(jìn)行低矮作物作業(yè)時(shí),雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)毛刺較小,故可適當(dāng)減弱濾波器,以增強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,針對(duì)低矮作物設(shè)計(jì)了一階低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率為1.3rad/S。

1.4故障診斷

雷達(dá)故障主要分為雷達(dá)測(cè)量范圍故障和雷達(dá)通信故障,兩種故障只要發(fā)生一個(gè)就判定雷達(dá)故障,都沒(méi)有發(fā)生則判定雷達(dá)正常。

(1)雷達(dá)測(cè)量范圍故障:雷達(dá)的測(cè)量范圍一般在50m以內(nèi),當(dāng)飛機(jī)相對(duì)地面過(guò)高時(shí)雷達(dá)隨時(shí)可能失效,故障診斷流程如圖5所示:雷達(dá)范圍正常時(shí)進(jìn)行故障判斷,雷達(dá)范圍故障時(shí)進(jìn)行恢復(fù)正常的判斷。

(2)雷達(dá)通信故障:雷達(dá)與飛控采用232串口通信,雷達(dá)輸出頻率為40Hz,如果飛控檢測(cè)到雷達(dá)幀頻發(fā)生較大波動(dòng),表明通信被干擾或雷達(dá)出現(xiàn)異常。故障診斷流程如圖6所示:雷達(dá)通信狀態(tài)正常時(shí)進(jìn)行故障判斷,雷達(dá)通信故障時(shí)進(jìn)行恢復(fù)正常的判斷。

2仿地飛行控制

2.1高度控制器設(shè)計(jì)

分別設(shè)計(jì)了過(guò)載控制回路、垂速控制回路和高度控制回路,控制器整體結(jié)構(gòu)如圖7所示,高度控制器和過(guò)載控制器采用比例控制計(jì)算控制輸出,垂速控制器采用比例積分控制計(jì)算控制輸出。

設(shè)計(jì)的控制器在Z-3N無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行了試飛驗(yàn)證,圖8、圖9數(shù)據(jù)是Z-3N無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行山地除草時(shí)的仿地飛行數(shù)據(jù),在5300至8300時(shí)刻(共計(jì)200S)打開仿地飛行功能,高度設(shè)定值為13.6m:仿地飛行過(guò)程中飛機(jī)飛行距離105m,飛機(jī)GPS高度下降100m,可見(jiàn)山地坡度已達(dá)459,而雷達(dá)高度設(shè)定值與反饋值最大偏差6m,仿地效果較好。

2.2高度切換設(shè)計(jì)

植保作業(yè)時(shí),操縱者根據(jù)實(shí)際情況有可能隨時(shí)打開或關(guān)閉仿地飛行功能,而切換時(shí)刻雷達(dá)高度和GPS高度往往偏差較大,控制器必須保證在切換時(shí)總距不發(fā)生突跳,保證切換前后飛機(jī)飛行平穩(wěn)、沒(méi)有擾動(dòng)。

由2.1節(jié)可知,垂速控制器的輸出直接驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng),故在切換前后要保證垂速控制器的平穩(wěn)。本文在開啟仿地飛行時(shí)先將系統(tǒng)高度切換為雷達(dá)高度,隨即根據(jù)垂速控制器的設(shè)定值反算出高度設(shè)定值,即H1=VSp/Kh+Hradar,從而保證垂速控制器的垂速指令不變,使之輸出平穩(wěn)。具體切換邏輯如圖10所示。

如圖11所示,仿地飛行開啟時(shí)GPS高度與雷達(dá)高度有接近30m偏差:圖12表明仿地飛行開啟后系統(tǒng)切換至雷達(dá)高度,故系統(tǒng)高度出現(xiàn)近30m的突跳:由圖13可知,仿地飛行開啟時(shí)總距沒(méi)有變化,沒(méi)有給飛機(jī)帶來(lái)擾動(dòng)。由此可見(jiàn),仿地飛行開啟時(shí)雖然系統(tǒng)高度產(chǎn)生近30m的突跳,但總距變化不大,飛機(jī)垂向平穩(wěn)。

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)處理流程,具體包括數(shù)據(jù)有效性判斷、姿態(tài)補(bǔ)償、數(shù)據(jù)濾波及故障診斷,有效解決了無(wú)人機(jī)植保作業(yè)時(shí)雷達(dá)測(cè)量值的突跳問(wèn)題,保證了數(shù)據(jù)的有效性和平滑性:設(shè)計(jì)了仿地飛行高度控制器和高度切換策略,實(shí)現(xiàn)了仿地飛行,并保證了仿地飛行和定高飛行之間的無(wú)擾切換。山地飛行作業(yè)表明,仿地飛行控制效果較好。