無(wú)人機(jī)飛行控制與傳感器融合導(dǎo)航應(yīng)用

莊淡盛

（南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063）

0 引言

該文以多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立了一套由協(xié)同計(jì)算機(jī)和開(kāi)放源飛行控制器組成的二級(jí)控制系統(tǒng)，解決了因定位精度差、飛行參數(shù)不穩(wěn)定而引起的霧滴分布不均、重噴以及空氣污染等問(wèn)題，進(jìn)一步提高了無(wú)人機(jī)的自主飛行能力，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)精確自主任務(wù)點(diǎn)的直線飛行控制。為了在提高無(wú)人機(jī)定位精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自主飛行，對(duì)實(shí)際作業(yè)中植保無(wú)人機(jī)定位精度低、飛行參數(shù)不穩(wěn)定等問(wèn)題進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的解決方案，為無(wú)人機(jī)精密應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 傳感器的基本原理

傳感器的基本原理是通過(guò)感知物體的外部信息，將其傳遞給控制系統(tǒng)，產(chǎn)生下一指令或信號(hào)。傳感元件包括傳感元件和轉(zhuǎn)換元件，其定位精度與傳感器關(guān)系密切。傳感器把接收到的信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。從無(wú)人機(jī)自身來(lái)看，無(wú)人機(jī)可在傳感器后方進(jìn)行精確導(dǎo)航，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的精確導(dǎo)航。通常，僅依靠1個(gè)傳感器很難達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，因此無(wú)人機(jī)往往攜帶多種傳感器，使用多傳感器一直是無(wú)人機(jī)中較為復(fù)雜的技術(shù)。由于傳感器的工作方式不同，根據(jù)不同傳感器提供的信息，控制系統(tǒng)會(huì)有不同的特點(diǎn)，例如時(shí)變、常變、快變以及慢變等，因此，在無(wú)人機(jī)上連接多個(gè)傳感器是非常困難的，并且可以通過(guò)多個(gè)傳感器幫助無(wú)人機(jī)進(jìn)行精確導(dǎo)航。UAV導(dǎo)航控制能夠綜合傳感器的性能獲得環(huán)境信息。一般來(lái)說(shuō)，目前僅有3種融合方式：集中式融合、分布式混合融合和多層融合結(jié)構(gòu)，這3種方法各具優(yōu)勢(shì)。集中式融合是利用傳感器收集到的全部信息提供數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)連接等，這樣做的好處是不會(huì)丟失很多有用的信息。盡管無(wú)人機(jī)的使用率很高，但是無(wú)人機(jī)技術(shù)的要求是相當(dāng)高的。分布式混合融合是利用系統(tǒng)中的傳感器對(duì)其進(jìn)行逐級(jí)處理，并將所獲得的各層次的信息分層發(fā)送到控制中心，該方法也是最常用的無(wú)人機(jī)飛行控制方法之一；采用分布式融合結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)傳感器具有獨(dú)特的跟蹤能力和良好的全球監(jiān)控效果；多層融合結(jié)構(gòu)基于上述2種方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，該技術(shù)綜合了集中式和分布式融合的所有特性，但是成本很高，其在多層融合架構(gòu)中，各局部節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)或分別進(jìn)行集中式、分布式和直播混合融合，效果十分明顯[1]。

2 無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)自主飛行控制發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，將其在小麥、玉米以及水稻等殺蟲(chóng)劑噴施領(lǐng)域與果園中的應(yīng)用進(jìn)行了比較，在復(fù)雜農(nóng)區(qū)的運(yùn)行中存在應(yīng)用效果不理想、自操作性能差以及自控能力差等問(wèn)題，由于植保產(chǎn)品無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此目前無(wú)人機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)很高。對(duì)實(shí)際飛行阻力來(lái)說(shuō)，手工操作仍是最重要的方法。由于駕駛員視距變化和環(huán)境參數(shù)能力的限制，UAV實(shí)際飛行參數(shù)的精度無(wú)法滿足實(shí)際要求，影響了應(yīng)用效果。為進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的自主控制能力，改進(jìn)無(wú)人機(jī)的自主控制。飛行器精確空間定位和自主飛行是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一，室外空間定位的精度直接影響到無(wú)人機(jī)的使用效果，同時(shí)還考察了實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間對(duì)排氣量分布的影響[2]。

3 傳感器在無(wú)人駕駛飛機(jī)中的應(yīng)用

3.1 航空感測(cè)網(wǎng)絡(luò)

航空傳感器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)人機(jī)平臺(tái)最常用的載體技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)人機(jī)的核心組成部分，可直接獲取無(wú)人機(jī)所需的資源和數(shù)據(jù)。該傳感器在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是當(dāng)無(wú)人機(jī)收到外部信息后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給相應(yīng)的處理和檢測(cè)中心。有時(shí)，為確保安全取暖，可將其存放在無(wú)人機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備中，待無(wú)人機(jī)停飛后，取出數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)故障分析，這對(duì)無(wú)人駕駛飛機(jī)有重要作用。傳感精度也是保障無(wú)人機(jī)安全的重要因素，無(wú)人駕駛飛機(jī)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，不斷提高了傳感器的速度和精度。為提高空氣保護(hù)傳感器的效率，科學(xué)家們對(duì)其布局進(jìn)行了優(yōu)化或協(xié)調(diào)改進(jìn)。

3.2 傳感器的參數(shù)

UAV系統(tǒng)的傳感器參數(shù)可以分為2類：靜態(tài)特征參數(shù)和動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。在傳感器的輸入、輸出以及時(shí)變等靜態(tài)參數(shù)中。傳感器是無(wú)人機(jī)的核心，對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行起舉足輕重的作用。傳感器的作用取決于無(wú)人機(jī)是否能夠穩(wěn)定地工作并接收準(zhǔn)確的信息。在傳感器的研究與開(kāi)發(fā)中，傳感器參數(shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)[3]。

3.3 精確的導(dǎo)航技術(shù)

UAV導(dǎo)航也是技術(shù)的核心，必須結(jié)合多傳感器進(jìn)行配置。無(wú)人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的任務(wù)通常具有危險(xiǎn)性，要順利地完成任務(wù)，就需要精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及集成不同類型的傳感器，這時(shí)就要根據(jù)采集的信息制定實(shí)施一套完整的系統(tǒng)。由于無(wú)人機(jī)傳感技術(shù)的新發(fā)展和新挑戰(zhàn)，其自主導(dǎo)航需要具備以下3個(gè)方面的能力：1） 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)必須具備自主飛行的能力。2） 無(wú)人機(jī)能精確導(dǎo)航、定位和接收傳感器信息。3） 出于安全考慮，在無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷完善的同時(shí)，我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)也逐漸成熟，需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化導(dǎo)航和各種能力，使無(wú)人機(jī)能夠安全穩(wěn)定地工作。其準(zhǔn)確性、適應(yīng)性、安全性和可靠性均有明顯提高。無(wú)人駕駛飛機(jī)的傳感器是提高無(wú)人機(jī)性能的重要手段。

4 無(wú)人機(jī)自主飛行控制整體方案

該文采用4架微型無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，包括聯(lián)合計(jì)算飛行器和開(kāi)源飛行控制2種控制系統(tǒng)。LIDAR和 RTKGPS是一種空間位置傳感器。Mavros和 Muflink之間的通信協(xié)議為無(wú)人駕駛飛機(jī)提供了精確自主飛行控制的總體方案。整個(gè)系統(tǒng)由地面站、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和飛行人員3個(gè)部分組成，如圖1所示。無(wú)線電RFD900+和便攜式計(jì)算機(jī)無(wú)人系統(tǒng)包括4個(gè)無(wú)人機(jī)平臺(tái)，開(kāi)源 Pixhawk、RTKGPS移動(dòng)電臺(tái)、無(wú)線終端和 LidarPlus。當(dāng)單機(jī)飛行中出現(xiàn)緊急情況時(shí)，無(wú)人機(jī)可切換到手動(dòng)控制模式[4]。

圖1 無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)自主飛行控制方法整體方案

利用UDP協(xié)議建立局域網(wǎng)，并在遠(yuǎn)程控制和飛行參數(shù)傳輸領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)交互，各種硬件通過(guò)UDP協(xié)議完成RTKGPS硬件架構(gòu)后，首先使用地面站快速控制臺(tái)程序驗(yàn)證準(zhǔn)確長(zhǎng)度、車站當(dāng)前位置的寬度和高度；其次，利用快速控制臺(tái)通過(guò)5 Hz UDP獲取載頻絕對(duì)位置和相位觀測(cè)信息。定位和差分信號(hào)通過(guò)RTKGPS控制器進(jìn)行傳輸，RFD900+無(wú)線電臺(tái)設(shè)計(jì)用于地面和地面之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，地面終端和空中終端支持Mavrink。通信協(xié)議的工作區(qū)域?yàn)?02 MHz～928 MHz，通信協(xié)議區(qū)的通信距離可達(dá)40 km。

5 人機(jī)系統(tǒng)組成

無(wú)人系統(tǒng)在四旋翼無(wú)人機(jī)的平臺(tái)上有3個(gè)鋰電池。Pixhawk駕駛員-無(wú)人駕駛?cè)丝刂破?，該設(shè)備配備了模塊和SwitpiksiMultirtkGPS接收天線，使無(wú)人駕駛飛機(jī)在太空中可以進(jìn)行精確定位。另外，選擇Raspberry-PI3 （Raspberry-PI3）作為聯(lián)合計(jì)算機(jī)，執(zhí)行擴(kuò)展的用戶控制程序。Pilotenco處理器和各種精確傳感器之間的無(wú)線通信可兼容開(kāi)放式PX4和 Arduplot飛行控制器。通過(guò)無(wú)線電與地面站進(jìn)行飛行控制。目前飛行參數(shù)可實(shí)時(shí)返回地球站，IMU數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)傳感器（例如RTKGPS和 LIDAR）綜合評(píng)估無(wú)人機(jī)的狀態(tài)。在收到合作計(jì)算機(jī)的稅務(wù)指令后，控制安裝和定位無(wú)人機(jī)[5]。

6 RTK GPS和激光雷達(dá)靜態(tài)性能測(cè)試

6.1 RTK GPS

在加利福尼亞大學(xué)戴維斯草坪上對(duì)GPS系統(tǒng)的靜態(tài)和相對(duì)位置精度進(jìn)行了試驗(yàn)。參考站和移動(dòng)站都使用相同的 Piksi multignss，2個(gè)模塊通過(guò)設(shè)置相關(guān)參數(shù)而有所不同。Swiftconsole用于確定當(dāng)前參考站位置的精確坐標(biāo)。開(kāi)啟底座發(fā)射器。移動(dòng)臺(tái)位于基臺(tái)的北面，參考站根據(jù)目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)和精密坐標(biāo)值進(jìn)行修正，無(wú)線電臺(tái)將修正及精確坐標(biāo)值送至移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)收到參考站上載的數(shù)據(jù)后，對(duì)觀測(cè)位置進(jìn)行修正，得到準(zhǔn)確的絕對(duì)位置信息。利用基準(zhǔn)線與基準(zhǔn)站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲得相對(duì)位置信息。

6.2 激光雷達(dá)

RTKGPS在垂直方向上的相對(duì)位置誤差通常大于水平方向的相對(duì)位置誤差，它只能反映移動(dòng)臺(tái)與參考站的相對(duì)位置，但不能反映移動(dòng)臺(tái)與地面的相對(duì)位置。為提高無(wú)人機(jī)模擬地面飛行的能力，激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)與地面相對(duì)距離的實(shí)時(shí)測(cè)量，裝置位于UAV下。為了確保飛行高度的穩(wěn)定，在天氣晴朗、風(fēng)速小的情況下，首先對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行拖曳，并設(shè)置了安全氣囊。在從地面站經(jīng)過(guò)5 m遠(yuǎn)的地面站確認(rèn)無(wú)人駕駛飛機(jī)正常飛行后，將無(wú)人機(jī)提升到2.5 m，此時(shí)無(wú)人機(jī)依靠 RTK和 GPS水平定位，依靠激光雷達(dá)保持高度，測(cè)驗(yàn)需要9 min。測(cè)試過(guò)程中，UAV 的運(yùn)行受到多種環(huán)境因素的影響，其定位過(guò)程直接影響無(wú)人機(jī)的定位過(guò)程。另外，隨著時(shí)間的推移，無(wú)人機(jī)的鋰電池性能會(huì)逐漸下降，這也會(huì)對(duì)其動(dòng)力性能產(chǎn)生負(fù)面影響。植保產(chǎn)品水平的穩(wěn)定，直接影響噴藥的質(zhì)量和飛行的安全，水稻為等時(shí)線，葉形密集，株高比較均勻，用激光測(cè)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行平均濾波，可以得到更詳細(xì)的相對(duì)高度信息。果樹(shù)的葉型變化很大，植株較薄。使用單點(diǎn)激光雷達(dá)測(cè)量相對(duì)高度時(shí)，數(shù)據(jù)將出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

7 試驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試方案由O、a、B、C和E組成，并由6個(gè)任務(wù)點(diǎn)構(gòu)成五級(jí)封閉飛行軌跡。從圖2中可以看出，O點(diǎn)作為起始點(diǎn)，其坐標(biāo)被定義為（0，0，0） ；其他任務(wù)點(diǎn)與起始點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)如圖2所示。為提高實(shí)時(shí)多點(diǎn) GPS和激光雷達(dá)的實(shí)際定位精度，無(wú)人駕駛飛機(jī)到達(dá)剎車區(qū)后，其飛行速度與當(dāng)前位置和任務(wù)點(diǎn)的距離成正比，也就是無(wú)人機(jī)越近，飛行速度越慢。只有當(dāng)前位置坐標(biāo)和任務(wù)坐標(biāo)在X、Y方向上的絕對(duì)誤差小于0.1 m，如果無(wú)人機(jī)在進(jìn)入制動(dòng)器區(qū)30 s內(nèi)不能到達(dá)任務(wù)點(diǎn)，那么放棄搜索無(wú)人機(jī)，飛到下一個(gè)任務(wù)點(diǎn)。因此，任務(wù)失敗不會(huì)影響整個(gè)任務(wù)的進(jìn)度。假如當(dāng)前任務(wù)點(diǎn)的高度大于下一個(gè)任務(wù)點(diǎn)，無(wú)人機(jī)將以當(dāng)前高度飛到下一個(gè)任務(wù)點(diǎn)，然后降低高度。測(cè)驗(yàn)前，任務(wù)點(diǎn)的坐標(biāo)和波長(zhǎng)都輸入待辦事項(xiàng)列表中。試驗(yàn)開(kāi)始后，無(wú)人機(jī)獨(dú)立起動(dòng)，按任務(wù)順序運(yùn)行。所有任務(wù)完成后，UAV在起飛位置自主降落，離開(kāi)自主飛行模式和任務(wù)管理系統(tǒng)，在UAV飛行中顯示位置信息。設(shè)置和速度信息會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在飛行控制器的 SD卡上。測(cè)試地點(diǎn)選在美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯草坪的 RTKGPS基站，用三腳架固定，遠(yuǎn)離樹(shù)木及建筑物，盡量避免信號(hào)的干擾。

圖2 無(wú)人機(jī)自 主飛行試驗(yàn)方案示意圖

Pixhawk是控制 arduplot程序的飛行控制器，raspberryPI3作為協(xié)同計(jì)算，對(duì)飛行控制器的機(jī)載傳感器和外部傳感器進(jìn)行整合，以改變無(wú)人機(jī)的狀態(tài)等級(jí)，構(gòu)建四級(jí)控制系統(tǒng)和高精度定位系統(tǒng)。UAV戰(zhàn)斗分為不同的子任務(wù)，任務(wù)以任務(wù)列表的形式快速組合。協(xié)作電腦和飛行控制器通過(guò) Mavlink通信協(xié)議進(jìn)行交互。該系統(tǒng)控制任務(wù)的執(zhí)行，后者接收任務(wù)參數(shù)，用于對(duì)無(wú)人機(jī)的定位和位置控制。為提高空間定位精度和自主飛行性能，制定了相應(yīng)的試驗(yàn)方案，并執(zhí)行飛行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該無(wú)人機(jī)能按規(guī)定的飛行軌跡自主地在多個(gè)任務(wù)點(diǎn)間飛行。

8 結(jié)論

隨著時(shí)代的發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展也會(huì)越來(lái)越成熟，無(wú)人機(jī)的傳感器也在發(fā)展中發(fā)揮積極的作用。無(wú)人機(jī)將不同類型的傳感器結(jié)合在一起，能更好地完成各種任務(wù)，具有較大的承載能力、預(yù)警和控制能力，不同類型的傳感器具有不同的功能，因此可以提供空氣探測(cè)、地面探測(cè)以及通信等功能，以適應(yīng)時(shí)代變化。傳感器和無(wú)人駕駛飛機(jī)的未來(lái)將走向知識(shí)和大數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)的種類也會(huì)更加豐富，以滿足各種任務(wù)的需要。然而，無(wú)人機(jī)傳感器的研究涉及航空和電子2個(gè)方面。因此這是一項(xiàng)非常復(fù)雜和困難的工程，一旦研究成功，將對(duì)信息戰(zhàn)產(chǎn)生巨大的影響。無(wú)人偵察機(jī)具有廣闊的發(fā)展前景，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)傳感器技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，并能更好地為人們服務(wù)。