用于植保無(wú)人機(jī)的超聲波測(cè)高修正方法研究

段萍+++尹李亮+++丁承君

摘 要：精準(zhǔn)的高度測(cè)量對(duì)于植保無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)是非常重要的。文章針對(duì)超聲波測(cè)距的測(cè)量誤差進(jìn)行修正研究，首先利用卡爾曼和平均值濾波消除傳感器的不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)漂移，然后利用多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，獲得高精度的測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高度測(cè)量系統(tǒng)精度滿足多旋翼植保無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)高度數(shù)據(jù)的基本需求，并且此方法可推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：植保無(wú)人機(jī)；超聲波測(cè)距；多項(xiàng)式擬合；濾波；誤差修正

1 概述

高度的測(cè)量單元是無(wú)人機(jī)飛行控制中的核心設(shè)備之一，精確的高度是保證無(wú)人機(jī)飛行平穩(wěn)的一個(gè)必要因素，一個(gè)完善的高度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的研究和廣泛的應(yīng)用有很大的幫助[1]。一般來(lái)說(shuō)無(wú)人機(jī)上利用GPS和氣壓計(jì)進(jìn)行高度的測(cè)量，但是這兩者存在精度相對(duì)不高，容易受到氣候環(huán)境等因素的干擾，兩者測(cè)量的都是絕對(duì)高度，因此應(yīng)用上也會(huì)有一定的限制。

超聲測(cè)距具有成本低，易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，精度高，得到的數(shù)據(jù)是絕對(duì)高度，適合應(yīng)用于多旋翼植保無(wú)人機(jī)的高度測(cè)量系統(tǒng)中[2]。

2 誤差分析及濾波處理

在超聲波的測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)境噪聲、溫濕度、模塊本身的穩(wěn)定性，等等可能的原因造成的數(shù)據(jù)輸出不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)跳躍比較嚴(yán)重，因此針對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，首先先進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，本文采用一階卡爾曼和算術(shù)平均組合濾波，將數(shù)據(jù)誤差較大的數(shù)值濾除，然而通過(guò)串口讀取的超聲波高度數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量的距離有一定的誤差，而且誤差的大小不是恒定的，因此下一步就需要對(duì)超聲波的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，在本文中采取的方法就是多項(xiàng)式擬合法。

3 誤差的修正

小型植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)時(shí)候的飛行高度基本上是在4m以內(nèi)，因此選擇用標(biāo)定的方法對(duì)超聲波的誤差進(jìn)行修正，即從工作空間允許的距離數(shù)值區(qū)間中，取一定間隔的數(shù)值得到一組數(shù)據(jù)，然后通過(guò)測(cè)量分別將超聲波放置在相應(yīng)數(shù)值的高度，然后讀取超聲波實(shí)際輸出的距離數(shù)值，得到一組新的數(shù)據(jù)，再通過(guò)MATLAB對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為下一步中的多項(xiàng)式擬合修正做準(zhǔn)備。

設(shè)f（x）為原函數(shù)，g（x）為近似函數(shù)，{（xi，f（xi）），i=0，1，2，3，4…，n}為標(biāo)定采集到的n個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，我們需要找到一條曲線g（x），使的值最小，當(dāng)g（x）為m次多項(xiàng)式時(shí)稱為多項(xiàng)式擬合。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將擬合完畢的多項(xiàng)式帶入程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并輸出。如圖1所示，橫軸表示標(biāo)定值，“十”字點(diǎn)表示的點(diǎn)為用擬合的多項(xiàng)式進(jìn)行數(shù)據(jù)修正后實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，實(shí)線為理想狀態(tài)的數(shù)據(jù)， “×”表示的點(diǎn)為擬合前測(cè)得的數(shù)據(jù)；圖中可以看出“十”字線和實(shí)線基本重合。

由圖1可以看到，經(jīng)過(guò)多項(xiàng)式擬合后的數(shù)據(jù)跟理想數(shù)據(jù)基本吻合，基本上修正了超聲波模塊的誤差，但是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，跟理想的數(shù)據(jù)還是有誤差，但是通過(guò)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，可以知道標(biāo)定在50～2000的數(shù)據(jù)，誤差基本上都在2cm以內(nèi)，對(duì)于植保無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的算法用到的高度數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，這樣的誤差是可以接受的。

5 結(jié)束語(yǔ)

植保無(wú)人機(jī)擁有高精度的高度值，可以更加準(zhǔn)確的進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，使得農(nóng)藥可以得到合理的利用，減少了浪費(fèi)。對(duì)于本文中高度測(cè)量的精度，合理規(guī)劃產(chǎn)生的誤差的原因，跟做實(shí)驗(yàn)時(shí)候的讀數(shù)誤差，平臺(tái)本身的誤差，移動(dòng)平臺(tái)標(biāo)定距離時(shí)的誤差，以及溫度、濕度、噪音干擾等等的諸多原因有關(guān)。這樣的精度對(duì)于飛行控制系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)是可以被接受的，因此不再做進(jìn)一步的修正，如果標(biāo)定的數(shù)據(jù)點(diǎn)取間隔25mm的話，預(yù)測(cè)整體的精度會(huì)在25mm以內(nèi)，平均精度應(yīng)該在10mm左右。

參考文獻(xiàn)

[1]茹濱超，鮮斌，宋英麟，等.基于氣壓傳感器的無(wú)人機(jī)高度測(cè)量系統(tǒng)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，44：94-97.

[2]韓韌，金永威，王強(qiáng).基于STM32和超聲波測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016（04）：63-66.

作者簡(jiǎn)介：段萍（1973-），女，漢族，河北工業(yè)大學(xué)，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。

尹李亮（1990-），男，漢族，河北工業(yè)大學(xué)，碩士研究生。

丁承君（1973-），男，漢族，河北工業(yè)大學(xué)，博士，教授，博士生導(dǎo)師。