基于參數(shù)優(yōu)化的植保無人機(jī)飛控系統(tǒng)性能分析

張 莉

(永城職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 永城 476600)

0 引言

近年來,我國農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的技術(shù)飛速發(fā)展,應(yīng)用覆蓋面逐年提升,業(yè)內(nèi)不少專家學(xué)者對(duì)其展開更為深入與精確的研究,針對(duì)植保機(jī)的飛行姿態(tài)控制、耦合性能優(yōu)化及軌跡傳感融合等方面均有涉及。用于農(nóng)田噴藥或灌溉的植保無人機(jī)動(dòng)作控制屬于牛頓歐拉與動(dòng)量平衡模型,以自動(dòng)升降、遠(yuǎn)程操控、無人作業(yè)為特征。為進(jìn)一步改善其作業(yè)的效率及飛控系統(tǒng)的執(zhí)行性能,擬以飛控核心控制參數(shù)優(yōu)化為切入點(diǎn),選擇飛控系統(tǒng)的平穩(wěn)度作業(yè)區(qū)間為研究對(duì)象,以整機(jī)性能指標(biāo)穩(wěn)定高效為目標(biāo),考慮空間停留位置及角度等信息,基于軌跡與驅(qū)動(dòng)的核心算法展開討論。

1 植保機(jī)飛控系統(tǒng)原理

圖1為某田間植保無人機(jī)施藥作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。根據(jù)植保無人機(jī)的主要結(jié)構(gòu)性能參數(shù)(見表1),可將該植保無人機(jī)的飛控系統(tǒng)執(zhí)行原理簡(jiǎn)要概述為：機(jī)體執(zhí)行變量/定量噴灑模式,經(jīng)地面控制中心監(jiān)控與宏觀調(diào)整,用手持遙控裝置對(duì)無人機(jī)的飛控系統(tǒng)給出相關(guān)指令;控制系統(tǒng)接收指令信號(hào)后,經(jīng)數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換為可被噴施裝置執(zhí)行的命令,各噴施部件展開相應(yīng)動(dòng)作。其間,機(jī)體飛行氣流、噴灑霧滴與飛行高度、速度等參數(shù)互相影響變化,從而形成指令化的田間控制施藥作業(yè)。植保無人機(jī)控制流程如圖2所示。

圖1 植保無人機(jī)施藥作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Pesticide spraying operation scene of the crops protection unmanned aerial vehicle

圖2 植保無人機(jī)的飛控系統(tǒng)控制流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Flow chart of the flight control system of the plant protection UAV

表1 植保無人機(jī)的主要結(jié)構(gòu)性能參數(shù)Table 1 Main structural and performance parameters of the crops protection UAV

植保機(jī)動(dòng)力提供源泵體的均勻化參數(shù)調(diào)控與設(shè)置是實(shí)現(xiàn)該飛控系統(tǒng)準(zhǔn)確控制的核心環(huán)節(jié)之一,主要包含泵的流量與壓力、電機(jī)的執(zhí)行參數(shù)及藥液的體積控制等。經(jīng)初始化的飛控系統(tǒng)需對(duì)飛控指令進(jìn)行等值化匹配及飛行參數(shù)判定,才能輸出正確的執(zhí)行動(dòng)作,以符合指令停止參數(shù)為最終判定依據(jù),執(zhí)行一次控制作業(yè)。

2 參數(shù)分析及系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

植保無人機(jī)飛控參數(shù)與噴灑作業(yè)參數(shù)密切相關(guān),以平穩(wěn)自然條件為前提,保證作業(yè)的均勻性為目標(biāo),建立植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)控制模型,即

CV=β0+β1T+β2P+β3H

(1)

式中CV—植保機(jī)飛控系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)變異系數(shù);

T—植保無人機(jī)配備的噴施裝置類型;

P—植保無人機(jī)噴施裝置壓力(MPa);

H—植保無人機(jī)作業(yè)的噴施高度(cm);

β0、β1、β2、β3—植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)模型回歸系數(shù)。

植保無人機(jī)的飛控系統(tǒng)核心控制模型,如圖3所示。由圖3可知：整機(jī)控制在變異系數(shù)初始值r(t)的條件下展開,通過設(shè)定參數(shù)值與位姿值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在控制系統(tǒng)的跟蹤目標(biāo)ym(t)的實(shí)時(shí)調(diào)整下,NNC與NNI間接配合,輸出植保機(jī)飛控系統(tǒng)的參數(shù)控制值;此時(shí),設(shè)定初始值與實(shí)際作業(yè)運(yùn)行值的差距e(t)被及時(shí)反饋至初始位置,形成閉環(huán)控制模型。

圖3 植保無人機(jī)的飛控系統(tǒng)核心控制模型Fig.3 Schematic diagram of the core control model of the plant protection UAV flight system

以參數(shù)優(yōu)化為手段,飛行能耗與誤差之間的平衡點(diǎn)為最佳設(shè)計(jì)指標(biāo),針對(duì)整機(jī)飛控系統(tǒng)的控制裝置,建立飛控系統(tǒng)的二次型性能指標(biāo)控制模型,即

(2)

式中u—任意變化值;

Q—指標(biāo)模型半正定常數(shù)矩陣;

R—指標(biāo)模型正定常數(shù)矩陣。

2.2 系統(tǒng)硬件優(yōu)化

參數(shù)綜合優(yōu)化后,對(duì)整機(jī)飛控系統(tǒng)硬件配置進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置,如圖4所示。主控制模塊主要由定時(shí)器、IIC、USART等組成,與數(shù)據(jù)傳輸接口、遠(yuǎn)程控制接口、姿態(tài)測(cè)量接口和電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能調(diào)控,針對(duì)軌跡偏離與著落位姿態(tài)進(jìn)行解算通信,完成無人控制功能,并對(duì)電機(jī)的PWM幅度的調(diào)控進(jìn)行內(nèi)部輸入輸出控制。

圖4 植保無人機(jī)飛控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagrammatic sketch of the hardware layout of the UAV flight control system

為確保控制裝置的性能穩(wěn)定,增設(shè)抗干擾控制裝置,圖5給出了植保無人機(jī)的飛控姿態(tài)內(nèi)部關(guān)系。

圖5 植保無人機(jī)飛控姿態(tài)內(nèi)部關(guān)系簡(jiǎn)圖Fig.5 Internal relationship diagram of flight control posture of the crops protection UAV

由圖5可知：X、Y方向與機(jī)體翻轉(zhuǎn)、俯仰角度在控制參數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中實(shí)時(shí)進(jìn)行,確保飛行位姿與作業(yè)參數(shù)的強(qiáng)耦合度;同時(shí),遠(yuǎn)程監(jiān)控基于ANDROID平臺(tái),針對(duì)著陸模塊增設(shè)自主避障控制指令,信號(hào)的采集、濾波與控制轉(zhuǎn)換形成多通道的精準(zhǔn)參數(shù)處理模式,最終經(jīng)控制執(zhí)行反饋裝置達(dá)到預(yù)期的作業(yè)軌跡。

2.3 系統(tǒng)軟件調(diào)控

無人機(jī)飛控系統(tǒng)軟件關(guān)鍵參數(shù)配置,如表2所示。

表2 植保無人機(jī)飛控系統(tǒng)軟件關(guān)鍵參數(shù)配置Table 2 Key parameters settings of flight control system software for the crops protection UAV

針對(duì)飛控系統(tǒng)軟件,建立控制參數(shù)的信息處理綜合應(yīng)用系統(tǒng),以控制迭代算法為工具,設(shè)計(jì)功能簡(jiǎn)圖(見圖6),通過數(shù)據(jù)鏈路處理,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置、界面管理與性能測(cè)試等。

圖6 植保機(jī)飛控系統(tǒng)軟件配置功能簡(jiǎn)圖Fig.6 Diagrammatic sketch of the software configuration function on the crops protection UAV control system

3 植保無人機(jī)飛控試驗(yàn)

3.1 條件設(shè)置

進(jìn)行植保無人機(jī)飛控系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性及參數(shù)優(yōu)化可行性試驗(yàn),設(shè)置如表3所示的飛控系統(tǒng)主要試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)時(shí),變化植保機(jī)作業(yè)的不同程度占空比,對(duì)比植保機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)如初始位置、初始速度、慣性矩陣等變化情況,設(shè)置如下前置條件：①外界干擾系數(shù)一定;②提供源動(dòng)力泵體彈模量一致;③無人機(jī)噴施管路系統(tǒng)運(yùn)行平衡;④控制參數(shù)范圍變化幅度相同等。

表3 植保無人機(jī)飛控系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Key parameters settings of flight control system software for the crops protection UAV

3.2 過程分析

經(jīng)后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件提取可得到智能飛控系統(tǒng)性能試驗(yàn)的PID參數(shù)設(shè)置友好型界面,如圖7所示。試驗(yàn)表明：結(jié)合傳統(tǒng)的PID與核心模糊控制算法,實(shí)現(xiàn)了可視化的參數(shù)匹配及飛控系統(tǒng)位姿各參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)控,如飛控系統(tǒng)俯仰角、翻滾角及偏航角等。

圖7 植保無人機(jī)的飛控系統(tǒng)性能試驗(yàn)PID參數(shù)設(shè)置Fig.7 PID parameter settings for performance test of plant protection UAV flight control system

整機(jī)飛控系統(tǒng)的執(zhí)行頻率在7Hz、飛行速度為1.5m/s的條件下,進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)模化統(tǒng)計(jì)并處理得到如表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表4可知：植保機(jī)飛控系統(tǒng)理論軌跡偏差與試驗(yàn)軌跡偏差間的誤差可控制在±0.2%范圍內(nèi),且在一定的占空比區(qū)間20%～60%范圍內(nèi),飛控系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)符合實(shí)際,隨著占空比的比例增大,軌跡偏差呈現(xiàn)出下降趨勢(shì);試驗(yàn)過程整機(jī)性能具有較好的穩(wěn)定度,驗(yàn)證了基于參數(shù)優(yōu)化的飛控系統(tǒng)各部件執(zhí)行動(dòng)作的可行性。

表4 植保無人機(jī)飛控系統(tǒng)試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Main data statistics of the flight control system test of crops protection UAV %

4 結(jié)論

1) 通過充分理解植保無人機(jī)飛控系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理,確定了控制系統(tǒng)的主要參數(shù),并利用植保機(jī)噴施分布與飛控參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系,考慮整機(jī)作業(yè)軌跡控制與避障動(dòng)作因素,建立植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)精準(zhǔn)控制算法模型。

2) 進(jìn)行了植保機(jī)飛控系統(tǒng)硬件配置與軟件調(diào)控,并融入PID與模糊控制理論結(jié)合,最大限度降低周圍干擾影響程度。

3) 飛控系統(tǒng)性能試驗(yàn)得到了可視化的參數(shù)調(diào)控界面,結(jié)果表明：在頻率與飛行速度一定條件下,植保機(jī)飛控系統(tǒng)理論軌跡偏差與試驗(yàn)軌跡偏差間的誤差較小,占空比與軌跡誤差存在負(fù)相關(guān)關(guān)系;試驗(yàn)過程整機(jī)系統(tǒng)性能運(yùn)行穩(wěn)定,以參數(shù)優(yōu)化為切入點(diǎn)的思路對(duì)于植保無人機(jī)的精準(zhǔn)調(diào)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控效率方面有較好的參考價(jià)值。