無人機飛行控制與傳感器融合導航應用

莊淡盛

（南昌航空大學，江西 南昌 330063）

0 引言

該文以多旋翼無人機系統為基礎，建立了一套由協同計算機和開放源飛行控制器組成的二級控制系統，解決了因定位精度差、飛行參數不穩定而引起的霧滴分布不均、重噴以及空氣污染等問題，進一步提高了無人機的自主飛行能力，實現了無人機精確自主任務點的直線飛行控制。為了在提高無人機定位精度的同時實現自主飛行，對實際作業中植保無人機定位精度低、飛行參數不穩定等問題進行了研究，并提出了相應的解決方案，為無人機精密應用技術的發展提供參考。

1 傳感器的基本原理

傳感器的基本原理是通過感知物體的外部信息，將其傳遞給控制系統，產生下一指令或信號。傳感元件包括傳感元件和轉換元件，其定位精度與傳感器關系密切。傳感器把接收到的信號傳送給控制系統，控制系統根據指令執行相應的動作。從無人機自身來看，無人機可在傳感器后方進行精確導航，這樣就可以實現對目標位置的精確導航。通常，僅依靠1個傳感器很難達到預期的目標，因此無人機往往攜帶多種傳感器，使用多傳感器一直是無人機中較為復雜的技術。由于傳感器的工作方式不同，根據不同傳感器提供的信息，控制系統會有不同的特點，例如時變、常變、快變以及慢變等，因此，在無人機上連接多個傳感器是非常困難的，并且可以通過多個傳感器幫助無人機進行精確導航。UAV導航控制能夠綜合傳感器的性能獲得環境信息。一般來說，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構，這3種方法各具優勢。集中式融合是利用傳感器收集到的全部信息提供數據、數據連接等，這樣做的好處是不會丟失很多有用的信息。盡管無人機的使用率很高，但是無人機技術的要求是相當高的。分布式混合融合是利用系統中的傳感器對其進行逐級處理，并將所獲得的各層次的信息分層發送到控制中心，該方法也是最常用的無人機飛行控制方法之一；采用分布式融合結構的無人機飛行控制系統傳感器具有獨特的跟蹤能力和良好的全球監控效果；多層融合結構基于上述2種方法對其進行改進，該技術綜合了集中式和分布式融合的所有特性，但是成本很高，其在多層融合架構中，各局部節點可以同時或分別進行集中式、分布式和直播混合融合，效果十分明顯[1]。

2 無人機精準自主飛行控制發展現狀

無人機具有較強的適應性，將其在小麥、玉米以及水稻等殺蟲劑噴施領域與果園中的應用進行了比較，在復雜農區的運行中存在應用效果不理想、自操作性能差以及自控能力差等問題，由于植保產品無人機結構復雜，因此目前無人機的安全風險很高。對實際飛行阻力來說，手工操作仍是最重要的方法。由于駕駛員視距變化和環境參數能力的限制，UAV實際飛行參數的精度無法滿足實際要求，影響了應用效果。為進一步提高無人機在復雜環境下的自主控制能力，改進無人機的自主控制。飛行器精確空間定位和自主飛行是精準農業的重要內容之一，室外空間定位的精度直接影響到無人機的使用效果，同時還考察了實驗參數和實驗時間對排氣量分布的影響[2]。

3 傳感器在無人駕駛飛機中的應用

3.1 航空感測網絡

航空傳感器網絡是無人機平臺最常用的載體技術，傳感器網絡是無人機的核心組成部分，可直接獲取無人機所需的資源和數據。該傳感器在無人機飛行控制系統中的應用是當無人機收到外部信息后，通過網絡將信息傳送給相應的處理和檢測中心。有時，為確保安全取暖，可將其存放在無人機存儲設備中，待無人機停飛后，取出數據系統進行詳細故障分析，這對無人駕駛飛機有重要作用。傳感精度也是保障無人機安全的重要因素，無人駕駛飛機技術的研究與開發，不斷提高了傳感器的速度和精度。為提高空氣保護傳感器的效率，科學家們對其布局進行了優化或協調改進。

3.2 傳感器的參數

UAV系統的傳感器參數可以分為2類：靜態特征參數和動態特征參數。在傳感器的輸入、輸出以及時變等靜態參數中。傳感器是無人機的核心，對無人機的運行起舉足輕重的作用。傳感器的作用取決于無人機是否能夠穩定地工作并接收準確的信息。在傳感器的研究與開發中，傳感器參數是一個非常重要的參數[3]。

3.3 精確的導航技術

UAV導航也是技術的核心，必須結合多傳感器進行配置。無人駕駛飛機執行的任務通常具有危險性，要順利地完成任務，就需要精確的導航系統以及集成不同類型的傳感器，這時就要根據采集的信息制定實施一套完整的系統。由于無人機傳感技術的新發展和新挑戰，其自主導航需要具備以下3個方面的能力：1） 無人機系統必須具備自主飛行的能力。2） 無人機能精確導航、定位和接收傳感器信息。3） 出于安全考慮，在無人機技術不斷完善的同時，我國無人機技術也逐漸成熟，需要對其進行驗證，優化導航和各種能力，使無人機能夠安全穩定地工作。其準確性、適應性、安全性和可靠性均有明顯提高。無人駕駛飛機的傳感器是提高無人機性能的重要手段。

4 無人機自主飛行控制整體方案

該文采用4架微型無人機作為平臺，包括聯合計算飛行器和開源飛行控制2種控制系統。LIDAR和 RTKGPS是一種空間位置傳感器。Mavros和 Muflink之間的通信協議為無人駕駛飛機提供了精確自主飛行控制的總體方案。整個系統由地面站、無人機系統和飛行人員3個部分組成，如圖1所示。無線電RFD900+和便攜式計算機無人系統包括4個無人機平臺，開源 Pixhawk、RTKGPS移動電臺、無線終端和 LidarPlus。當單機飛行中出現緊急情況時，無人機可切換到手動控制模式[4]。

圖1 無人機精準自主飛行控制方法整體方案

利用UDP協議建立局域網，并在遠程控制和飛行參數傳輸領域與計算機實現交互，各種硬件通過UDP協議完成RTKGPS硬件架構后，首先使用地面站快速控制臺程序驗證準確長度、車站當前位置的寬度和高度；其次，利用快速控制臺通過5 Hz UDP獲取載頻絕對位置和相位觀測信息。定位和差分信號通過RTKGPS控制器進行傳輸，RFD900+無線電臺設計用于地面和地面之間的雙向數據傳輸，地面終端和空中終端支持Mavrink。通信協議的工作區域為902 MHz～928 MHz，通信協議區的通信距離可達40 km。

5 人機系統組成

無人系統在四旋翼無人機的平臺上有3個鋰電池。Pixhawk駕駛員-無人駕駛人控制器，該設備配備了模塊和SwitpiksiMultirtkGPS接收天線，使無人駕駛飛機在太空中可以進行精確定位。另外，選擇Raspberry-PI3 （Raspberry-PI3）作為聯合計算機，執行擴展的用戶控制程序。Pilotenco處理器和各種精確傳感器之間的無線通信可兼容開放式PX4和 Arduplot飛行控制器。通過無線電與地面站進行飛行控制。目前飛行參數可實時返回地球站，IMU數據和外部數據傳感器（例如RTKGPS和 LIDAR）綜合評估無人機的狀態。在收到合作計算機的稅務指令后，控制安裝和定位無人機[5]。

6 RTK GPS和激光雷達靜態性能測試

6.1 RTK GPS

在加利福尼亞大學戴維斯草坪上對GPS系統的靜態和相對位置精度進行了試驗。參考站和移動站都使用相同的 Piksi multignss，2個模塊通過設置相關參數而有所不同。Swiftconsole用于確定當前參考站位置的精確坐標。開啟底座發射器。移動臺位于基臺的北面，參考站根據目前的觀測數據和精密坐標值進行修正，無線電臺將修正及精確坐標值送至移動臺。移動臺收到參考站上載的數據后，對觀測位置進行修正，得到準確的絕對位置信息。利用基準線與基準站進行數據交換，獲得相對位置信息。

6.2 激光雷達

RTKGPS在垂直方向上的相對位置誤差通常大于水平方向的相對位置誤差，它只能反映移動臺與參考站的相對位置，但不能反映移動臺與地面的相對位置。為提高無人機模擬地面飛行的能力，激光雷達實現了對無人機與地面相對距離的實時測量，裝置位于UAV下。為了確保飛行高度的穩定，在天氣晴朗、風速小的情況下，首先對無人機進行拖曳，并設置了安全氣囊。在從地面站經過5 m遠的地面站確認無人駕駛飛機正常飛行后，將無人機提升到2.5 m，此時無人機依靠 RTK和 GPS水平定位，依靠激光雷達保持高度，測驗需要9 min。測試過程中，UAV 的運行受到多種環境因素的影響，其定位過程直接影響無人機的定位過程。另外，隨著時間的推移，無人機的鋰電池性能會逐漸下降，這也會對其動力性能產生負面影響。植保產品水平的穩定，直接影響噴藥的質量和飛行的安全，水稻為等時線，葉形密集，株高比較均勻，用激光測點測量數據并對其進行平均濾波，可以得到更詳細的相對高度信息。果樹的葉型變化很大，植株較薄。使用單點激光雷達測量相對高度時，數據將出現明顯的波動。

7 試驗結果與分析

測試方案由O、a、B、C和E組成，并由6個任務點構成五級封閉飛行軌跡。從圖2中可以看出，O點作為起始點，其坐標被定義為（0，0，0） ；其他任務點與起始點的相對坐標如圖2所示。為提高實時多點 GPS和激光雷達的實際定位精度，無人駕駛飛機到達剎車區后，其飛行速度與當前位置和任務點的距離成正比，也就是無人機越近，飛行速度越慢。只有當前位置坐標和任務坐標在X、Y方向上的絕對誤差小于0.1 m，如果無人機在進入制動器區30 s內不能到達任務點，那么放棄搜索無人機，飛到下一個任務點。因此，任務失敗不會影響整個任務的進度。假如當前任務點的高度大于下一個任務點，無人機將以當前高度飛到下一個任務點，然后降低高度。測驗前，任務點的坐標和波長都輸入待辦事項列表中。試驗開始后，無人機獨立起動，按任務順序運行。所有任務完成后，UAV在起飛位置自主降落，離開自主飛行模式和任務管理系統，在UAV飛行中顯示位置信息。設置和速度信息會自動存儲在飛行控制器的 SD卡上。測試地點選在美國加利福尼亞大學戴維斯草坪的 RTKGPS基站，用三腳架固定，遠離樹木及建筑物，盡量避免信號的干擾。

圖2 無人機自 主飛行試驗方案示意圖

Pixhawk是控制 arduplot程序的飛行控制器，raspberryPI3作為協同計算，對飛行控制器的機載傳感器和外部傳感器進行整合，以改變無人機的狀態等級，構建四級控制系統和高精度定位系統。UAV戰斗分為不同的子任務，任務以任務列表的形式快速組合。協作電腦和飛行控制器通過 Mavlink通信協議進行交互。該系統控制任務的執行，后者接收任務參數，用于對無人機的定位和位置控制。為提高空間定位精度和自主飛行性能，制定了相應的試驗方案，并執行飛行測試。測試結果表明，該無人機能按規定的飛行軌跡自主地在多個任務點間飛行。

8 結論

隨著時代的發展，無人機技術的發展也會越來越成熟，無人機的傳感器也在發展中發揮積極的作用。無人機將不同類型的傳感器結合在一起，能更好地完成各種任務，具有較大的承載能力、預警和控制能力，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、地面探測以及通信等功能，以適應時代變化。傳感器和無人駕駛飛機的未來將走向知識和大數據。與此同時，無人機的種類也會更加豐富，以滿足各種任務的需要。然而，無人機傳感器的研究涉及航空和電子2個方面。因此這是一項非常復雜和困難的工程，一旦研究成功，將對信息戰產生巨大的影響。無人偵察機具有廣闊的發展前景，在不遠的將來，隨著科技的發展，無人機傳感器技術會越來越成熟，并能更好地為人們服務。