基于激光傳感器的農業無人機避障路徑控制系統設計

陳希

(河南科技大學 農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著高效農業的理念和有關技術的不斷改進與推廣，農業無人機應用越來越廣泛，以高效、便利、經濟的特點使農業無人機漸漸替換傳統農業，傳統依賴人力耕作的方式已逐漸被現代先進的自動化耕作方式所取代。農業無人機已成為農業行情觀測的關鍵手段與主導力量。但是農業無人機使用過程會受到障礙物影響，導致其撞擊與墜毀，增加成本。因此對農業無人機避障路徑控制系統研究尤為重要[1]。

關于農業無人機避障路徑控制系統研究諸多，文獻[2]根據農業無人機飛行流程中存在避障問題，利用模型預測系統方式對其避障路徑進行調控。先設計預測模型系統調整方案，同時給出整個參數調整流程，并根據能力和時間集合最優解設定其目標對象，建立其避障路徑優化模型系統，最后依據滾動優化方法對其避障優化模型系統進行計算，解決農業無人機飛行軌跡中的避障問題，但計算復雜，消耗大量時間；文獻[3]根據當前農業無人機獨立避障能力差與避障控制系統復雜問題，使用深度學習方式對無人機避障進行控制。使用無人機的雙目相機采集圖像，當其與監測障礙物相差<5 m時，自己啟動避障控制系統，對采集圖像進行處理并輸送到卷積神經網絡中，通過姿態角度和油門量控制無人機獨自飛行和避障，但該方法控制正確率較低。

基于此，本文采用Pixhawk飛控、激光傳感器、GPS位置定位等方式設計農業無人機避障路徑控制硬件系統，再利用陀螺儀與加速度、磁力計、串級執行調節與運動方程線性化等設計其軟件系統，獲得其避障路徑姿態、位移、高度的控制，實現了農業無人機安全、有效與快速的避障路徑控制，避免碰撞事件發生，降低成本，達到自主飛行目的。

1 激光傳感器的農業無人機避障系統設計

1.1 農業飛行控制系統硬件設計框架

農業無人機屬于不穩定飛行設備，因此在飛行過程中需要不停地調整其姿態、高度、位置運動軌跡，使得無人機能夠趨向理想運動路徑[4]。為此，采用激光傳感器對農業無人機避障路徑控制硬件系統進行設計，如圖1所示。

圖1 激光傳感器系統硬件構成

根據圖1可知，整個飛行避障路徑控制硬件系統由Pixhawk飛控模塊與傳感器模塊兩部分構成。其中，Pixhawk飛控模塊是將Pixhawk飛控設備當作整個避障路徑控制系統核心處理設備，其作用就是綜合算出激光傳感器收集來的信息，并依據任務要求輸出響應的控制指令來控制農業無人機飛行狀態；傳感器模塊中激光傳感器功能是獲取高度數據，GPS模塊是獲取位置數據，避障傳感器是獲取障礙物數據。

1)Pixhawk飛控設備

Pixhawk飛控設備也被稱為Pixhawk自動駕駛設備，隨著其不斷改進與完善，現有的Pixhawk自動駕駛設備作用非常強大，不僅支持超近、中程、遠程無人機等諸多農業無人機機型，還能集成若干種擴展接口，使Pixhawk自動駕駛設備的研發和使用變成可能。Pixhawk飛控設備使用兩種處理設備，即主處理設備與故障應對處理設備。其中，主處理設備使用具備超強計算功能的STM32F437芯片，故障應對處理設備則使用32位ARM微控制器。使用這兩個處理設備最大的優勢是安全、平穩，能夠加強該系統抗干擾功能。例如，在主處理設備發生故障時，不能確保農業無人機正常運行，還有故障應對處理設備管理飛行控制作業，確保農業無人機能夠安全、平穩繼續執行飛行操作。

2)GPS位置監測單元

為了確保農業無人機飛行路徑的安全、穩定，選擇GPS位置定位，其具備作業穩定、搜索功能強等特征。另外GPS模塊還能提供高精準度的導航信息數據，使Pixhawk飛控設備可以正確提取出農業無人機的控制位置，降低空間位置信息數據誤差，有效解決了撞擊、墜毀等問題。為此選用的GPS模塊提供的空間位置信息誤差<0.4 m。

針對以上要求，文中選用P307高精度北斗RTK定位板卡，此板卡對比其他GPS產品具備以下優點：

1)可以使用差分技術獲得高精度位置信息數據，精準度可達到厘米級；

2)兼容ROX、RTCM、CMR、CMR+等多種RTK差分數據格式；

3)COAST和Sure Track技術使用，能在差分丟失信息數據的狀況下，依舊能夠保持40 min時間定位狀態；

4)具有消耗功率小、尺碼小、質量輕等特征，極適合農業無人機載GPS設備，保證農業無人機作業安全。

3)高度監測單元

為了確保農業無人機在工作流程中運行高度的安全、穩定性，要求激光傳感器的測量正確率<0.3 m。即使Pixhawk飛控板中集成有略微氣壓激光傳感器，也能用于運行高度的實時檢測。但因為農業無人機位于低空作業，而氣壓傳感器位于低空時，其測量準確率會受空氣流動與溫度變化而導致其上下浮動，此時氣壓傳感器的測量誤差最大值大約能達到1.5 m。為此微型氣壓器傳感器MS5611-01BA位于低空時測量精度遠遠滿足不了農業無人機工作運行的要求。

為了滿足農業無人機對高度測量的需求，文中使用激光傳感器當作高度測量傳感器。該激光傳感器外形小，質量通常不超過23 g，并且有多種通信接口，為實際的使用、研發提供基礎功能。此激光傳感器可以在100 m內正確地對目標對象進行定位，并且將測量精度控制在厘米范圍內。

1.2 農業無人機避障系統軟件設計

激光傳感器的農業無人機避障路徑控制軟件系統則使用GX Developer對PLC進行編程控制。GX Developer是三菱通用性能極強的編程軟件，能夠實現信息數據管理、數據輸送與避障路徑控制等功能。

該軟件系統主要分為避障路徑姿態控制、高度控制與位置控制。其中姿態控制采用陀螺儀與加速度、磁力計等收集無人機的狀態數據，再使用擴展卡爾曼過濾運算得出激光傳感器仰角θ、滾角γ與偏航角ψ數據，并做信息整合，得出高精度的無人機姿態角數據；高度控制使用串級執行調節設備來控制無人機飛行高度與爬升速度，實現無人機高空控制；位置控制通過運動方程線性化算法獲得障礙物位置，控制農業無人機飛行路徑。

a)姿態控制

農業無人機通常使用航姿參考系統對其進行姿態控制。該控制流程是由磁阻計與陀螺儀、加速度三部分構成。航姿參考系統的作用是能夠為無人機飛行控制系統提供其姿態與航向信息數據。因為航姿參考系統使用的激光傳感器性能不佳，其最主要問題就是噪聲太大，所以由航姿參考系統監測得出的農業無人機姿態信息和真實姿態相差極大。為此，想要通過航姿參考系統得出正確姿態數據，則需要使用激光傳感器對無人機避障路徑進行姿態控制[5]，文中使用擴展卡爾曼濾波設備對飛行姿態數據做出控制。

卡爾曼濾波設備在設計初始僅是針對線性系統，但在應用中慢慢被發現其使用的范圍極小。為了使該過濾設備也能夠處理非線性系統問題，就在該設備上研發擴展設備，即擴展卡爾曼濾波設備。其本質就是將非線性系統轉化為線性化系統，再利用卡爾曼濾波設備做處理，其處理流程如下：

設定非線性模型：

(1)

式中：f()與h()分別表示非線性函數；Xk表示該系統k時刻的狀態；Zk表示k時刻監測數值；Wk-1、Vk表示隨機變量。

擴展卡爾曼濾波設備為二次型估計設備，其對非線性系統的工作過程劃分成預測與修正兩個部分。

1)預測流程

(2)

再預測k時刻的誤差協方差Pk-

Pk-=AkPk-1AkT+WkQk-1WkT

(3)

式中：Ak表示狀態矩陣；Qk-1表示流程噪聲。

2)修正流程

先算出擴展卡爾曼增益矩陣

(4)

式中：Hk為測量矩陣；Vk為噪聲聲級；Rk為該流程噪聲。

再依據得出測量數值，算出更新數值Zk與其誤差的協方差Pk，即：

(5)

Pk=(1-KkHk)Pk-

(6)

根據擴展卡爾曼濾波設備得出這三種設備的姿態角信息，并進行信息整合，最終得出正確姿態角數據。

b)高度控制

農業無人機高度控制設備通常使用串級控制設備來完成。外環是PID高度控制設備，控制農業無人機的避障路徑高度，內環則利用P控制設備來控制其爬升速度。因為農業無人機在高度上無阻尼，極易發生系統超調過量，所以將控制爬行速度加入內環，能更好地完成系統超調，增強該軟件系統控制的性能[6]。

農業無人機高度控制設備結構如圖2所示。

圖2 農業無人機避障路徑高度控制結構

控制高度的PID設備以目前高度為反饋數值，并以理想高度為初始數值；將高度PID控制設備送出的理想速度為速度內環的初始數值，并以此速度為反饋數值[7]。最后農業無人機以內環送出數值為依據控制該軟件系統中電機轉速，實現農業無人機避障路徑高度控制[8]。

c)位置控制

(7)

式中：Kpx、Kdx、Kix為x軸方向上通道控制系數；Kpy、Kdy、Kiy為y軸方向上通道控制系數；Kpz、Kdz、Kiz為z軸方向上通道控制系數。

避障路徑位置控制流程基本要求是在無超調的狀況下加快響應速度，保證無穩態誤差，完成基于激光傳感器的農業無人機避障路徑控制系統設計。

2 實驗結果分析

為了驗證所設計的基于激光傳感器的農業無人機避障路徑控制系統效果和可行性，利用1.2小節中姿態控制、高度控制以及位置控制的方法和流程分別進行驗證，其實驗結果如下。

2.1 姿態

為了驗證激光傳感器下農業無人機避障路徑姿態控制系統性能，采用對比方法將本文系統與文獻[2]和文獻[3]系統進行比較，其檢測結果如圖3-圖5所示(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

圖3 不同方法下滾角速率變化情況

圖4 不同方法下俯仰角控制對比情況

圖5 不同方法下偏航角對比情況

從圖3可知，在0～3 s時，農業無人機位于準備起飛狀態，本文控制系統、文獻[2]和文獻[3]控制系統得出滾角情況與理想滾角數值結果一致；在27 s時，理想滾角為0.5 rad/s，本文控制系統得出滾角為0.52 rad/s，文獻[2]控制系統得出1.1 rad/s，文獻[3]控制系統得出1.49 rad/s；在80 s時，理想滾角為-0.15 rad/s，而本文與文獻[2]、文獻[3]控制系統得出滾角分別為-0.25 rad/s、-0.46 rad/s、-0.46 rad/s。本文控制系統最接近理想滾角數值，故證實本文系統對滾角控制性能良好。

根據圖4看出，在20 s時，理想俯仰角是-0.45 rad/s，本文控制系統獲得的俯仰角是-0.45 rad/s，文獻[2]、文獻[3]控制系統獲得的俯仰角均是-0.8 rad/s；在60 s時，理想俯仰角為-0.5 rad/s，而本文與文獻[2]、文獻[3]控制系統獲得的俯仰角分別是-0.49 rad/s、-0.8 rad/s、-1.1 rad/s，均證實本文系統性能優于文獻[2]和文獻[3]系統。

從圖5折線變化情況看出，本文系統折線變化情況最接近理想偏航角折線，文獻[2]與文獻[3]都較理想折線較遠，由此證明本文系統控制偏航角精準度較高。

綜上所述，通過對姿態的滾角、俯仰角、偏航角控制結果分析均證實本文控制系統性能極佳，并且準確率較高。

2.2 高度

在農業無人機距離障礙物為10 m時，該無人機檢測出障礙物后進行減速。在其距離障礙物為3 m時開始進行繞弧運動，當繞過障礙物后返回計劃運動軌跡，同時沿著指定航線繼續工作。下面采用本文與文獻[2]、文獻[3]系統進行對比，高度變換情況如圖6所示。

圖6 農業無人機避障路徑控制系統高度控制情況

根據圖6可知，本文系統高度控制存在誤差大約為0.02 m，文獻[2]與文獻[3]系統高度控制存在誤差分別是0.1 m、0.05 m，本文系統高度控制誤差最小，證實本文高度控制性能良好。

2.3 位置

將農業無人機懸停在距離地面100 m地方，經過地面檢測得出不同系統下該無人機位置變化情況，如圖7所示。

從圖7可知，在27 s、42 s時，其變化最大，理想控制位置與本文位置控制相差0.001 m，文獻[2]相差0.06 m，文獻[3]相差0.13 m。從整體上看本文系統位置控制極佳，驗證了本文避障路徑位置控制性能的魯棒性極佳。

3 結語

所設計系統能夠使農業無人機快速、精準躲避障礙物，并通過硬件與軟件雙重控制更好地實現便捷、快速的路徑避障系統設計，在極短時間內完成其路徑避障。農業無人機避障路徑控制系統本質就是在線實時計劃農業無人機自己獨立判斷的流程。通過農業無人機環境感知傳感器模塊監測環境與場景變換，實時計劃任務對象并生成飛行路徑，再依據飛控指令與調度信息數據，控制農業無人機精準跟蹤所生成的路徑，最終完成飛行目的。由于整個流程環境參數與此系統的不確定特征，就需要農業無人機對該系統參數與隨機干擾具備較好的魯棒性。雖然本文方法在避障路徑控制系統方面取得一定成果，但受時間、課本因素影響，該系統還可以增添一些程序，如仿真程序、執行程序等，更好地控制農業無人機避障路徑飛行。