植保无人机仿地飞行控制研究

引言

植保无人机作为新兴的植保机械之一,具有作业效率高、防治效果好等特点,近年来得到了快速的发展:然而农田的地形往往高低起伏,地块周边环境也普遍复杂,这要求植保无人机必须具备可靠的仿地飞行功能。近年来,各无人机厂商都针对仿地飞行进行了研究,并推出了相关产品。极飞科技的P30植保无人机装配了毫米波雷达,可实现最大30m高度的仿地飞行:大疆创新的T16植保无人机装配了3609全向毫米波雷达,使用雷达点云技术进行地形探测,实现仿地飞行。

本文使用毫米波雷达进行相对高度测量,详细分析了雷达数据的处理过程:设计了仿地飞行控制策略和控制器,实现了仿地飞行,并使用Z-3N无人直升机进行了试飞试验验证。

1雷达数据处理

雷达数据处理的目的是获取可靠的雷达数据和雷达故障状态,数据处理流程如图1所示。

1.1数据有效性判断

毫米波雷达进行高度测量时,地面状况多变,其测量数据有可能突跳,故需要对雷达数据进行有效性判断。判断流程如图2所示:如果雷达测量值与上一拍输出值之差小于Ⅳm,则直接判定雷达测量数据正确:如果雷达测量值与上一拍输出值之差较大,则还需要进一步判断雷达数据有效性。将雷达测量值与前M拍的测量值比较,如果偏差都小于Ⅳm,则认为是地形变化导致雷达测量值有较大变化,判定雷达测量数据正确:如果有偏差大于Ⅳm则判定雷达数据有突跳,测量数据错误。

图3是Z-3N无人直升机搭载毫米波雷达的飞行测试数据,可见经过有效性判断后的雷达高度较为平滑,有效去除了突变的虚假数据。

1.2姿态补偿

飞机的姿态变化会对雷达测量值有不同程度的影响,故需对雷达数据进行姿态补偿,尽可能地减小姿态对测量高度的影响。姿态补偿原理如图4所示:俯仰、横滚均会对雷达测量值产生影响:令真实高度为H,测量高度为H0,俯仰角为A,横滚角为λ,有以下公式关系:H=H0×coSA×coSλ。

1.3滤波器设计

植保飞行作业时,由于作物高矮及稀疏程度不同,会导致雷达测量数据有较大毛刺变化,需对测量数据进行滤波处理。以柠檬树为例,植株的半径在3m左右,间距6m左右,作业时飞行速度3m/S,飞机经过树木的周期约为3S,由此设计了一阶低通滤波器,转折频率为2rad/S。进行低矮作物作业时,雷达测量数据毛刺较小,故可适当减弱滤波器,以增强测量数据的实时性,针对低矮作物设计了一阶低通滤波器转折频率为1.3rad/S。

1.4故障诊断

雷达故障主要分为雷达测量范围故障和雷达通信故障,两种故障只要发生一个就判定雷达故障,都没有发生则判定雷达正常。

(1)雷达测量范围故障:雷达的测量范围一般在50m以内,当飞机相对地面过高时雷达随时可能失效,故障诊断流程如图5所示:雷达范围正常时进行故障判断,雷达范围故障时进行恢复正常的判断。

(2)雷达通信故障:雷达与飞控采用232串口通信,雷达输出频率为40Hz,如果飞控检测到雷达帧频发生较大波动,表明通信被干扰或雷达出现异常。故障诊断流程如图6所示:雷达通信状态正常时进行故障判断,雷达通信故障时进行恢复正常的判断。

2仿地飞行控制

2.1高度控制器设计

分别设计了过载控制回路、垂速控制回路和高度控制回路,控制器整体结构如图7所示,高度控制器和过载控制器采用比例控制计算控制输出,垂速控制器采用比例积分控制计算控制输出。

设计的控制器在Z-3N无人直升机进行了试飞验证,图8、图9数据是Z-3N无人直升机进行山地除草时的仿地飞行数据,在5300至8300时刻(共计200S)打开仿地飞行功能,高度设定值为13.6m:仿地飞行过程中飞机飞行距离105m,飞机GPS高度下降100m,可见山地坡度已达459,而雷达高度设定值与反馈值最大偏差6m,仿地效果较好。

2.2高度切换设计

植保作业时,操纵者根据实际情况有可能随时打开或关闭仿地飞行功能,而切换时刻雷达高度和GPS高度往往偏差较大,控制器必须保证在切换时总距不发生突跳,保证切换前后飞机飞行平稳、没有扰动。

由2.1节可知,垂速控制器的输出直接驱动舵机的运动,故在切换前后要保证垂速控制器的平稳。本文在开启仿地飞行时先将系统高度切换为雷达高度,随即根据垂速控制器的设定值反算出高度设定值,即H1=VSp/Kh+Hradar,从而保证垂速控制器的垂速指令不变,使之输出平稳。具体切换逻辑如图10所示。

如图11所示,仿地飞行开启时GPS高度与雷达高度有接近30m偏差:图12表明仿地飞行开启后系统切换至雷达高度,故系统高度出现近30m的突跳:由图13可知,仿地飞行开启时总距没有变化,没有给飞机带来扰动。由此可见,仿地飞行开启时虽然系统高度产生近30m的突跳,但总距变化不大,飞机垂向平稳。

3结语

本文针对毫米波雷达设计了一套数据处理流程,具体包括数据有效性判断、姿态补偿、数据滤波及故障诊断,有效解决了无人机植保作业时雷达测量值的突跳问题,保证了数据的有效性和平滑性:设计了仿地飞行高度控制器和高度切换策略,实现了仿地飞行,并保证了仿地飞行和定高飞行之间的无扰切换。山地飞行作业表明,仿地飞行控制效果较好。