适用于农田信息采集的多旋翼无人机控制系统

发布时间：2020-08-07 04:03

【摘要】：农业航空技术是精准农业研究的热点。多旋翼无人机对不规则地形具有良好适应性,被广泛用于农田信息、国土资源监测。利用多旋翼无人机可以及时准确地收集作物生长信息,使生产管理者能作出快速、精准的决策,是实施精准农业的重要组成部分,对促进农业现代化具有重要意义。本论文以多旋翼无人机作为研究对象,研究适用于农田信息采集的多旋翼无人机控制系统。该飞行控制系统由多旋翼无人机平台、嵌入式主控制器和位姿传感器组成。本研究设计了基于模糊-比例积分偏差修正的姿态测量方法和基于扩展卡尔曼滤波的姿态估计方法对无人机姿态进行测量,为无人机姿态稳定控制提供准确的姿态信息。采用双闭环专家PID控制策略使无人机姿态稳定可控且具有较好的抗干扰能力。采用基于多传感器测算的高度控制方法控制无人机飞行高度,使无人机可以稳定保持在某一高度位置。最后把控制系统参数保存在存储器,并通过无线数据传输系统把无人机状态信息发送到上位机。本文研究内容如下:(1)介绍了四旋翼无人机开源项目。通过对开源项目中的飞行控制系统构建方法、姿态估算、控制策略进行调查和资料搜集,为本文后续研究的飞行控制系统提供参考。选用APM飞控作为开源项目试验对象,对其进行配置和测试,并给出飞行试验结果。(2)介绍了适用于农田信息采集的多旋翼无人机平台的构建方法,以电能为动力,对机架、电池、电机、电调和螺旋桨进行选型。介绍了控制系统中各电子设备的设置及通信接口。系统主控器采用STM32F407,与外部传感器及电子设备使用I2C接口、USART接口和SPI接口进行通信,采用定时器接收遥控输入信号和输出电机控制信号。介绍了MPU6050传感器、AK8975磁强计、MS5611气压计和超声波传感器的特点、工作原理及其在系统中的具体设置与使用。(3)根据本文研究的多旋翼无人机旋翼布局为“X型”,对其进行受力分析、运动分析,并说明其控制原理。定义导航坐标系和机体坐标系,并描述两个坐标系之间的转换关系。采用四元数方法表示多旋翼无人机姿态。姿态测量是多旋翼无人机姿态闭环控制的反馈部分。根据系统采用的传感器测量特性,对其进行校准以提高测量精度。然后提出了基于四元数的模糊-PI偏差修正的多传感器信息融合姿态解算方法,该算法能够实时准确修正多传感器的测量偏差。通过静态与动态试验可知,所设计的姿态测量系统具有良好的实时性,能满足多旋翼无人机姿态准确测量要求,可以快速准确测量机体运动情况。在长时间静态测量中,测量角度并未产生静态漂移和发散。(4)卡尔曼滤波作为基于最小方差估计的经典递推算法,已被应用在多传感器姿态测量中。采用主控器STM32F407、6轴运动处理传感器MPU6050和三轴磁强计AK8975构建了多传感器姿态测量硬件系统。并提出了基于该硬件系统的扩展卡尔曼滤波姿态估计方法。该滤波通过利用加速度计和磁强计测量数据来补偿陀螺仪漂移引起的姿态测量误差。通过试验比较,得到基于该卡尔曼滤波姿态估计系统的协方差较优取值组合。该系统在静态测量时未产生静态漂移和发散,在动态测量中其误差小于模糊-PI双模调节偏差修正方法。但卡尔曼滤波运算量较大,更新速率较慢。(5)无人机控制系统需要执行姿态估算,处理输入输出信号,运行控制算法等多个任务,因此使用任务调度方法执行系统多个任务。对遥控输入信号进行有效性检查,输入控制量转换,一阶低通滤波,上锁与解锁切换处理。多旋翼无人机电机高速旋转,在低空环境飞行,其稳定性易受自然风、电磁波等因素干扰。在姿态控制中采用双闭环结构,综合运用PID和专家控制策略,通过凑试法找到合适的双闭环PID控制参数,实时调整控制策略。对所设计的无人机控制系统进行抗干扰和阶跃输入控制试验,并采集室外飞行数据。试验证明采用的双闭环PID专家控制策略使控制系统姿态稳定、可控且具有较好的抗干扰能力,可满足无人机低空农田信息采集要求。(6)在高度控制中,选用MS5611气压计和US-100超声波传感器作为高度测量传感器。针对适用于农田信息采集多旋翼无人机对高度控制的要求,提出了气压计、超声波传感器和加速度计多源信息融合方法,以测算无人机垂直速度和高度信息。提出了基于气压计的单闭环PID垂直速度控制策略和基于超声波的双闭环高度控制策略。试验数据表明油门通道输入能有效调整无人机的高度位置,采用的气压计、超声波传感器和加速度计融合测算的垂直速度与高度信息可满足无人机的高度控制要求。提出的基于气压计的单闭环PID垂直速度控制策略,有效控制无人机升降速度;提出的由外环PD和内环PID组成的双闭环高度控制策略,使无人机定高飞行,满足无人机近地面采集农田信息高度稳定控制要求。(7)适用于农田信息采集的无人机控制系统应具有保存系统参数、无线传输无人机状态信息功能。选用Flash存储器W25Q32保存传感器偏移值和控制参数,采用FATFS方式方便用户根据飞行环境修改系统参数。同时采用无线数据传输系统把无人机状态信息发送到上位机。为了保证无线传输数据正确可靠,设计了数据通信协议避免丢包现象造成的接收数据错误。
【学位授予单位】：华南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S251
【图文】：

德国,自主飞行,理工大学,旋翼飞行器

图 1.1 德国 Micro Drones 公司的MD4-200Fig.1.1 MD4-200 made by Micro Drones inGermany图 1.2 法国 AR.DRONEFig.1.2 AR.DRONE from France在国外，目前对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在三方面：基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案（黄敦华等，2011）。典型代表有：瑞士洛桑联邦科技学院的 OS4（Omnidirectional Stationary Flying OutstretchedRobot）、宾夕法尼亚大学的 HMX4、佐治亚理工大学的 GTMARS、斯坦福大学的STARMAC（Stanford Tested of Autonomous Rotorcraft for Multi-Agent Control）等（黄敦华等，2011）。2006 年 1 月，瑞士洛桑理工大学自动化系统实验室研发了电动小型四旋翼无人机

法国,自主飞行

科技学院,联邦

1.3 瑞士洛桑联邦科技学院 OS4Fig.1.3 OS4 made by Swiss FederalInstitute of Technology in Lausanne图 1.4 斯坦福大学的四旋翼飞行器Fig.1.4 Four-rotor of Stanford University麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）UAVSHMP 研发目的过地面操作实现多个无人机在动态环境中连续执行任务。测试平台由改装的四旋人机 Dragonflyer VTi 和无人车组成，主要用于监督和追踪车辆和地面目标。使用惯性测量单元进行姿态测量，激光扫描阵列感知周围环境、重建并规划飞行航线。该项目已完成了室内环境下四旋翼无人机的飞行演示，其中包括多架四旋翼对目行连续搜索、跟踪、多机协同和编队飞行等实验，如图 1.5、图 1.6、图 1.7（范等，2011；仵敏娟，2007；岳基隆，2010；How et al., 2008）。

【参考文献】