引言

植保無人機作為新興的植保機械之一,具有作業(yè)效率高、防治效果好等特點,近年來得到了快速的發(fā)展:然而農(nóng)田的地形往往高低起伏,地塊周邊環(huán)境也普遍復(fù)雜,這要求植保無人機必須具備可靠的仿地飛行功能。近年來,各無人機廠商都針對仿地飛行進行了研究,并推出了相關(guān)產(chǎn)品。極飛科技的P30植保無人機裝配了毫米波雷達,可實現(xiàn)最大30m高度的仿地飛行:大疆創(chuàng)新的T16植保無人機裝配了3609全向毫米波雷達,使用雷達點云技術(shù)進行地形探測,實現(xiàn)仿地飛行。

本文使用毫米波雷達進行相對高度測量,詳細分析了雷達數(shù)據(jù)的處理過程:設(shè)計了仿地飛行控制策略和控制器,實現(xiàn)了仿地飛行,并使用Z-3N無人直升機進行了試飛試驗驗證。

1雷達數(shù)據(jù)處理

雷達數(shù)據(jù)處理的目的是獲取可靠的雷達數(shù)據(jù)和雷達故障狀態(tài),數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

1.1數(shù)據(jù)有效性判斷

毫米波雷達進行高度測量時,地面狀況多變,其測量數(shù)據(jù)有可能突跳,故需要對雷達數(shù)據(jù)進行有效性判斷。判斷流程如圖2所示:如果雷達測量值與上一拍輸出值之差小于Ⅳm,則直接判定雷達測量數(shù)據(jù)正確:如果雷達測量值與上一拍輸出值之差較大,則還需要進一步判斷雷達數(shù)據(jù)有效性。將雷達測量值與前M拍的測量值比較,如果偏差都小于Ⅳm,則認為是地形變化導(dǎo)致雷達測量值有較大變化,判定雷達測量數(shù)據(jù)正確:如果有偏差大于Ⅳm則判定雷達數(shù)據(jù)有突跳,測量數(shù)據(jù)錯誤。

圖3是Z-3N無人直升機搭載毫米波雷達的飛行測試數(shù)據(jù),可見經(jīng)過有效性判斷后的雷達高度較為平滑,有效去除了突變的虛假數(shù)據(jù)。

1.2姿態(tài)補償

飛機的姿態(tài)變化會對雷達測量值有不同程度的影響,故需對雷達數(shù)據(jù)進行姿態(tài)補償,盡可能地減小姿態(tài)對測量高度的影響。姿態(tài)補償原理如圖4所示:俯仰、橫滾均會對雷達測量值產(chǎn)生影響:令真實高度為H,測量高度為H0,俯仰角為A,橫滾角為λ,有以下公式關(guān)系:H=H0×coSA×coSλ。

1.3濾波器設(shè)計

植保飛行作業(yè)時,由于作物高矮及稀疏程度不同,會導(dǎo)致雷達測量數(shù)據(jù)有較大毛刺變化,需對測量數(shù)據(jù)進行濾波處理。以檸檬樹為例,植株的半徑在3m左右,間距6m左右,作業(yè)時飛行速度3m/S,飛機經(jīng)過樹木的周期約為3S,由此設(shè)計了一階低通濾波器,轉(zhuǎn)折頻率為2rad/S。進行低矮作物作業(yè)時,雷達測量數(shù)據(jù)毛刺較小,故可適當減弱濾波器,以增強測量數(shù)據(jù)的實時性,針對低矮作物設(shè)計了一階低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率為1.3rad/S。

1.4故障診斷

雷達故障主要分為雷達測量范圍故障和雷達通信故障,兩種故障只要發(fā)生一個就判定雷達故障,都沒有發(fā)生則判定雷達正常。

(1)雷達測量范圍故障:雷達的測量范圍一般在50m以內(nèi),當飛機相對地面過高時雷達隨時可能失效,故障診斷流程如圖5所示:雷達范圍正常時進行故障判斷,雷達范圍故障時進行恢復(fù)正常的判斷。

(2)雷達通信故障:雷達與飛控采用232串口通信,雷達輸出頻率為40Hz,如果飛控檢測到雷達幀頻發(fā)生較大波動,表明通信被干擾或雷達出現(xiàn)異常。故障診斷流程如圖6所示:雷達通信狀態(tài)正常時進行故障判斷,雷達通信故障時進行恢復(fù)正常的判斷。

2仿地飛行控制

2.1高度控制器設(shè)計

分別設(shè)計了過載控制回路、垂速控制回路和高度控制回路,控制器整體結(jié)構(gòu)如圖7所示,高度控制器和過載控制器采用比例控制計算控制輸出,垂速控制器采用比例積分控制計算控制輸出。

設(shè)計的控制器在Z-3N無人直升機進行了試飛驗證,圖8、圖9數(shù)據(jù)是Z-3N無人直升機進行山地除草時的仿地飛行數(shù)據(jù),在5300至8300時刻(共計200S)打開仿地飛行功能,高度設(shè)定值為13.6m:仿地飛行過程中飛機飛行距離105m,飛機GPS高度下降100m,可見山地坡度已達459,而雷達高度設(shè)定值與反饋值最大偏差6m,仿地效果較好。

2.2高度切換設(shè)計

植保作業(yè)時,操縱者根據(jù)實際情況有可能隨時打開或關(guān)閉仿地飛行功能,而切換時刻雷達高度和GPS高度往往偏差較大,控制器必須保證在切換時總距不發(fā)生突跳,保證切換前后飛機飛行平穩(wěn)、沒有擾動。

由2.1節(jié)可知,垂速控制器的輸出直接驅(qū)動舵機的運動,故在切換前后要保證垂速控制器的平穩(wěn)。本文在開啟仿地飛行時先將系統(tǒng)高度切換為雷達高度,隨即根據(jù)垂速控制器的設(shè)定值反算出高度設(shè)定值,即H1=VSp/Kh+Hradar,從而保證垂速控制器的垂速指令不變,使之輸出平穩(wěn)。具體切換邏輯如圖10所示。

如圖11所示,仿地飛行開啟時GPS高度與雷達高度有接近30m偏差:圖12表明仿地飛行開啟后系統(tǒng)切換至雷達高度,故系統(tǒng)高度出現(xiàn)近30m的突跳:由圖13可知,仿地飛行開啟時總距沒有變化,沒有給飛機帶來擾動。由此可見,仿地飛行開啟時雖然系統(tǒng)高度產(chǎn)生近30m的突跳,但總距變化不大,飛機垂向平穩(wěn)。

3結(jié)語

本文針對毫米波雷達設(shè)計了一套數(shù)據(jù)處理流程,具體包括數(shù)據(jù)有效性判斷、姿態(tài)補償、數(shù)據(jù)濾波及故障診斷,有效解決了無人機植保作業(yè)時雷達測量值的突跳問題,保證了數(shù)據(jù)的有效性和平滑性:設(shè)計了仿地飛行高度控制器和高度切換策略,實現(xiàn)了仿地飛行,并保證了仿地飛行和定高飛行之間的無擾切換。山地飛行作業(yè)表明,仿地飛行控制效果較好。