如何使用北斗進行農(nóng)用無人機的自主導(dǎo)航方法研究

　　目前無人機自主導(dǎo)航方法大多采用慣性導(dǎo)航與全球定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式，而采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航方法較少。本文主要針對當(dāng)前我國農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航方法的應(yīng)用需求，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方式，組裝搭建了四旋翼無人機自主導(dǎo)航實驗平臺，設(shè)計了基于北斗的農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)，并在實驗室環(huán)境和室外大田環(huán)境下進行懸停試驗和自主導(dǎo)航飛行試驗，經(jīng)試驗優(yōu)化與驗證，初步實現(xiàn)了農(nóng)用無人機的自主導(dǎo)航。

　　本文的主要研究內(nèi)容及成果如下：

　?。?）在分析現(xiàn)有農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)存在不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)業(yè)中無人機相關(guān)應(yīng)用方面的具體需求，選取四旋翼無人機飛行平臺作為硬件平臺進行組裝搭建。自主導(dǎo)航飛行平臺主要由飛行控制模塊、慣性測量模塊、北斗模塊、驅(qū)動模塊和通信模塊組成。通過對各模塊進行設(shè)計及安裝調(diào)試，組裝搭建了四旋翼無人機自主導(dǎo)航飛行平臺。在硬件平臺基礎(chǔ)上，對基于北斗的農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)進行飛行試驗驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定自主飛行。

　?。?）針對現(xiàn)有低成本北斗模塊定位精度不高，不能滿足農(nóng)用無人機定位精度要求，本文對比分析了兩種提高農(nóng)用無人機定位精度的算法，加權(quán)最d‘，--乘算法和擴展卡爾曼濾波算法。分別采用這兩種算法對北斗定位數(shù)據(jù)進行算法優(yōu)化，并對優(yōu)化后數(shù)據(jù)進行對比及軌跡仿真。仿真優(yōu)化結(jié)果表明，擴展卡爾曼濾波算法相比而言具有更好的優(yōu)化效果，通過構(gòu)建擴展卡爾曼濾波器對農(nóng)用無人機定位精度進行優(yōu)化，優(yōu)化后無人機定位精度可達3．07m，平均定位誤差為1．05m，初步滿足農(nóng)用無人機實際工作時的定位需求。

　?。?）針對農(nóng)用無人機作業(yè)環(huán)境的實際需要和使用要求，選取PID控制算法來進行飛行控制，最大．最小蟻群算法來進行路徑規(guī)劃，與提高無人機定位精度的擴展卡爾曼濾波算法共同組成了無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件部分。經(jīng)懸停試驗和自主導(dǎo)航飛行試驗驗證，本文所設(shè)計的自主導(dǎo)航系統(tǒng)可實現(xiàn)：自主導(dǎo)航飛行時，垂直方向上，高度最大誤差為2．98m，水平方向上，經(jīng)緯度最大誤差為3．65m，平均誤差為1．81m。初步實現(xiàn)了農(nóng)用無人機的自主導(dǎo)航，基本滿足農(nóng)用無人機的實際作業(yè)需求。

　　本篇論文共分為6章，各章內(nèi)容如下：

　　第一章緒論。論述本文選題的依據(jù)，研究目的與意義，國內(nèi)外當(dāng)前研究現(xiàn)狀，簡述基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航方法研究的必要性及重要性，并闡述研究內(nèi)容及技術(shù)路線。

　　第二章農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計。通過對農(nóng)用無人機實際作業(yè)時的需求和作業(yè)環(huán)境進行分析，確定自主導(dǎo)航所需硬件平臺的組成部分、整體架構(gòu)，再進行相關(guān)模塊的設(shè)計、安裝與調(diào)試，搭建自主導(dǎo)航方法試驗四旋翼無人機平臺。

　　第三章農(nóng)用無人機定位精度優(yōu)化方法研究。對所用低成本北斗模塊所采集的無人機定位數(shù)據(jù)，通過加權(quán)最小二乘算法和擴展卡爾曼濾波算法進行優(yōu)化改進，并對改進結(jié)果進行對比分析，選用最合適的算法作為提高無人機定位精度的優(yōu)化方法。

　　第四章農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計?；谧灾鲗?dǎo)航方法試驗平臺與計算機仿真環(huán)境，進行組合導(dǎo)航融合算法及路徑規(guī)劃算法研究。運用MATLAB R2010a軟件結(jié)合實際作業(yè)環(huán)境對幾種蟻群算法進行算法設(shè)計和仿真分析，通過對比仿真分析結(jié)果，選用最合適的算法作為路徑規(guī)劃方法，并最終完成農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

　　第五章農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)驗證與試驗。對本文設(shè)計的農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)進行驗證，通過進行懸停試驗和自主導(dǎo)航飛行試驗，驗證無人機自主導(dǎo)航方法的可行性與穩(wěn)定性。

　　第六章總結(jié)與展望。對已完成工作進行總結(jié)分析，對后續(xù)工作提出展望。

　　現(xiàn)有的農(nóng)用無人機多以四旋翼無人機和八旋翼無人機為主，與無人直升機相比，多旋翼無人機具有控制簡單、成本較低、機械可靠性高、設(shè)備損耗小的優(yōu)點（張欣2015）。因而在未搭載作業(yè)裝置，負載較小的情況下，搭建一臺四旋翼無人機作為自主導(dǎo)航方法的試驗平臺最為適合。本章主要對農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)硬件平臺的搭建進行簡要介紹。首先對硬件平臺的整體架構(gòu)及各組成部分進行簡要介紹，之后對無人機硬件平臺各模塊的設(shè)計、調(diào)試及安裝工作進行詳細介紹，最后完成系統(tǒng)硬件平臺的整體搭建。

　　農(nóng)用無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括控制無人機穩(wěn)定飛行的飛行控制模塊；為飛行控制提供數(shù)據(jù)和控制依據(jù)的慣性測量模塊和GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，其中慣性測量模塊包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計、高度氣壓計等傳感器；為飛行過程中數(shù)據(jù)傳輸提供支持的無線通信模塊和串口通信模塊；為無人機飛行提供動力支持的電源、電機、電調(diào)等驅(qū)動模塊以及必要的地面控制部分。同時，在后期應(yīng)用環(huán)節(jié)，硬件平臺還需要根據(jù)實際應(yīng)用選擇搭載藥箱和施藥裝置用于無人機植保，或者選擇搭載相機和增穩(wěn)云臺用于無人機遙感，實現(xiàn)其功能及設(shè)備的完整性。無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的整體架構(gòu)框圖如圖 2．1所示。