一种农用无人机飞行控制系统方案设计

王佳宇++包丰艳

【摘 要】：为满足日益增长的农用无人机对飞行控制的需求，本文提出了一种集合了地面站，飞行控制系统的整体方案。首先分析了该方案的特点，随后分别给出了地面站系统和飞行控制系统的设计，最后基于该方案给出了在某农用无人机飞行控制系中的具体应用。该系统具有使用方便，成本低廉，在对农用无人机的普及应用方面有一定的工程和经济价值。

【关键词】：农用无人机；飞行控制系统；地面站

引 言

伴随着技术的逐渐成熟，无人机由于工作适应性强，操作灵活、工作效率高、使用成本低等特点，目前正受到世界范围内越来越多国家的关注，现已在民用领域得到大力推广。无人机系统涉及的学科领域广、复杂程度高，包含有机体结构、飞行控制、数据传输、航路规划等，是集多种技术学科于一体的综合性研究对象。

植保无人机是农机领域的智能高端装备，是用于农作物保护作业的无人驾驶飞机，该型无人飞机由飞行平台（固定翼、单旋翼、多旋翼）、GPS 飞控、喷洒机构三部分组成，通过地面遥控或 GPS 飞控来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等。

为了提高农药喷洒的效率和安全性，植保无人机服务农业首先在日本、美国等发达国家得到了快速发展。1990 年，日本山叶公司率先推出世界上第一架无人机，主要用于喷洒农药。

中国作为农业大国，18 亿亩基本农田每年需要大量的农业植保作业[1]。据统计，全世界每年有 300 万农药中毒者，我国每年由于农药污染食品而造成的中毒者人数年均近 20 万，约占食物中毒人数的 1/3。利用农用无人机进行植保作业，由操控人员进行远距离遥控，甚至采用预先航路规划的方法，由无人机自主飞行，完成植保作业，该方式将打破特殊地势的局限，同时使人与农药的接触率降到最低，防治效果相比人工和其它措施有了显著改善，同时节省了用药量和用水量，提高了药物使用率，能够极大提高生产效率。

为了适应农业信息化的要求，农用小型无人机除了要求其自身的特点之外，还要具备对飞行姿态进行稳定及精确的控制系统。目前无人机领域还没有成套面向农业领域的无人机的飞行控制与任务管理系统，现有的飞行控制与任务管理系统大多沿用国外已有的技术或者沿用一部分军事领域常用的技术，具有系统复杂，开发成本高等缺陷。所以研究一种适合于农业领域的具有复杂度较低，精确度较高，操作使用简便的的农用无入机控制与任务管理系统具有十分重要的经济意义。本研究根据农用无人机的使用特点，设计了一套农用无人机的飞行控制与任务管理系统，其特点是：系统复杂度较低、控制精度高、任务规划系统简便易操作，适用范围广泛等特点。

1 无人机飞行控制系统总体架构

无人机飞行控制系统是无人机的神经中枢，其功能主要有自动增稳控制和与导航设备联合使用实现自主飞行。在无人机收到干扰，陀螺仪、加速度计及大气数据测量系统将敏感到的无人机姿态信息、位置信息、加速度信息和速度信息等参数送至飞行控制计算机经过飞控结算后，通过控制操纵面偏转调整无人机的姿态和速度，保证无人机按照预定的轨迹飞行[2]。

本文设计的飞行控制系统，将飞行控制单元、地面测控系统和飞行仿真计算机进行综合设计，整个飞行控制系统的原理如图1所示：

图1 飞行控制系统总体方案

其中，自动驾驶仪完成导航结算及无人机姿态控制，完成无人机指定任务；地面能够接收无人机下传的遥测信息，对无人机的状态及任务完成情况进行实时监测，同时能够通过无线链路上传航路信息及遥控操作信息，实时对无人机操控。

在此对该系统进行简要的介绍，整个无人机飞行控制系统具有三种工作模式：全自主工作模式，半自主工作模式及遥控飞行控制模式。全自主模式：无人机飞行控制系统按照预先设定的航路信息及任务指令，全程自主完成飞行控制，无需飞控手参与。半自助工作模式：无人机接入增稳控制，操控手通过地面站将遥控指令信息，如姿态，速度指令上传至自动驾驶仪，完成无人机遥控操作飞行。遥控飞行模式：飞控手操作遥控器，通过遥控接收机接收遥控指令，直接控制无人机的飞行，该模式多应用于无人机控制参数调节阶段。

此外，该飞行控制系统还设置了飞控手遥控飞行训练功能，通过模拟训练，增加飞控手对无人机性能的了解，降低实际飞行中遥控操作的风险。

2 无人機地面测控系统

无人机测控系统主要用于传输地面操控人员的指令，传送地面站实时规划的无人机飞行航迹信息，能够实现无人机飞行控制参数的在线调整；负责将无人机的姿态参数、位置坐标和工作状态等信息回传给地面站，由地面站实时显示无人机的飞行参数、飞行姿态、航向航迹等信息，还可以对飞行数据进行保存和回放。

无人机地面测控系统包括：测控计算机，差分GPS基准站，高增益天线等设备构成。其中测控计算机运行于windows环境，操纵杆通过USB接口接入测控计算机。

测控计算机接收的无人机姿态、位置等信息在地面站软件实时显示，

本文所选择地面站系统应用于本研究后期的验证性实验，将主控系统与该地面站通过电台建立双向数据通信，以达到对无人机遥控指令上传、差分基准数据上传及遥测数据下传监测等功能。其界面如图2所示。

图2 地面控制站界面示意图

该地面站需要通过主控制板与GPS模块和数据传输模块来创建出整体运行机构，地面站功能如图3所示。在执行航行任务过程中大多运用地面站数据显示结构中的仪表界面和电子地图显示功能完成对飞行数据和飞行轨迹的监测，并在数据分析结构中完成对飞行数据的记录。同时，地面站还提供了“遥控自动驾驶”的模式使得飞行器在手动控制下可以按照期望的飞行轨迹进行飞行。

图3 无人机地面站系统功能图

这款地面站所具备的主要特点有：支持众多类型的无人驾驶工具，包括固定翼，多旋翼，直升机和地面车辆等。并且相关程序已经编写完备，只需输入控制参数即可对控制对象进行操控。在实际飞行时支持多个航点规划，可对上百个航点进行设定。

3 无人机姿态控制系统

飞行控制系统是无人机完成各种姿态动作的指挥中心，依靠这个指挥中心来实现稳定可控的自动导航、自主飞行、飞行数据采集等功能[3]。本文所研究的农用固定翼无人机姿态控制系统的控制原理如图4所示。本系统共有三个回路，分别为：由舵机构成的舵机回路、由整个系统构成的稳定回路和由传感器反馈量构成的控制回路，三个控制回路形成嵌套关系，舵回路实现对无人机各机翼舵机的及时调整，使其具有将机身姿态实现矫正的功能；稳定回路使无人机的飞行姿态维持在可控范围内，也使系统阻尼特性加强；控制回路主要功能是保持飞机飞行轨迹，如高度的稳定与保持，进而可以构成自主着陆系统。本文通过对图中的飞行器环节进行数学建模，选择适宜于农用遥感无人机的控制策略，完成对实验无人机的各项控制参数的调试，结合所建立的数学模型和控制策略进行仿真实验和实际飞行试验。无人机姿态控制原理如图4所示。

图4 无人机姿态控制系统

当无人机在空中进行巡航时，检测无人机飞行的各种传感器传回的数据就会在同一时间汇集到飞行控制计算机中，例如当惯性测量单元传发过来姿态与航向信息，GPS传回的距离和位置信息，陀螺传过来的角运动信息等，都会由系统中的计算装置完成对这些传感器信号的处理、运算，然后通过相关的控制方法和策略，解算得到每个操纵执行机构的控制量，然后将这些控制量分别安排到相应的执行结构上去执行，以完成对无人机的控制。

3.1 控制架构的选择

目前，民用小型无人机一般采取传统经典PID的控制方式对其飞行状态参数进行不断纠正，传统PID控制的本质就是系统中所有回路的依次闭合，控制原理图如图5所示[4]。在无人机领域应用经典控制方法可以对飞行姿态实现相对精确有效的控制，经典控制方法的控制结构可以依据实际操作经验和知识来建立，参数调节简单，并且可以根据系统传递函数来判定系统的稳定性。

农用无人机，多采用常规布局，自身具有良好的稳定性，经典PID控制完全能胜任该类无人机飞行控制，此外，考虑到后续农用无人机应用前景广泛，PID控制架构需要调节参数少，调节方式简便，普通操作人员可以通过简单的培训即可完成调试工作，从而选用该控制架构。

图5 PID控制架构原理图

3.2 无人机姿态控制系统设计

无人机的纵向运动是指无人机在垂直面内的运动特性，主要包括无人机的纵向角运动和纵向线运动。飞机的纵向角运动主要是指使飞机按照预设的俯仰角度值进行飞行，并以此作为无人机角运动的直接控制变量，角度的数值获取可以通过主控系统的IMU模块实现。

在对角运动进行控制过程中，飞机俯仰角参数是属于长周期的变化运动，它的变化以及建立稳定的时间都会非常长；同时，飞机上所受外界环境的影响以及作用在飞机操纵机构上的误差都会对飞机力矩发生一定程度的改变。在无人机的纵向控制中，由于该方向力矩的作用而产生的纵向角加速度会使无人机在俯仰通道平面内产生振荡，导致对无人机俯仰角的控制产生偏差，因此本文引入俯仰角速度在俯仰角控制过程中作为俯仰角控制系统的内回路，内回路又称为阻尼回路，在内回路中主要是俯仰角速率作用，纵向角运动进行控制主要是由俯仰角作为外回路来控制。

图6 无人机姿态控制原理图

在无人机的纵向线运动中，直接被控对象是飞机的高度，而无人机高度受飞机姿态和推力变化而改变，由于依靠推力控制飞行高度响应速率较慢，所以主要通过改变俯仰角度来保持飞行高度，尤其是当无人机纵向通道的俯仰角度发生变化时对高度的影响十分明显。假定当前无人机以水平状态飞行，并且此时速度矢量与机体某一轴平行，此时飞机的仰角与迎角都为零。无人机飞行高度升高时的俯仰角呈正值变化，无人机飞行高度降低时俯仰角为负值变化。无论俯仰角的如何变化，最终都会导致飞行高度的改变。因此，在控要对无人机当前俯仰角与设定值进行实时比较，若实际值大于设定值无人机就进行下滑动作；反之无人机进行爬升动作，如果当前俯仰角与期望的俯仰角相等时，无人机就会保持当前状态进行巡航飞行。

类似航向及滚动通道的设计类似，具体就不在此赘述。在实际使用过程中，有控制理论基础的操作人员，可以按照本设计过程对无人机操控进行仿真调参，对于无基础的操作人员无需对控制器设计过程过多关注，可以按照一定的经验规律，对参数进行在线调整，使用十分简便。整个参数设置界面见图7：

图7 无人机控制参数设置界面

4 应用实例

飞行实验要预先规划的航線上进行，需要将无人机手动控制飞离地面，无人机起飞过程如图8所示。当无人机飞行相对稳定后，切换至由地面站控制的自主飞行，飞机在航点1处朝航点2直线飞行，此时无人机以俯仰角运动占主导，以一定俯仰角做高度上升飞行。在飞行高度达到预设数值时，飞行状态处于水平巡航状态，；当飞行至航点2处时，无人机在副翼控制做滚转运动，在姿态调整完毕后，在航点2.3之间以预设高度保持巡航状态。

图8 无人机飞行试验示例

从图8中可以看出，无人机飞行航迹跟踪效果达到预期目的，飞行控制参数在默认值的基础上，稍作调整，即能达到良好的控制效果。该套控制系统，在界面上简洁直观，使用上有很大的便利。

5小结

随着科技的发展，无人机在各领域的占有量和利用率逐渐提高。大规模的推广农用无人机的使用，不仅能够摆脱劳动力紧缺，资源使用率低的困境，无人机作业的高效快速的特点还能保证农作物的良好生长，创造巨大经济效益。本文针对农用无人机研究了一套具有普遍适应性飞行控制操作系统，从实际的使用结果看，该套系统具有使用简单，成本低廉，可靠性高，适应范围广泛的特点，具有较高的工程及经济价值。

参考文献

[1] 朱宪良. 农用无人机植保应用发展的探讨.农机科技推广，2014.

[2] 谷新宇.微小型无人机飞行控制系统的设计与实现[D].湖南：国防科学技术大学，2010.

[3] 何湘智，王荣春，罗倩倩.固定翼无人机纵向控制律设计及仿真验证[J].科学技术与工程， 2010（009）：2134.2138.

[4] 李玮.无人机PID控制及智能PID控制技术的研究[D].南京：南京理工大学，2004.1.10.