用于植保无人机的超声波测高修正方法研究

段萍+++尹李亮+++丁承君

摘 要：精准的高度测量对于植保无人机来说是非常重要的。文章针对超声波测距的测量误差进行修正研究，首先利用卡尔曼和平均值滤波消除传感器的不稳定造成的数据漂移，然后利用多项式拟合的方法对滤波后的数据进行修正，获得高精度的测量值。实验结果表明高度测量系统精度满足多旋翼植保无人机控制系统对高度数据的基本需求，并且此方法可推广应用到其他领域。

关键词：植保无人机；超声波测距；多项式拟合；滤波；误差修正

1 概述

高度的测量单元是无人机飞行控制中的核心设备之一，精确的高度是保证无人机飞行平稳的一个必要因素，一个完善的高度测量系统对多旋翼无人机控制系统的研究和广泛的应用有很大的帮助[1]。一般来说无人机上利用GPS和气压计进行高度的测量，但是这两者存在精度相对不高，容易受到气候环境等因素的干扰，两者测量的都是绝对高度，因此应用上也会有一定的限制。

超声测距具有成本低，易于实现等特点被广泛应用，精度高，得到的数据是绝对高度，适合应用于多旋翼植保无人机的高度测量系统中[2]。

2 误差分析及滤波处理

在超声波的测量过程中发现，由于环境噪声、温湿度、模块本身的稳定性，等等可能的原因造成的数据输出不稳定，数据跳跃比较严重，因此针对测量得到的数据，首先先进行数据滤波，本文采用一阶卡尔曼和算术平均组合滤波，将数据误差较大的数值滤除，然而通过串口读取的超声波高度数据和实际测量的距离有一定的误差，而且误差的大小不是恒定的，因此下一步就需要对超声波的数据进行修正，在本文中采取的方法就是多项式拟合法。

3 误差的修正

小型植保无人机进行植保作业时候的飞行高度基本上是在4m以内，因此选择用标定的方法对超声波的误差进行修正，即从工作空间允许的距离数值区间中，取一定间隔的数值得到一组数据，然后通过测量分别将超声波放置在相应数值的高度，然后读取超声波实际输出的距离数值，得到一组新的数据，再通过MATLAB对这组数据进行处理，为下一步中的多项式拟合修正做准备。

设f（x）为原函数，g（x）为近似函数，{（xi，f（xi）），i=0，1，2，3，4…，n}为标定采集到的n个离散数据点，我们需要找到一条曲线g（x），使的值最小，当g（x）为m次多项式时称为多项式拟合。

4 实验验证

将拟合完毕的多项式带入程序中对数据进行修正并输出。如图1所示，横轴表示标定值，“十”字点表示的点为用拟合的多项式进行数据修正后实测的数据，实线为理想状态的数据， “×”表示的点为拟合前测得的数据；图中可以看出“十”字线和实线基本重合。

由图1可以看到，经过多项式拟合后的数据跟理想数据基本吻合，基本上修正了超声波模块的误差，但是通过对数据的分析，跟理想的数据还是有误差，但是通过测量得到的数据，可以知道标定在50～2000的数據，误差基本上都在2cm以内，对于植保无人机控制系统的算法用到的高度数据来说，这样的误差是可以接受的。

5 结束语

植保无人机拥有高精度的高度值，可以更加准确的进行农药喷洒，使得农药可以得到合理的利用，减少了浪费。对于本文中高度测量的精度，合理规划产生的误差的原因，跟做实验时候的读数误差，平台本身的误差，移动平台标定距离时的误差，以及温度、湿度、噪音干扰等等的诸多原因有关。这样的精度对于飞行控制系统本身来说是可以被接受的，因此不再做进一步的修正，如果标定的数据点取间隔25mm的话，预测整体的精度会在25mm以内，平均精度应该在10mm左右。

参考文献

[1]茹滨超，鲜斌，宋英麟，等.基于气压传感器的无人机高度测量系统[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44：94-97.

[2]韩韧，金永威，王强.基于STM32和超声波测距的倒车雷达预警系统设计[J].传感器与微系统，2016（04）：63-66.

作者简介：段萍（1973-），女，汉族，河北工业大学，博士，副教授，硕士生导师。

尹李亮（1990-），男，汉族，河北工业大学，硕士研究生。

丁承君（1973-），男，汉族，河北工业大学，博士，教授，博士生导师。