基于RTK的BDS在农业植保无人直升机中的应用_卢璐

ApplicationsofAgriculturalplantprotectionUAVBasedonBDS-RTKLuLu1,2，ChangjiangGeng1,2，YueBian1,2，BinGao3，XiaoliSong1,21.TestandAssessmentResearchCenter,ChinaSatelliteNavigationOffice,Beijing,China2.GNSSSystemEngineeringCenter,ChinaAcademyofAerospaceElectronicsTechnology,Beijing,China3.InstituteofCommunicationEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,[e-mail]:TheaccuracyofflightpathinagriculturalaerialplantprotectionhasagreatimpactonapplicationsandspreadofUAVintheaspectofagriculturalplantprotection.ThecombinationofUAVplantprotectionflightcontrolsystemandBeidouNavigationSystem(BDS)canmostlyreducetheerrorcausedbyauto-flightpathinplantprotectionUAV.However,duetotheconsiderablylargeerrorofflightpath,therequirementsofprecisedrugdeliverinagriculturalcannotbesatisfied.Asaresult,itisagreatimportancetodevelopthenavigationsystemwhichhasthemeritsofstronganti-jammingcapabilityandhighpositioningaccuracyandcanbeusedinplantprotectionUAV.ThisarticlecombinestheRTKandBDStogether.ThistechnologyoptimizestheUAVplantprotectionflightcontrolsystemandincreasestheaccuracyofflightpathinagriculturalaerialplantprotection.Stillitmeetstheneedofprecisedrugdeliverinagricultural.Theexperimentsresultsofthisarticleshowthevalidityofthismethod.Keywords:RTK;BDS;AgriculturalPlantProtection;UAV基于RTK的BDS在农业植保无人直升机中的应用卢璐1,2,3，耿长江1,2，边玥1,2，高斌3，宋晓丽1,21．中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心，北京，中国，1000942．中国航天电子技术研究院卫星导航系统工程中心，北京，中国，1000943．解放军理工大学，南京，中国，[e-mail]【摘要】目前，农业航空植保飞行航线精度不高，直接影响了无人机在农业植保方面的应用和推广。植保无人机飞行控制系统结合北斗卫星导航系统，虽然可以解决植保无人机自主航线飞行的现状，但由于飞行航线误差较大仍不能满足精准施药的要求，以致抗干扰性强并且定位精度高的导航系统运用在无人植保机上的需求越来越迫切。本文基于RTK技术结合北斗卫星导航系统优化了植保无人机飞控系统，大幅度提高了航线飞行精度，满足了精确施药和安全施药的要求。【关键词】RTK；北斗卫星导航系统BDS；植保无人机；农业航空；1引言农业部要求到2020年，农药使用量实现零增长，并且多次提到对植保器械特别是智能装备、航空植保方面的要求。精准农业航空技术主要是对作物的病虫害进行监测，通过卫星、有人机、无人机等对地面作物的病虫害进行信息获取，然后可以在需要施药的地方施药，而不需要对整片田地进行施药。由于很多病虫害并不是发生在所有农田，可能只是在局部发生，所以可以采取精准施药。此外，以人工作业的方式防治农作物病虫害，不仅作业效率低、劳动强度大，且农药利用率低，遇到高杆的作物更是难以操作。近年来，虽然有少量新型自走式喷雾机械投入使用，但仍然无法满足农作物生长中、后期的防治病虫害的需求。发展滞后的植保机械及粗放的施药方式，严重阻碍了现代农业的快速发展。精准施药的前提是必须要有精确的可靠的导航信息，本文就是在农业植保中把基于实时载波相位差分（RTK）的北斗卫星导航系统（BDS）技术运用其中，这种无人机高精度导航技术为中国的农业现代化提供了一种解决方法。2农业植保无人机综述2.1植保无人机平台植保无人机的研究与应用，在美国、日本、韩国等发达国家已经得到了快速的发展。目前，美国拥有9000多架农用飞机。日本直升机植保技术居于领先地位，从1995年的307架增加到现在的2400多架。韩国于2003年首次引进农用无人机，其后每年都在增加数量。利用植保无人机进行病虫害防治，主要有以下几方面的优势：首先，可以进行其他植保技术难以实现的喷雾作业；其次，在地形适应性方面，小型植保无人机可以适应丘陵、山区、坡地等复杂地形的喷雾作业；最后，植保无人机易于推广使用。植保无人机重量轻、体积小，用车就可实现跨区转移作业，而且转移的机动性也非常好。国内外的无人植保机平台发展现状及主要产品如表1所示。表1、植保机产品Table2.TheproductsofUAV序号型号载荷（kg）厂家1RMAX28日本雅马哈2P208广州极飞3Z-3N3560所43WQF12516安阳全丰5CD-1515无锡汉和6FR-20080江苏飞瑞7MG-110深圳大疆然而，尽管植保无人机在国内的推广应用已经走上正轨，但目前仍然存在着许多问题。植保无人机载荷小、续航时间短、航线飞行精度差已成为了我国植保无人机发展的瓶颈。因此，发展高导航精度的植保无人机成为各个无人机生产厂家竞相研发突破的方向。2.2无人机飞行控制系统无人机飞行控制系统是综合控制技术、传感器技术、导航技术、通信技术、电子技术以及软件技术等多层面、多领域的复杂系统。国际上对高性能无人直升机飞行控制系统实施严格的出口控制。我国在无人直升机飞行控制系统研究开发方面目前正处于追赶阶段，尽管研究所和企业都积极努力，近年来也取得一些成果。然而，在稳定性、可靠性、适应性等多方面的指标还是落后于国际水平。目前，高精度的无人机飞行控制系统的还处于初步发展阶段。国外无人机飞控系统由于可作为军事用途，所以对中国是禁运的。而国内高精度的无人机飞控产品基本上是一片空白。所以基于BDS-RTK技术的高精度飞行控制系统具有开创性意义。2.3无人植保机RTK技术随着无人机行业的不断发展，针对无人机的应用现状而言，如何提高定位精度一直是追求的目标，而RTK技术的出现为无人机提供了新的高精度定位方法。RTK是实时动态差分法，是建立在实时处理观测站的载波相位基础上BDS测量方法，与单点定位技术相比，RTK采用了载波相位动态实时差分方法，可以实时得到厘米级定位精度[1,2]。传统的无人机植保作业由于定位技术的问题，常常面临重喷、漏喷等问题，如何精确完成断点续喷也是一直在解决的技术问题，而搭载RTK定位系统后，无人机可以在航线制定后进行飞行作业，妥善解决因航线偏移而带来的重喷、漏喷等问题。3基于BDS-RTK的飞行控制系统3.1总体设计基于BDS-RTK的无人直升机飞行控制系统在功能模块上主要包括传感器、控制器和执行机构3部分，如图1所示。其中：传感器模块用于测量飞机的飞行状态信息；控制器通过比对飞行状态和指令状态，由控制算法解算出所需的控制指令，并控制执行机构驱动飞机按指令飞行；执行机构为PWM信号驱动舵机包括三个斜盘舵机、一个油门舵机和一个尾舵机，其将控制指令由电信号转换为舵机的转动角度，通过舵机转动带动飞机的舵面偏转产生控制作用。控制算法执行机构控制输出无人直升机BDS-RTKIMU磁力计气压计红外高度计传感器数据融合算法测量数据飞行指令飞行状态Figure1.Thesystemstructurediagramofflightcontrolsystem图1飞控系统结构图3.2BDS-RTK技术在组合导航上的应用无人植保机飞行控制率是建立在无人机的动力学方程上，其动力学方程为[3]：m()m()m()xyzduwqvrFdtduurwpFdtduvpuqFdt（3.1）式中：m为直升机质量；u、v、w为空速在机体轴x、y、z上的投影；p、q、r为直升机绕机体轴x、y、z转动的角速度。基于16维状态空间的无人直升机互补卡尔曼滤波器姿态算法是针对无人直升机运动学和动力学工况特别设计的组合导航计算方法[4-6]。基于BDS-RTK技术在组合导航状态方程和量测方程可以表示为：151515215615215161151215222622212121()()()()()()()()()()IIIIIBBBBBttttttttttF0G0XWX0F0GXWX（3.2）记为：)()()()()()()()()(tVtXtHtZtWtGtXtFtX（3.3）传统的组合导航方法使用直接卡尔曼滤波估计输出状态，虽然具有较好的闭环稳定性，但数值精度不高，相应不够快。在组合导航方面，一般直接以地磁场向量参与计算，硬磁和软磁干扰扭曲地磁场向量，不但影响磁航向的精度，还影响姿态角的精度。传统最大最小值校准磁场传感器的方法精度也比较差，椭球最小二乘算法精度较好，但仍然无法得到绝对精确的磁场值。在BDS融合方面，一般使用直接融合经纬度和高度的松耦合或者使用伪距的紧耦合，能提高定位精度和响应速度，但无法解决BDS的本地钟频差导致的位置漂移问题。此方法以下4个特点：（1）设计基于互补卡尔曼滤波器的误差数学模型，不直接对输出状态进行估计而是对各输出状态的误差进行估计，再补偿到相关的输出状态或中间状态中。由于误差是小值，因此数值精度比较好，有效规避了数值奇异问题。另外输出状态的主体是姿态和位置的直接积分，因此输出的响应速度会比直接卡尔曼滤波器好。这种模式的适用条件是传感器经过了精确校准，固有误差已经较小。（2）误差估计器的关键是自适应参数调节器，除了现态的模糊逻辑外，本文设计的算法还增加状态量和噪声的统计信息参与到系统辨识中，数百小时的飞行测试证明这种新方法增加了系统辨识的正确度。（3）基于WMM（世界主磁场模型）和椭球最小二乘拟合的磁场传感器校准方法，根据当地的主磁场分量和传感器的输出值进行参数辨识，然后通过求解非线性方程组得到传感器参数，从而可以提高绝对精度，降低校准磁场传感器需要的俯仰和摆幅，利于飞机出厂前进行校准。（4）设计组合导航的深度耦合算法，RTK技术运用后能达到最优的航位推算性能。图2是算法的结构图。角速率陀螺、加速度计等传感器输出经过补偿和预处理后，去掉误差估计器得到的漂移误差，然后直接参与多维空间积分，积分结果减去误差估计量后作为结果输出。电子罗盘、BDS和气压计作为零阶观测量，经过补偿后直接参与到误差估计器中与状态预测值进行比较，得到误差修正量。输出：姿态角角速度加速度位置速度高度卫星时间陀螺加速度计BDS-RTK经纬度高度星历气压高度计校准补偿校准补偿校准补偿校准补偿姿态积分速度积分位置积分加权统计误差估计器BDS滤波器飘移计算WMM模型---Figure2.Algorithmofintegratednav