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摘要:以無人機飛行控制系統為研究對象，通過對植保無人機的應用進行分析，提出一種雙閉環控制方式的植保無人機飛行控制系統。由于作業需求，植保無人機飛行軌跡應根據作業狀態進行不斷調整，有效避開飛行航線中的障礙物，因此控制系統中兼容一種基于遺傳算法的植保無人機飛行避障算法。仿真實驗表明:植保無人機在飛行過程中能夠有效進行單障礙及多障礙的規避，避障過程存在較小的誤差，不會對植保無人機的作業狀態產生影響;不同飛行速度對無人機的避障會產生不同程度的誤差影響，速度越高，誤差越大。

關鍵詞:植保無人機;飛行控制系統;遺傳算法;軌跡規劃

隨著無人機技術的不斷發展，其在農業生產過程中應用范圍也不斷擴大。植保無人機在作業過程中具有較高的效率，能適應不同的應用環境，且可搭載不同的作業設備實現較高的靈活性［1］。無人機控制技術及人工智能程度逐漸提高，采用低功率、高效率的控制方式進行植保無人機飛行控制，已成為當前植保無人機發展的趨勢［2－3］。在進行高效率智能控制過程中，為提高植保無人機的作業效率及作業質量，對無人機的飛行軌跡進行科學規劃與控制，是植保無人機飛行控制系統的基礎功能［4～5］。筆者針對植保無人機飛行作業過程中通過障礙區和非障礙區時的兩種不同作業軌跡進行研究，提出一種基于遺傳算法的植保無人機分析軌跡優化方法，以實現植保無人機飛行控制系統設計。

1無人機總體架構

植保無人機的主要架構包含飛行器、飛行控制系統及植保作業系統，如圖1所示。在無人機上搭載飛行控制核心控制器，獲取飛行器的飛行姿態及軌跡信息，并通過PWM指令信息進行姿態及軌跡的調整;同時，核心控制器輸出控制指令，進行植保無人機作業系統控制［6－7］。

2無人機控制系統

植保無人機的飛行核心控制器包含飛行控制系統及地面控制系統。飛行控制器主要由飛行控制芯片組成，可在無人機飛行過程中讀取傳感器信號，并通過內置代碼對傳感器數據進行分析處理，解算出植保無人機飛行控制姿態角度［8］;同時，采用雙閉環控制的方式完成飛行姿態角度的調整，將風速及其他噪音信號作為控制系統的干擾數據，從而達到消除擾動誤差修正的目的，實現植保無人機飛行控制過程中的平衡穩定性［9］。植保無人機飛行過程穩定后，可接收地面控制指令，實現飛行過程的控制及植保作業過程的順利進行。植保無人機飛行控制流程如圖2所示。在植保無人機飛行過程中，傳感器每隔2ms進行1次數據采集，實時進行無人機飛行姿態數據的更新;通過串口中斷程序接收地面控制指令信號，并進行控制指令信號的處理，將接收到的地面期望控制指令進行解調，控制無人機按照期望飛行姿態進行飛行，保證植保無人機的自平衡穩定性，使其能夠按照控制指令進行飛行［10］。圖3所示為植保無人機控制系統工作流程圖。根據植保無人機的飛行精度及作業要求，采用雙閉環控制方式進行植保無人機控制程序的編制，將飛行姿態角度作為控制系統外環，將飛行角速度作為控制內環的雙閉環控制系統［11］。在飛行控制過程中，每個自由度形成獨立的閉環控制。其中，e(t)為角度偏差值;e(t－1)為上一時刻角度偏差值;Kp為角度環控制比例系數;Ki為角度環控制積分系數;Kd為角度控制微分系數;u(t)為角度環控制輸出值。

3遺傳算法與無人機飛行軌跡

植保無人機作業過程中，手動控制的操作方式無法適應無人機高效作業的需求，且容易造成無人機飛行過程路線偏離，導致無人機作業出現重復或者遺漏［12］。為提高無人機作業過程效率及作業準確性，采用遺傳算法對無人機飛行過程中遇到障礙和無障礙兩種條件下的飛行軌跡進行規劃。在無障礙飛行過程中，以能源消耗最少為目標進行飛行軌跡規劃;在有障礙物飛行過程中，以飛行軌跡長度最小為目標，同時減少飛行過程中轉彎次數，提出一種基于遺傳算法的植保無人機飛行軌跡規劃算法。無障礙飛行軌跡優化過程中，首先將作業區域進行初始化，使作業區域劃分為平面圖，并尋找出作業區域邊緣，隨機生成不同的航向角個體。植保無人機飛行過程中，會遇到樹木、電桿及建筑物等障礙，導致無人機無法按照無障礙情況進行飛行，此時需要采用一種避障軌跡規劃的算法。隨著障礙物數量的增多，植保無人機控制系統在進行避障軌跡計算時計算量加大，采用遺傳算法進行軌跡優化，可有效進行避障軌跡的搜索。圖4為避障軌跡優化算法流程圖。

4仿真實驗分析

為驗證基于遺傳算法設計的植保無人機飛行控制系統可靠性，設置兩組實驗進行驗證。其中，一組為單障礙飛行，另一組為多障礙飛行。單障礙飛行過程中，在飛行區域設置1個障礙點，直徑為8m，中心與飛行起點距離為60m，飛行區域寬度為40m、長度為120m，飛行速度分別為2、4、6m/s。飛行完成后，根據飛行坐標繪制植保無人機的軌跡，如圖5所示。同理，多障礙飛行實驗中，在飛行區域內設置兩個不同障礙點，直徑為8m，中心與飛行起點的距離分別為40m和80m，飛行區域寬度為40m、長度為120m，飛行速度分別為2、4、6m/s。飛行完成后，根據飛行坐標繪制植保無人機的軌跡，如圖6所示。

5結論

實驗結果表明:植保無人機能夠對飛行過程中的不同障礙進行有效的回避，達到飛行控制過程中避障的目的;避障軌跡與理論軌跡之間存在微小偏差，但不會對植保無人機的飛行狀態產生影響;不同的飛行速度對軌跡誤差會產生不同程度的影響，速度越高，飛行軌跡與理論軌跡之間的偏差越大。

作者：劉桂峰 單位：河南交通職業技術學院