山地果园植保无人机自适应导航关键技术研究

摘要

丘陵山地占我国国土面积的近70%，其农业生产效率与平原地区相比存在较大差异，农业生产以经济果林作物为主，受地形条件限制，现代化地面作业农机通行困难，丘陵山地的机械化程度远低于全国平均水平。多旋翼无人机动作灵活、可垂直起降的特点非常适合山地果园的植保施药作业，无人机飞行轨迹的精准控制是其在山地果园高效植保作业应用的瓶颈。本文在分析四旋翼无人机动力学模型的基础上，针对无人机山地果园植保作业的飞行控制需求，分析基于多种导航方式组合的无人机自主导航飞行控制方法；针对山地苹果园果树树冠的分布特性，研究基于机器视觉的果树行快速分割方法，进而探寻果树行趋势线提取算法，结合GNSS导航技术，提出基于GNSS-视觉组合的无人机山地果园作业水平航迹控制方法；针对山地果园的地形特点，研究基于双目视觉图像的三维点云提取算法，进而探寻基于双目视觉的多点测距方法，提出基于双目视觉的无人机仿形飞行控制方法；融合无人机水平航迹和高度仿形的飞行控制方法，提出基于多种导航方式组合的山地果园无人机自主导航方法；基于上述理论研究，设计并研发了无人机自主导航控制系统，对系统性能进行了实地试验验证。论文主要研究内容及结论如下。 （1）开展了四旋翼无人机动力学数学模型研究，结合山地果园果树种植特点，分析了效率最优的最佳作业路径，针对效率最优飞行轨迹，提出了无人机山地果园作业的自主导航控制方法，将自主导航控制分解为水平航迹控制和高度仿形控制两个简单控制组合，使用PID控制算法结合动力学模型，计算得到无人机航向控制和高度控制的最优控制参数，最终确定航向控制选用PID控制，高度控制选用PD控制。 （2）提出了基于GNSS-视觉组合的无人机山地果园植保作业航迹控制方法。分析水平航迹控制中的航向调整过程，开展控制系统整体设计，提出视觉导航实现行内作业航迹调整控制，GNSS导航实现作业行间转场航迹控制流程。选用2个NEO-M8P-2芯片搭建了RTK GNSS定位装置，并在PC机上开发了上位机软件，软件实时上传并记录位置信息，将实时位置和航向与目标位置进行计算得到偏航信息，以偏航信息作为PID控制器输入，航向调整控制量为输出，实现无人机水平航向调整；在RGB、Lab、HSV三个颜色空间内对果树行进行了分割，通过对分割效果、处理时间等综合评价，最终选用RGB空间下基于RGB分量线性组合的果树行提取方法，对分割后的果树行进行二次曲线拟合得到行趋势线，计算得到偏航角值，由PID控制器控制实现航向调整。将两种导航方式进行组合，实现无人机山地果园植保作业时的水平航迹控制。定位和视觉导航精度验证结果表明，GNSS模块静态定位误差小于0.26m，动态测试最大误差为0.82m，平均误差为0.53m；视觉导航控制的航迹误差为-27~+48cm，平均误差为23cm。 （3）研究了基于双目视觉的无人机飞行高度仿形控制方法。针对人工遥控飞行精度差大导致作业高度难以保持一致，以及树冠受下降气流扰动无固定高度等问题，采用双目视觉技术进行飞行高度控制。分析了双目图像匹配模型，设计了基于OpenCV的改进两步标定法对相机进行标定，标定误差均值为0.3489。探寻了双目视觉的立体匹配和空间定位算法，在OpenCV下对BM算法和SGBM算法进行了对比分析，结果表明，BM算法的执行效率可达80ms/f，效率明显优于SGBM算法，立体匹配选用BM算法。研究并实现了无人机仿形飞行控制方法。对仿形飞行控制算法的测距和控制精度进行了试验验证，结果表明，双目模块在0.5m-6m范围内效果较好，最大相对误差2.04%，平均相对误差0.36%；当飞行高度为2.5m时，仿形飞行控制的平均误差为0.01m，最大误差为0.15m。 （4）研制了无人机自主导航控制系统，系统由飞行平台和地面控制站两部分组成。自主搭建了无人机飞行平台，平台尺寸720×720×320（mm），带负载能力4kg，选用NAZA商业飞控作为内控飞控。设计并研制了自主导航系统，开发了GNSS导航模块、视觉导航模块、仿形飞行控制模块和地面控制站。并对导航系统进行了试验验证，测试结果表明，研制的系统满足研究需求。 （5）开展了自主导航系统集成测试与试验分析。分析并确定了系统各模块飞行参数，当RGB相机倾角为46°，飞行高度为2.0m时，相机的视场可达到18.7m，果树行趋势线提取的平均速度为6.53fps，确定视觉导航的控制率为3次/s。对山地苹果园的自主导航试验结果表明，当无人机飞行速度为2m/s，距离果树冠层高度约2m，相机倾角为46°，图像导航控制率为3次/s时，该系统航迹控制绝对误差为-47~+42cm，平均误差为19cm。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 无人机山地植保作业自适应导航亟待解决的问题

1.4 主要研究内容

1.5 研究方法与技术路线

第二章 四旋翼无人机建模及自适应导航控制方法研究

2.1 引言

2.2 四旋翼无人机原理

2.3 四旋翼无人机运动学模型建模

2.4 无人机作业路径选取

2.5 四旋翼植保无人机控制方法研究

2.6 本章小结

第三章 基于GNSS-视觉组合的植保无人机航迹控制方法研究

3.1 引言

3.2 航迹控制系统总体设计

3.3 GNSS导航定位装置研究与实现

3.4 基于机器视觉的果树识别与分割方法研究

3.5 基于GNSS-视觉组合的无人机作业水平航迹调控方法实现

3.6 系统性能验证

3.7 本章小结

第四章 基于双目视觉的无人机自主仿形控制方法研究

4.1 引言

4.2 无人机自主仿形飞行控制方法分析

4.3 双目立体视觉模型

4.4 相机标定研究

4.5 立体匹配与空间定位研究

4.6 仿形飞行控制方法设计与实现

4.7 系统性能验证

4.8 本章小结

第五章 无人机自适应导航控制系统开发与实现

5.1 引言

5.2 无人机自适应导航控制系统开发

5.3 四旋翼无人机飞行平台搭建

5.4 无人机自适应导航系统搭建

5.5 本章小结

第六章 山地果园植保无人机自适应导航方法设计与试验

6.1 引言

6.2 系统参数确定

6.3 试验方案设计

6.4 性能验证与数据分析

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

附录

参考文献

致谢

作者简介