植保无人机喷药姿态自适应平衡控制研究-《江苏农业科学》(2019年14期).docx

龙源版权所有 植保无人机喷药姿态自适应平衡控制研究作者：陈磊 张红欣 朱超来源：《江苏农业科学》2019年第14期 摘要：无人机作为现代化农业植物保护的有力助手，在进行药物喷洒过程中具有适用性好、喷洒效率高的特点。而植保无人机在进行农药喷洒时，极容易受到外界因素的影响而改变飞行姿态。为保证飞行器的姿态能实现自适应平衡，研究飞行器时在变动力学模型的基础上，研究了一种径向基函数（radial basis function，简称RBF）-比例-积分-微分（proportion-integral-differential，简称PID）控制方法，该控制方法将神经网络、模糊控制、PID控制技术进行有效耦合，使得飞行器在进行植物保护时能快速针对姿态做出实时有效的调整，确保在药物喷洒时保持稳定性和鲁棒性。 关键词：植保无人机;农药喷洒;姿态自适应;RBF-PID;鲁棒性 中图分类号：S252+.3 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）14-0269-04 我国作为农业大国，具有1.2亿hm2基本农田，需要大量的人员从事农业植物保护作业，同时我国《“十三五”农业科技发展规划》指出，我国农业要面向农业信息化、精准化[1]。植保无人机具有雾化效果好、向下风场大、穿透力强、省水省药的特点，因此在农作物植物保护方面扮演着重要的角色，预计到2020年，我国植保无人机需求量达10万架[2]。 植保无人机进行药物喷洒时，姿态位置的调整是无人机控制的重要环节[3]，目前针对无人机姿态控制是基于模型控制，主要采用单回路比例-积分-微分（proportion-integral-differential，简称PID）控制、串级PID控制、反步法、线性二次型调节器（linear quadratic regulator，简称LQR）控制、内环控制、模糊遗传控制、鲁棒H∞控制、反馈线性控制等控制方法[4]。然而无人机在进行药物喷洒过程中，喷枪后座力、自适质量变化等自适因素及外界因素如空气风速、大气压强等会造成植保无人机自身状态的改变。无人机在药物喷洒过程中由于飞行高度及飞行速度的不同对施药作物的生长状况具有不同程度的影响。为确保施药过程均匀有效地进行，本研究将径向基函数（radial basis function，简称RBF）与PID控制方法进行有机结合，研究一种RBF-PID控制算法，该算法融合了神经网络、模糊控制系统、自适应学习、PID控制技术、智能检测技术等，具有灵敏度高、动态响应快、超调量小、鲁棒性强等优点。 1 无人机飞行器动力学模型 1.1 飞行器飞行原理 本研究的植保无人机采用四旋翼飞行器，植保无人机结构模型如图1所示，该四旋翼飞行器为“十”字交叉型，在十字结构的末端分别为4个直流电机。其中以OE为圆心的定义为世界坐标系E（OXYZ），以Ob为圆心的定义为飞行坐标系B（OXYZ）。在进行上升、前进、旋转等姿态改变时主要依据定义的Euler角对电机转速的改变进行调整，根据“十”字形结构，Euler角定义为：偏航角ψ：以OZ为轴心，OXY为平面进行旋转;俯仰角θ：以OY为轴心，OXZ为平面进行旋转;翻转角φ：以OX为轴心，OYZ为平面进行旋转;F1、F2、F3、F4分别为4个旋翼上所受的拉力;EE为相对于飞行坐标系而言的旋转坐标系。 “十”字交叉型结构的尾部各有一个直流电机，可通过控制各个电机电流大小来控制转速，电机转速不同所产生的升、阻力就不同，这样通过控制电机转速就可以改变飞行器的飞行姿态，较为典型的姿态调整原理如图2所示。 3 RBF-PID控制原理研究 3.1 RBF-PID控制方法 植保无人机在完成施药任务时，因不同的植株具有不同的施药高度，若植株较低而植保无人···试读结束