如何使用北斗进行农用无人机的自主导航方法研究

　　目前无人机自主导航方法大多采用惯性导航与全球定位系统相结合的方式，而采用北斗卫星导航系统的自主导航方法较少。本文主要针对当前我国农用无人机自主导航方法的应用需求，采用北斗卫星导航与惯性导航相结合的方式，组装搭建了四旋翼无人机自主导航实验平台，设计了基于北斗的农用无人机自主导航系统，并在实验室环境和室外大田环境下进行悬停试验和自主导航飞行试验，经试验优化与验证，初步实现了农用无人机的自主导航。

　　本文的主要研究内容及成果如下：

　　（1）在分析现有农用无人机自主导航系统存在不足的基础上，结合农业中无人机相关应用方面的具体需求，选取四旋翼无人机飞行平台作为硬件平台进行组装搭建。自主导航飞行平台主要由飞行控制模块、惯性测量模块、北斗模块、驱动模块和通信模块组成。通过对各模块进行设计及安装调试，组装搭建了四旋翼无人机自主导航飞行平台。在硬件平台基础上，对基于北斗的农用无人机自主导航系统进行飞行试验验证，能够实现稳定自主飞行。

　　（2）针对现有低成本北斗模块定位精度不高，不能满足农用无人机定位精度要求，本文对比分析了两种提高农用无人机定位精度的算法，加权最d‘，--乘算法和扩展卡尔曼滤波算法。分别采用这两种算法对北斗定位数据进行算法优化，并对优化后数据进行对比及轨迹仿真。仿真优化结果表明，扩展卡尔曼滤波算法相比而言具有更好的优化效果，通过构建扩展卡尔曼滤波器对农用无人机定位精度进行优化，优化后无人机定位精度可达3．07m，平均定位误差为1．05m，初步满足农用无人机实际工作时的定位需求。

　　（3）针对农用无人机作业环境的实际需要和使用要求，选取PID控制算法来进行飞行控制，最大．最小蚁群算法来进行路径规划，与提高无人机定位精度的扩展卡尔曼滤波算法共同组成了无人机自主导航系统的软件部分。经悬停试验和自主导航飞行试验验证，本文所设计的自主导航系统可实现：自主导航飞行时，垂直方向上，高度最大误差为2．98m，水平方向上，经纬度最大误差为3．65m，平均误差为1．81m。初步实现了农用无人机的自主导航，基本满足农用无人机的实际作业需求。

　　本篇论文共分为6章，各章内容如下：

　　第一章绪论。论述本文选题的依据，研究目的与意义，国内外当前研究现状，简述基于北斗卫星导航系统的农用无人机自主导航方法研究的必要性及重要性，并阐述研究内容及技术路线。

　　第二章农用无人机自主导航系统硬件平台设计。通过对农用无人机实际作业时的需求和作业环境进行分析，确定自主导航所需硬件平台的组成部分、整体架构，再进行相关模块的设计、安装与调试，搭建自主导航方法试验四旋翼无人机平台。

　　第三章农用无人机定位精度优化方法研究。对所用低成本北斗模块所采集的无人机定位数据，通过加权最小二乘算法和扩展卡尔曼滤波算法进行优化改进，并对改进结果进行对比分析，选用最合适的算法作为提高无人机定位精度的优化方法。

　　第四章农用无人机自主导航系统软件设计。基于自主导航方法试验平台与计算机仿真环境，进行组合导航融合算法及路径规划算法研究。运用MATLAB R2010a软件结合实际作业环境对几种蚁群算法进行算法设计和仿真分析，通过对比仿真分析结果，选用最合适的算法作为路径规划方法，并最终完成农用无人机自主导航系统的软件设计。

　　第五章农用无人机自主导航系统验证与试验。对本文设计的农用无人机自主导航系统进行验证，通过进行悬停试验和自主导航飞行试验，验证无人机自主导航方法的可行性与稳定性。

　　第六章总结与展望。对已完成工作进行总结分析，对后续工作提出展望。

　　现有的农用无人机多以四旋翼无人机和八旋翼无人机为主，与无人直升机相比，多旋翼无人机具有控制简单、成本较低、机械可靠性高、设备损耗小的优点（张欣2015）。因而在未搭载作业装置，负载较小的情况下，搭建一台四旋翼无人机作为自主导航方法的试验平台最为适合。本章主要对农用无人机自主导航系统硬件平台的搭建进行简要介绍。首先对硬件平台的整体架构及各组成部分进行简要介绍，之后对无人机硬件平台各模块的设计、调试及安装工作进行详细介绍，最后完成系统硬件平台的整体搭建。

　　农用无人机自主导航系统包括控制无人机稳定飞行的飞行控制模块；为飞行控制提供数据和控制依据的惯性测量模块和GNSS卫星导航模块，其中惯性测量模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、高度气压计等传感器；为飞行过程中数据传输提供支持的无线通信模块和串口通信模块；为无人机飞行提供动力支持的电源、电机、电调等驱动模块以及必要的地面控制部分。同时，在后期应用环节，硬件平台还需要根据实际应用选择搭载药箱和施药装置用于无人机植保，或者选择搭载相机和增稳云台用于无人机遥感，实现其功能及设备的完整性。无人机自主导航系统的整体架构框图如图 2．1所示。