低空低速植保无人直升机避障控制系统设计.pdf

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1、第32卷2016焦第2期1月农业工程学报TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringVbl_32No．2Jan．201643低空低速植保无人直升机避障控制系统设计张逊逊，许宏科，朱旭(长安大学电子与控制工程学院，西安710064)摘要：针对低空低速植保无人直升机喷洒作业过程中地表障碍物的威胁，提出了一种基于改进人工势场的避障控制方法。将地表障碍物划分为低矮型和高杆型，并制定不同的避障策略。将无人机与障碍物的相对运动速度引入到人工势场中，给出基于改进人工势场的避障控制算法。设计自

2、适应反步飞行控制器，构建含避障控制算法和飞行控制器的完整避障控制系统。仿真结果表明，与传统人工势场相比，对于低矮型障碍物，所提出的避障控制方法避障路径缩短66．7％，避障时间减少31％；对于高杆型中的圆柱体型障碍物，避障路径和避障时间差别不大；而对于高杆型中的长方体型障碍物，避障路径缩短约42％，避障时间减少25％。该研究可为植保无人直升机规模化应用提供参考。关键词：农业机械；设计；控制；植保无人直升机；避障；最小安全区域；人工势场doi：10．119750．issn．1002-6819．2016．02．007中图分类号：V275文献标志码：A

3、文章编号：1002—6819(2016)一02—0043—08张逊逊，许宏科，朱旭．低空低速植保无人直升机避障控制系统设计[J]．农业工程学报，2016，32(2)：43—50．doi：10．119750．issn．1002—6819．2016．02．007http：／／www．tcsae．orgZhangXanxun，XuHongke，ZhuXu．Designofobstacleavoidancecontrolsystemforlowaltitudeandlowspeedeppounmannedhelicopter[J]．Transactio

4、nsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2016，32(2)：43—50．(inChinesewithEnglishabstract)doi．-10．119750．issn．1002—6819．2016．02．007http：／／www．tcsae．org0引言植保无人直升机作业效率高、单位面积施药量小，对推动农业规模化、信息化、精细化建设有重要作用【l之】。然而，低空低速植保无人直升机喷洒作业时，地表障碍物严重威胁其飞行安全【31，因此增强无人

5、机的避障能力是提高任务执行精确度和成功率的关键【4】。针对无人机的避障问题，国内外学者进行了大量的研究，并取得了一些成果【5罐】，常用的避障控制方法有人工势场法【9_111、最优化方法[12-13】、蚁群算法[141、博弈法【15]、流水避石法[16】等。人工势场法因其物理意义明了、算法简明、实时性好，引起了广泛关注[17-181。但传统人工势场中存在虚拟势场作用区域固定、避障角度过大的问题【191。针对此问题，LeeJ掣20】优化了安全避障中人工势场中圆形虚拟力场作用域模型，实现了小角度避障，但仅限于平面避障。MujumdarA等【2l】考虑

6、障碍物闯入的突然性，使用非线性预测控制与人工势场相结合的方式，启动快速规避。彭建亮等【22】通过构造不同威胁源的势函数来解决多威胁交互问题，但只是局部最优。为避免人工势场的局部极小值问题，张涛等【23】通过构建人工势场函数和变权重函数，提出了RHC．APF启发粒子群算法。目前大多数人工势场法将障碍物视为质点或球形区域，忽略了障碍物自身形状对人工势场作用区域产生的收稿日期：2015．07—13修订日期：2015．11-05基金项目：国家自然科学基金(61473229)；中央高校基本科研业务费资助项目(2014G2320006)；陕西省科技攻关项目

7、(2015GY052)作者简介：张逊逊，女(汉)，河南漯河人，博士生，主要从事小型无人机应用研究。西安长安大学电子与控制工程学院，710064。Email．-zhangxunxun0427@163．tom影响【241。然而，植保无人直升机喷洒作业过程中，地表障碍物种类繁多且形状各异，一概而论不利于高效精准地作业。同时，大多数文献未清晰阐述如何将人工势场法与无人直升机的飞行控制相结合，缺乏应用价值。针对以上问题，本文提出基于改进人工势场的植保无人直升机避障控制方法，旨在保障植保无人直升机作业安全。1最小安全区域植保无人直升机在喷洒作业过程中，为规

8、避地表障碍物，需要在障碍物周围设定最小安全区域。当无人机进入该区域时，会发生碰撞。地表障碍物种类繁多且形状各异，若最小安全区域设定为单一形状，采取相同