用于植保無人機的超聲波測高修正方法研究

段萍+++尹李亮+++丁承君

摘 要：精準的高度測量對于植保無人機來說是非常重要的。文章針對超聲波測距的測量誤差進行修正研究，首先利用卡爾曼和平均值濾波消除傳感器的不穩定造成的數據漂移，然后利用多項式擬合的方法對濾波后的數據進行修正，獲得高精度的測量值。實驗結果表明高度測量系統精度滿足多旋翼植保無人機控制系統對高度數據的基本需求，并且此方法可推廣應用到其他領域。

關鍵詞：植保無人機；超聲波測距；多項式擬合；濾波；誤差修正

1 概述

高度的測量單元是無人機飛行控制中的核心設備之一，精確的高度是保證無人機飛行平穩的一個必要因素，一個完善的高度測量系統對多旋翼無人機控制系統的研究和廣泛的應用有很大的幫助[1]。一般來說無人機上利用GPS和氣壓計進行高度的測量，但是這兩者存在精度相對不高，容易受到氣候環境等因素的干擾，兩者測量的都是絕對高度，因此應用上也會有一定的限制。

超聲測距具有成本低，易于實現等特點被廣泛應用，精度高，得到的數據是絕對高度，適合應用于多旋翼植保無人機的高度測量系統中[2]。

2 誤差分析及濾波處理

在超聲波的測量過程中發現，由于環境噪聲、溫濕度、模塊本身的穩定性，等等可能的原因造成的數據輸出不穩定，數據跳躍比較嚴重，因此針對測量得到的數據，首先先進行數據濾波，本文采用一階卡爾曼和算術平均組合濾波，將數據誤差較大的數值濾除，然而通過串口讀取的超聲波高度數據和實際測量的距離有一定的誤差，而且誤差的大小不是恒定的，因此下一步就需要對超聲波的數據進行修正，在本文中采取的方法就是多項式擬合法。

3 誤差的修正

小型植保無人機進行植保作業時候的飛行高度基本上是在4m以內，因此選擇用標定的方法對超聲波的誤差進行修正，即從工作空間允許的距離數值區間中，取一定間隔的數值得到一組數據，然后通過測量分別將超聲波放置在相應數值的高度，然后讀取超聲波實際輸出的距離數值，得到一組新的數據，再通過MATLAB對這組數據進行處理，為下一步中的多項式擬合修正做準備。

設f（x）為原函數，g（x）為近似函數，{（xi，f（xi）），i=0，1，2，3，4…，n}為標定采集到的n個離散數據點，我們需要找到一條曲線g（x），使的值最小，當g（x）為m次多項式時稱為多項式擬合。

4 實驗驗證

將擬合完畢的多項式帶入程序中對數據進行修正并輸出。如圖1所示，橫軸表示標定值，“十”字點表示的點為用擬合的多項式進行數據修正后實測的數據，實線為理想狀態的數據， “×”表示的點為擬合前測得的數據；圖中可以看出“十”字線和實線基本重合。

由圖1可以看到，經過多項式擬合后的數據跟理想數據基本吻合，基本上修正了超聲波模塊的誤差，但是通過對數據的分析，跟理想的數據還是有誤差，但是通過測量得到的數據，可以知道標定在50～2000的數據，誤差基本上都在2cm以內，對于植保無人機控制系統的算法用到的高度數據來說，這樣的誤差是可以接受的。

5 結束語

植保無人機擁有高精度的高度值，可以更加準確的進行農藥噴灑，使得農藥可以得到合理的利用，減少了浪費。對于本文中高度測量的精度，合理規劃產生的誤差的原因，跟做實驗時候的讀數誤差，平臺本身的誤差，移動平臺標定距離時的誤差，以及溫度、濕度、噪音干擾等等的諸多原因有關。這樣的精度對于飛行控制系統本身來說是可以被接受的，因此不再做進一步的修正，如果標定的數據點取間隔25mm的話，預測整體的精度會在25mm以內，平均精度應該在10mm左右。

參考文獻

[1]茹濱超，鮮斌，宋英麟，等.基于氣壓傳感器的無人機高度測量系統[J].中南大學學報（自然科學版），2013，44：94-97.

[2]韓韌，金永威，王強.基于STM32和超聲波測距的倒車雷達預警系統設計[J].傳感器與微系統，2016（04）：63-66.

作者簡介：段萍（1973-），女，漢族，河北工業大學，博士，副教授，碩士生導師。

尹李亮（1990-），男，漢族，河北工業大學，碩士研究生。

丁承君（1973-），男，漢族，河北工業大學，博士，教授，博士生導師。