目前無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法大多采用慣性導(dǎo)航與全球定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式，而采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航方法較少。本文主要針對(duì)當(dāng)前我國(guó)農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法的應(yīng)用需求，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方式，組裝搭建了四旋翼無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于北斗的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和室外大田環(huán)境下進(jìn)行懸停試驗(yàn)和自主導(dǎo)航飛行試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證，初步實(shí)現(xiàn)了農(nóng)用無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航。

　　本文的主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：

　　（1）在分析現(xiàn)有農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)存在不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)業(yè)中無(wú)人機(jī)相關(guān)應(yīng)用方面的具體需求，選取四旋翼無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)作為硬件平臺(tái)進(jìn)行組裝搭建。自主導(dǎo)航飛行平臺(tái)主要由飛行控制模塊、慣性測(cè)量模塊、北斗模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和通信模塊組成。通過(guò)對(duì)各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試，組裝搭建了四旋翼無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航飛行平臺(tái)。在硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，對(duì)基于北斗的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定自主飛行。

　　（2）針對(duì)現(xiàn)有低成本北斗模塊定位精度不高，不能滿足農(nóng)用無(wú)人機(jī)定位精度要求，本文對(duì)比分析了兩種提高農(nóng)用無(wú)人機(jī)定位精度的算法，加權(quán)最d‘，--乘算法和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。分別采用這兩種算法對(duì)北斗定位數(shù)據(jù)進(jìn)行算法優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比及軌跡仿真。仿真優(yōu)化結(jié)果表明，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法相比而言具有更好的優(yōu)化效果，通過(guò)構(gòu)建擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)定位精度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后無(wú)人機(jī)定位精度可達(dá)3．07m，平均定位誤差為1．05m，初步滿足農(nóng)用無(wú)人機(jī)實(shí)際工作時(shí)的定位需求。

　　（3）針對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)作業(yè)環(huán)境的實(shí)際需要和使用要求，選取PID控制算法來(lái)進(jìn)行飛行控制，最大．最小蟻群算法來(lái)進(jìn)行路徑規(guī)劃，與提高無(wú)人機(jī)定位精度的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法共同組成了無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件部分。經(jīng)懸停試驗(yàn)和自主導(dǎo)航飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)：自主導(dǎo)航飛行時(shí)，垂直方向上，高度最大誤差為2．98m，水平方向上，經(jīng)緯度最大誤差為3．65m，平均誤差為1．81m。初步實(shí)現(xiàn)了農(nóng)用無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航，基本滿足農(nóng)用無(wú)人機(jī)的實(shí)際作業(yè)需求。

　　本篇論文共分為6章，各章內(nèi)容如下：

　　第一章緒論。論述本文選題的依據(jù)，研究目的與意義，國(guó)內(nèi)外當(dāng)前研究現(xiàn)狀，簡(jiǎn)述基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法研究的必要性及重要性，并闡述研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線。

　　第二章農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)的需求和作業(yè)環(huán)境進(jìn)行分析，確定自主導(dǎo)航所需硬件平臺(tái)的組成部分、整體架構(gòu)，再進(jìn)行相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試，搭建自主導(dǎo)航方法試驗(yàn)四旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)。

　　第三章農(nóng)用無(wú)人機(jī)定位精度優(yōu)化方法研究。對(duì)所用低成本北斗模塊所采集的無(wú)人機(jī)定位數(shù)據(jù)，通過(guò)加權(quán)最小二乘算法和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選用最合適的算法作為提高無(wú)人機(jī)定位精度的優(yōu)化方法。

　　第四章農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。基于自主導(dǎo)航方法試驗(yàn)平臺(tái)與計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境，進(jìn)行組合導(dǎo)航融合算法及路徑規(guī)劃算法研究。運(yùn)用MATLAB R2010a軟件結(jié)合實(shí)際作業(yè)環(huán)境對(duì)幾種蟻群算法進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和仿真分析，通過(guò)對(duì)比仿真分析結(jié)果，選用最合適的算法作為路徑規(guī)劃方法，并最終完成農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

　　第五章農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)驗(yàn)證與試驗(yàn)。對(duì)本文設(shè)計(jì)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)進(jìn)行懸停試驗(yàn)和自主導(dǎo)航飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法的可行性與穩(wěn)定性。

　　第六章總結(jié)與展望。對(duì)已完成工作進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)后續(xù)工作提出展望。

　　現(xiàn)有的農(nóng)用無(wú)人機(jī)多以四旋翼無(wú)人機(jī)和八旋翼無(wú)人機(jī)為主，與無(wú)人直升機(jī)相比，多旋翼無(wú)人機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、成本較低、機(jī)械可靠性高、設(shè)備損耗小的優(yōu)點(diǎn)（張欣2015）。因而在未搭載作業(yè)裝置，負(fù)載較小的情況下，搭建一臺(tái)四旋翼無(wú)人機(jī)作為自主導(dǎo)航方法的試驗(yàn)平臺(tái)最為適合。本章主要對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。首先對(duì)硬件平臺(tái)的整體架構(gòu)及各組成部分進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，之后對(duì)無(wú)人機(jī)硬件平臺(tái)各模塊的設(shè)計(jì)、調(diào)試及安裝工作進(jìn)行詳細(xì)介紹，最后完成系統(tǒng)硬件平臺(tái)的整體搭建。

　　農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括控制無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行的飛行控制模塊；為飛行控制提供數(shù)據(jù)和控制依據(jù)的慣性測(cè)量模塊和GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，其中慣性測(cè)量模塊包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)、高度氣壓計(jì)等傳感器；為飛行過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸提供支持的無(wú)線通信模塊和串口通信模塊；為無(wú)人機(jī)飛行提供動(dòng)力支持的電源、電機(jī)、電調(diào)等驅(qū)動(dòng)模塊以及必要的地面控制部分。同時(shí)，在后期應(yīng)用環(huán)節(jié)，硬件平臺(tái)還需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇搭載藥箱和施藥裝置用于無(wú)人機(jī)植保，或者選擇搭載相機(jī)和增穩(wěn)云臺(tái)用于無(wú)人機(jī)遙感，實(shí)現(xiàn)其功能及設(shè)備的完整性。無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的整體架構(gòu)框圖如圖 2．1所示。