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谁与争锋-无人机毫米波雷达地形跟踪高度计

为什么植保无人机要对地形进行追踪:

植保无人机使用环境相对恶劣,与农作物的距离要求保持在1-2m的固定高度,要求无人机不受地形和高度限制,根据地形情况自动定高,调整高度,遇障碍物自动规避。同时要求精度较高(高度误差不超过10cm,满足农药喷洒适合的距离,达到均匀和高效喷射。


无人机精准高度/地形追踪面临挑战:

无人机高度计分为绝对高度测量高度计和相对高度测量高度计两种类型,绝对高度测量的是相对海平面的绝对高度,一般用于高空飞行的无人机平台,主要包括气压高度计和gps高度计,相对测量的是无人机平台距离地球表面的相对高度,一般用于低空无人机平台,主要包括高超声波高度计、激光、毫米波雷达高度计,目前业界主流用的是超声波高度计,本文重点讨论现有使用超声波高度计和一种新型的毫米波雷达高度计。

传感器 实现原理 产品 适应场景 精度 优点 缺点
gps 气压计 卫星定位 具有定高功能无人机 地面~30000m以上 ±0.5m 应用成熟,成本低 误差相对较大,不适合植保无人机
超声波 光流 tof 视觉定位 主流厂商 0 m~ 10 m ±0.1 m 定位精度高,成本相对低 要求地面有丰富纹理,光照条件充足,不适合植保无人机
超声波 tof 金瓷 通常0.5-5m ±0.1 m(坚实地面) 成本很低 容易穿透植被,在有植被情况下精度会明显下降
激光 tof 激光测距仪 <200m ±0.02 m 测量环境好的情况下,精度较高 植被对激光的反射效果不好,误差会很大,外界强光干扰影响大,成本较高
毫米波雷达 调频连续波 纳雷nra24 50m ±0.02m 精度高,全天候 成本略高



超声波高度计:

超声波高度计原理简单、使用方便,成本也很低,主流无人已经初步试装,但是由于超声波本身的一些特性,使得超声波高度计在植保无人机、快递无人机等无人机领域适应性不强,主要原因如下

1)不适合植被覆盖地形:由于超声波频率一般在40khz~45khz左右,波长远大于植被的几何尺寸,很容易穿透植被,因此,超声波高度计不太适合于森林、耕地等植被覆盖地形。

2) 作用距离短:超声波高度计作用距离一般不超过5m,超声波高度计一般作为辅助高度计使用。

3) 抗干扰能力稍差:虽然多数超声波传感器的工作频率为40khz~45khz,远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如,电机在转动过程会产生一定的高频,机器人本身的抖动,这些都会引起超声波传感器接收到错误的信号。

毫米波雷达高度计:

毫米波雷达是一款通过发射与接收毫米波信号来测量物体速度、距离、方位等信息的雷达传感器,可以穿透雾、烟、灰尘,具有体积小,集成化程度高,感应灵敏等特点,可以实现全天候、全天时应用。

高精度:

由于工作频率高,可能得到大的信号带宽,有利于提高距离和速度的测量精度和分辨能力并能分析目标特征,在0.1-50米的范围内,测量精度最大为±0.02m,是uav平台垂直起降(vtol)和悬停的理想高度传感器,下图是纳雷nra 24实际测试数据,在对地2.5米情况下,整体相对平稳。

抗干扰能力强:

毫米波雷达有更窄的波束(一般<20°),有利于抗电子干扰、杂波干扰和多径反射干扰等。

毫米波雷达传感器:

纳雷科技nra24是一款微型化雷达高度计,通过发射调频连续波信号进行测量高度分布和变化等信息,采用24ghz ism频段,最大±0.02m精度,轻量化设计,满足无人飞行平台 (uav/uas)、直升机、小型飞艇等多领域应用。

参数

数值

调制方式

fmcw

发射频率

24.00~24.20ghz

发射功率(eirp)

25dbm

刷新率

50hz

距离范围

0.1~50m(对地)

距离精度

±0.02m

距离分辨率

0.75m

波束宽度(方位面)

±8.5°

波束宽度(俯仰面)

±6.5°

接口协议

ttl uart接口,传输波特率115200bps

接口

ttl uart

供电电压

9~36v

尺寸

96×86×5(mm)

重量

23g

安装要求

开放式安装

工作温度

-40℃~ 85℃

存储温度

-60℃~ 125℃

结论

毫米波雷达高度计已经有无人机厂商开始配置植保无人机,北京植保无人机展会已经展出,体积较大,据内部消息透露毫米波雷达的避障系统也在有部分厂商在行业无人机上引入应用,相信毫米波雷达很快成为无人机的标配。

虽然毫米波雷达高度计在很多方面的性能优于超声波高度计,但在民用无人机领域,到底选择毫米波雷达高度计还是超声波高度计,价格和性能的权衡才是王道。超声波高度计价格在10~200元人民币,毫米波雷达高度计价格一般也不会高于3000人民币,不同用途的无人机需要根据无人机自身的技术需求,量体裁衣,选择自己合适的高度计。

对于个人航拍无人机等超低空作业的消费级无人机(价格低于5000元),对测高性能要求不高,超声波高度计是比较理想的选择。对于价格相对较高(超过10000元)的专业无人机,如植保无人机,快递无人机等,对测高性能、环境适应性要求较高,毫米波雷达高度计则是更优的选择,而且随着毫米波高度计的量产应用,价格也不再成为制约因素。而对于高空飞行的无人机,因为没有地形或者建筑物的遮挡,气压高度计或者gps高度计则是更理想的选择。