基于電磁協(xié)同技術(shù)的植保無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘 要: 為進(jìn)一步提高我國植保無人機(jī)田間作業(yè)效率，確保農(nóng)機(jī)智能裝備與當(dāng)前新技術(shù)的應(yīng)用廣泛性，以最 大 限度降低整機(jī)工作中的信號干擾度為目標(biāo)，以應(yīng)用電磁協(xié)同技術(shù)為核心手段，針對其作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行可行性設(shè)計(jì)研究。在深刻理解整機(jī)各功能與結(jié)構(gòu)模塊組成布置的基礎(chǔ)上，建立植保無人機(jī)系統(tǒng)的電磁協(xié)同控制模型，通 過 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與硬件選型，展開植保無人機(jī)電磁協(xié)同作業(yè)控制試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果 表 明: 通過電磁協(xié)同技術(shù)的優(yōu)化，大大降低了電磁波對植保無人機(jī)作業(yè)信號的干擾，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性提高了 5 . 95% ，運(yùn)行可靠性提高了4. 20% ，植保無人機(jī)作業(yè)效率提高了 5 . 75% ，可達(dá) 94 . 65% 。系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確且符合功能需求，對于電磁協(xié)同技術(shù)應(yīng)用于植保無人機(jī)及類似智能農(nóng)機(jī)裝備有很好的借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞: 植保無人機(jī); 信號干擾度; 電磁協(xié)同; 可靠性

　　浦立孟1 ，秦立山1 ，陸 坤2;農(nóng)機(jī)化研究;2022 年 7 月

　　0 引言

　　近年來，隨著我國信息化技術(shù)與智能化制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的控制水平不斷提升。例如，用于精準(zhǔn)施藥的無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了定量定時(shí)作業(yè)，用于田間墑情勘探的無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了遙感信息融合，并植入各類響應(yīng)敏捷的探測傳感裝置等。由于植保無人機(jī)的作業(yè)環(huán)境因素復(fù)雜多變，在作業(yè)過程中會遭受電磁信號干擾，導(dǎo)致信號傳輸不準(zhǔn)確，出現(xiàn)信號亂碼等現(xiàn)象，不利于植保無人機(jī)的高效能作業(yè)。為此，筆者嘗試從電磁協(xié)同技術(shù)的角度出發(fā)，以改善整機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息鏈路的穩(wěn)定可靠性為目標(biāo)，在充分掌握植保無人機(jī)數(shù)據(jù)信息傳遞 - 處理 - 顯示的原理基礎(chǔ)上，展開系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

　　1 植保無人機(jī)作業(yè)概述

　　植保無人機(jī)最初由軍用無人機(jī)衍生而成，是一種可由遙控裝置實(shí)現(xiàn)智能控制的無人駕駛飛行器，主要包括飛行機(jī)體、管理與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及收發(fā)裝置等。其數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)存在電磁信號干擾，是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。無人機(jī)在田間作業(yè)過程中的遍歷路徑方式主要包括單向遍歷、回字形遍歷及混合型遍歷。

　　植保無人機(jī)具備農(nóng)田信息自動獲取、定點(diǎn)定高、暫停拍攝等重要功能，表 1 給出了植保無人機(jī)的各功能與結(jié)構(gòu)模塊組成布置實(shí)現(xiàn)，是植保無人機(jī)功能的內(nèi)部具體呈現(xiàn)，主要?jiǎng)澐譃槔走_(dá)、視覺傳感、視覺控制、路徑設(shè)置、信息融合、電磁信息、線程分解與預(yù)警模塊。

　　2 基于電磁協(xié)同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2. 1 協(xié)同模型建立

　　以數(shù)學(xué)高斯理論中的時(shí)域、空域諧波疊加為基點(diǎn)，在滿足植保無人機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行過程的信道數(shù)據(jù)衰落要求條件下，根據(jù)植保無人機(jī)飛行姿態(tài)與電磁變化閾值之間的關(guān)系，合理地分布電磁干擾源及耦合路徑，將數(shù)據(jù)鏈路的信息傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)同映射，進(jìn)行該型植保無人機(jī)系統(tǒng)電磁協(xié)同建模，即

　　針對系統(tǒng)的信息電磁輻射干擾問題，給出植保無人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)的動態(tài)電磁協(xié)同控制設(shè)計(jì)，如圖 1 所示。

　　由圖 1 可知: 植保無人機(jī)機(jī)載天線融合來自于地面天線與干擾天線的數(shù)據(jù)信號，在電磁鏈路通信環(huán)節(jié)注入一定的魯棒響應(yīng)模塊，傳遞至植保無人機(jī)的接收系統(tǒng); 在動態(tài)電磁協(xié)同控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分層次劃分植保無人機(jī)的工作信號頻率與強(qiáng)度，確立可適應(yīng)電磁干擾的整機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度級別與閾值，形成電磁協(xié)同控制核心理論模型。

　　2. 2 系統(tǒng)軟件控制

　　基于上述電磁協(xié)同核心控制計(jì)算模型，在植保無人機(jī)多線程架構(gòu)布局的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)軟件控制設(shè)計(jì)，如圖 2 所示。該植保無人機(jī)的上位機(jī)程序設(shè)計(jì)以最大限度降低傳導(dǎo)、輻射、傳導(dǎo) - 輻射并存的 3 種電磁干 擾 影 響 為 目 標(biāo)，在用戶主界面線程上創(chuàng)建 WORK、收發(fā)傳遞 DATA; 在工作線程上，與實(shí)際的植保無人機(jī)作業(yè)裝置如噴頭、電磁控制閥等相配合，進(jìn)行空間分配、數(shù)據(jù)采集存儲與命令收發(fā)程序輸入。

　　針對植保無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路信息處理，考慮電磁協(xié)同過程中可能存在的信道數(shù)據(jù)誤碼、數(shù)據(jù)鏈暫時(shí)失效等因素，加入雙工頻率響應(yīng)曲線，設(shè)計(jì)出基于電磁協(xié)同的植保無人機(jī)系統(tǒng)軟件控制架構(gòu)( 見圖 2) ，將衰落、串?dāng)_等主功能經(jīng)條件約束后輸入控制處理器，依據(jù)上述分層理論模型，對電磁信號從加以控制、切換頻道及正常獲取三通道同步進(jìn)入電磁協(xié)同邏輯處理模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閾值判定與命令執(zhí)行。

　　2. 3 系統(tǒng)硬件選型

　　進(jìn)行基于電磁協(xié)同技術(shù)的植保無人機(jī)系統(tǒng)控制硬件選型，給出基于電磁協(xié)同的植保無人機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡圖，如圖 3 所示。該硬件組成在存儲處理容量與功能強(qiáng)大的信號處理 EPU 控制板上依次布置，主要包含電磁協(xié)同信道參數(shù)計(jì)算電路、電磁協(xié)同信道衰落電路、時(shí)延電路、射頻接發(fā)處理電路及它們之間的路徑關(guān)系。

　　設(shè)計(jì)時(shí): 一方面，對接收機(jī)性能指標(biāo)、發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)、各功能天線端口型號、可調(diào)衰減器的衰減總量等參數(shù)進(jìn)行量化設(shè)定，并保證一定的電磁控制協(xié)同性; 另一方面，在抗干擾能力強(qiáng)的三相全控電路中配置效用較高的無刷電機(jī)以減小電磁干擾誤差，同時(shí)給出基于電磁協(xié)同控制的植保無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行主要性能參數(shù)設(shè)置( 見表 2) ，主要包含信息路徑的數(shù)量設(shè)置、信號頻段的選擇及路徑損耗關(guān)鍵參數(shù)與類型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)飛行作業(yè)的全方位、全姿態(tài)監(jiān)控。

　　為確保系統(tǒng)在上、下行數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的電磁協(xié)同敏感性，選取雙向可調(diào)的衰減裝置; AD /DA 芯片的采樣率與轉(zhuǎn)換率分別達(dá)到 250MSPS 與 160MSPS; 植保無人機(jī)作業(yè)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集采用傳感器集成裝置，并考慮電磁協(xié)同控制的兼容性; 動作元件電磁控制裝置則采用對稱多路工作模式，經(jīng)模糊控制處理后確保植保無人機(jī)系統(tǒng)的電磁協(xié)同執(zhí)行精度。

　　3 整機(jī)系統(tǒng)作業(yè)試驗(yàn)

　　3. 1 條件設(shè)置

　　在上述植保無人機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，以驗(yàn)證電磁協(xié)同技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)可行性與可靠性提高為目標(biāo)，對試驗(yàn)裝置進(jìn)行列單選擇，布置后得到植保無人機(jī)電磁協(xié)同作業(yè)控制試驗(yàn)核心裝置組成簡圖，如圖 4 所示。

　　其中，植保無人機(jī)作業(yè)的實(shí)時(shí)軌跡信息作為初始數(shù)據(jù)輸入，信號發(fā)生器與信道配置作為動態(tài)信道仿真裝置的數(shù)據(jù)輸入載體，電磁協(xié)同信號分析平臺作為后臺調(diào)控，展開植保無人機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)，并給出如下試驗(yàn)條件: ①保證系統(tǒng)硬件模塊間傳輸數(shù)據(jù)連線正確; ②保證系統(tǒng)軟件信道功能分配合理; ③設(shè)置試驗(yàn)整機(jī)的工作信號強(qiáng)度區(qū)間為[- 30，- 70]dB; ④確保各試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄的清晰、完整。

　　3. 2 過程分析

　　在電磁協(xié)同控制技術(shù)下，選取整機(jī)試驗(yàn)作業(yè)的 7 個(gè)關(guān)鍵信號節(jié)點(diǎn)，通過利用狀態(tài)顯示儀器，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，得到電磁協(xié)同技術(shù)下的植保無人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，如表 3 所示。由表 3 可知: 基于電磁協(xié)同技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，植保無人機(jī)系統(tǒng)對電磁干擾強(qiáng)度與理論計(jì)算的電磁干擾強(qiáng)度相比，兩者相對誤差可控制在 1. 06% 以下，平均相對誤差維持在 0. 78% 左右，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)滿足電磁協(xié)同技術(shù)的預(yù)期控制要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確可行。

　　進(jìn)一步選定植保無人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)過程中數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性、系統(tǒng)布局優(yōu)化度、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與整機(jī)作業(yè)效率作為關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行衡量，與基于通用控制技術(shù)的植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到基于電磁協(xié)同的植保無人機(jī)作業(yè)試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)評價(jià)對比結(jié)果，如表 4 所示。由表 4 可知: 電磁協(xié)同控制處理技術(shù)應(yīng)用于植保無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性由通用的 90. 85% 提高到 96. 80% ，大大降低了電磁波對無人機(jī)作業(yè)信號的干擾，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性由通用的 89. 30% 提高到 93. 50% ，系統(tǒng)布局優(yōu)化度由 91. 50% 提高至 94% ; 作業(yè)效率由 88. 90% 提高到 94. 65% 。

　　4 結(jié)論

　　1) 在植保無人機(jī)作業(yè)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)存在的電磁干擾問題，以優(yōu)化改善電磁干擾強(qiáng)度、確保鏈路數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性為目標(biāo)，建立植保無人機(jī)系統(tǒng)的電磁協(xié)同控制計(jì)算模型。

　　2) 針對植保無人機(jī)系統(tǒng)展開軟件程序設(shè)計(jì)與硬件模塊配置，實(shí)現(xiàn)了完整高效的植保無人機(jī)作業(yè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了基于電磁協(xié)同技術(shù)的系統(tǒng)作業(yè)試驗(yàn)。

　　3) 該理念下的作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可大大降低田間周邊電磁信號對植保無人機(jī)作業(yè)干擾的程度，驗(yàn)證了電磁協(xié)同技術(shù)應(yīng)用于植保無人機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性，可為更深入掌握電磁干擾對植保無人機(jī)作業(yè)的影響規(guī)律提供一定參考，有利于植保無人機(jī)朝著更加智能高效化道路發(fā)展。