基于電磁協(xié)同技術(shù)的植保無人機系統(tǒng)設計

　　摘 要: 為進一步提高我國植保無人機田間作業(yè)效率，確保農(nóng)機智能裝備與當前新技術(shù)的應用廣泛性，以最 大 限度降低整機工作中的信號干擾度為目標，以應用電磁協(xié)同技術(shù)為核心手段，針對其作業(yè)系統(tǒng)進行可行性設計研究。在深刻理解整機各功能與結(jié)構(gòu)模塊組成布置的基礎上，建立植保無人機系統(tǒng)的電磁協(xié)同控制模型，通 過 系統(tǒng)軟件設計與硬件選型，展開植保無人機電磁協(xié)同作業(yè)控制試驗。試驗結(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作業(yè)信號的干擾，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確性提高了 5 . 95% ，運行可靠性提高了4. 20% ，植保無人機作業(yè)效率提高了 5 . 75% ，可達 94 . 65% 。系統(tǒng)設計正確且符合功能需求，對于電磁協(xié)同技術(shù)應用于植保無人機及類似智能農(nóng)機裝備有很好的借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞: 植保無人機; 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)的廣泛應用，農(nóng)業(yè)植保無人機的控制水平不斷提升。例如，用于精準施藥的無人機實現(xiàn)了定量定時作業(yè)，用于田間墑情勘探的無人機實現(xiàn)了遙感信息融合，并植入各類響應敏捷的探測傳感裝置等。由于植保無人機的作業(yè)環(huán)境因素復雜多變，在作業(yè)過程中會遭受電磁信號干擾，導致信號傳輸不準確，出現(xiàn)信號亂碼等現(xiàn)象，不利于植保無人機的高效能作業(yè)。為此，筆者嘗試從電磁協(xié)同技術(shù)的角度出發(fā)，以改善整機系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息鏈路的穩(wěn)定可靠性為目標，在充分掌握植保無人機數(shù)據(jù)信息傳遞 - 處理 - 顯示的原理基礎上，展開系統(tǒng)設計研究。

　　1 植保無人機作業(yè)概述

　　植保無人機最初由軍用無人機衍生而成，是一種可由遙控裝置實現(xiàn)智能控制的無人駕駛飛行器，主要包括飛行機體、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。

　　植保無人機具備農(nóng)田信息自動獲取、定點定高、暫停拍攝等重要功能，表 1 給出了植保無人機的各功能與結(jié)構(gòu)模塊組成布置實現(xiàn)，是植保無人機功能的內(nèi)部具體呈現(xiàn)，主要劃分為雷達、視覺傳感、視覺控制、路徑設置、信息融合、電磁信息、線程分解與預警模塊。

　　2 基于電磁協(xié)同的系統(tǒng)設計

　　2. 1 協(xié)同模型建立

　　以數(shù)學高斯理論中的時域、空域諧波疊加為基點，在滿足植保無人機控制系統(tǒng)運行過程的信道數(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)絡協(xié)同映射，進行該型植保無人機系統(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，給出植保無人機系統(tǒng)作業(yè)的動態(tài)電磁協(xié)同控制設計，如圖 1 所示。

　　由圖 1 可知: 植保無人機機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模塊，傳遞至植保無人機的接收系統(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的工作信號頻率與強度，確立可適應電磁干擾的整機系統(tǒng)響應靈敏度級別與閾值，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)同核心控制計算模型，在植保無人機多線程架構(gòu)布局的基礎上進行系統(tǒng)軟件控制設計，如圖 2 所示。該植保無人機的上位機程序設計以最大限度降低傳導、輻射、傳導 - 輻射并存的 3 種電磁干 擾 影 響 為 目 標，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，與實際的植保無人機作業(yè)裝置如噴頭、電磁控制閥等相配合，進行空間分配、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)鏈暫時失效等因素，加入雙工頻率響應曲線，設計出基于電磁協(xié)同的植保無人機系統(tǒng)軟件控制架構(gòu)( 見圖 2) ，將衰落、串擾等主功能經(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入電磁協(xié)同邏輯處理模塊，進而實現(xiàn)閾值判定與命令執(zhí)行。

　　2. 3 系統(tǒng)硬件選型

　　進行基于電磁協(xié)同技術(shù)的植保無人機系統(tǒng)控制硬件選型，給出基于電磁協(xié)同的植保無人機系統(tǒng)硬件設計實現(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)計算電路、電磁協(xié)同信道衰落電路、時延電路、射頻接發(fā)處理電路及它們之間的路徑關(guān)系。

　　設計時: 一方面，對接收機性能指標、發(fā)射機性能指標、各功能天線端口型號、可調(diào)衰減器的衰減總量等參數(shù)進行量化設定，并保證一定的電磁控制協(xié)同性; 另一方面，在抗干擾能力強的三相全控電路中配置效用較高的無刷電機以減小電磁干擾誤差，同時給出基于電磁協(xié)同控制的植保無人機系統(tǒng)運行主要性能參數(shù)設置( 見表 2) ，主要包含信息路徑的數(shù)量設置、信號頻段的選擇及路徑損耗關(guān)鍵參數(shù)與類型，進而實現(xiàn)植保無人機飛行作業(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)換率分別達到 250MSPS 與 160MSPS; 植保無人機作業(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系統(tǒng)的電磁協(xié)同執(zhí)行精度。

　　3 整機系統(tǒng)作業(yè)試驗

　　3. 1 條件設置

　　在上述植保無人機系統(tǒng)架構(gòu)設計完成后，以驗證電磁協(xié)同技術(shù)應用系統(tǒng)可行性與可靠性提高為目標，對試驗裝置進行列單選擇，布置后得到植保無人機電磁協(xié)同作業(yè)控制試驗核心裝置組成簡圖，如圖 4 所示。

　　其中，植保無人機作業(yè)的實時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，展開植保無人機作業(yè)性能試驗，并給出如下試驗條件: 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設置試驗整機的工作信號強度區(qū)間為[- 30，- 70]dB; ④確保各試驗數(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，選取整機試驗作業(yè)的 7 個關(guān)鍵信號節(jié)點，通過利用狀態(tài)顯示儀器，進行數(shù)據(jù)輸出，得到電磁協(xié)同技術(shù)下的植保無人機系統(tǒng)作業(yè)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況，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，植保無人機系統(tǒng)對電磁干擾強度與理論計算的電磁干擾強度相比，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，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)指標滿足電磁協(xié)同技術(shù)的預期控制要求，系統(tǒng)設計正確可行。

　　進一步選定植保無人機系統(tǒng)作業(yè)過程中數(shù)據(jù)傳輸準確性、系統(tǒng)布局優(yōu)化度、系統(tǒng)運行可靠性與整機作業(yè)效率作為關(guān)鍵參數(shù)進行衡量，與基于通用控制技術(shù)的植保無人機作業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)進行對比，得到基于電磁協(xié)同的植保無人機作業(yè)試驗關(guān)鍵參數(shù)評價對比結(jié)果，如表 4 所示。由表 4 可知: 電磁協(xié)同控制處理技術(shù)應用于植保無人機系統(tǒng)設計，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確性由通用的 90. 85% 提高到 96. 80% ，大大降低了電磁波對無人機作業(yè)信號的干擾，系統(tǒng)運行可靠性由通用的 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) 在植保無人機作業(yè)特點與結(jié)構(gòu)組成基礎上，針對系統(tǒng)存在的電磁干擾問題，以優(yōu)化改善電磁干擾強度、確保鏈路數(shù)據(jù)傳輸準確性為目標，建立植保無人機系統(tǒng)的電磁協(xié)同控制計算模型。

　　2) 針對植保無人機系統(tǒng)展開軟件程序設計與硬件模塊配置，實現(xiàn)了完整高效的植保無人機作業(yè)系統(tǒng)，并進行了基于電磁協(xié)同技術(shù)的系統(tǒng)作業(yè)試驗。

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