基于電磁協同技術的植保無人機系統設計

　　摘 要: 為進一步提高我國植保無人機田間作業效率，確保農機智能裝備與當前新技術的應用廣泛性，以最 大 限度降低整機工作中的信號干擾度為目標，以應用電磁協同技術為核心手段，針對其作業系統進行可行性設計研究。在深刻理解整機各功能與結構模塊組成布置的基礎上，建立植保無人機系統的電磁協同控制模型，通 過 系統軟件設計與硬件選型，展開植保無人機電磁協同作業控制試驗。試驗結果 表 明: 通過電磁協同技術的優化，大大降低了電磁波對植保無人機作業信號的干擾，系統數據傳輸準確性提高了 5 . 95% ，運行可靠性提高了4. 20% ，植保無人機作業效率提高了 5 . 75% ，可達 94 . 65% 。系統設計正確且符合功能需求，對于電磁協同技術應用于植保無人機及類似智能農機裝備有很好的借鑒意義。

　　關鍵詞: 植保無人機; 信號干擾度; 電磁協同; 可靠性

　　浦立孟1 ，秦立山1 ，陸 坤2;農機化研究;2022 年 7 月

　　0 引言

　　近年來，隨著我國信息化技術與智能化制造技術的廣泛應用，農業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了定量定時作業，用于田間墑情勘探的無人機實現了遙感信息融合，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環境因素復雜多變，在作業過程中會遭受電磁信號干擾，導致信號傳輸不準確，出現信號亂碼等現象，不利于植保無人機的高效能作業。為此，筆者嘗試從電磁協同技術的角度出發，以改善整機系統數據信息鏈路的穩定可靠性為目標，在充分掌握植保無人機數據信息傳遞 - 處理 - 顯示的原理基礎上，展開系統設計研究。

　　1 植保無人機作業概述

　　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、數據通信系統及收發裝置等。其數據通信系統存在電磁信號干擾，是非常關鍵的環節。無人機在田間作業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構模塊組成布置實現，是植保無人機功能的內部具體呈現，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 基于電磁協同的系統設計

　　2. 1 協同模型建立

　　以數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運行過程的信道數據衰落要求條件下，根據植保無人機飛行姿態與電磁變化閾值之間的關系，合理地分布電磁干擾源及耦合路徑，將數據鏈路的信息傳感網絡協同映射，進行該型植保無人機系統電磁協同建模，即

　　針對系統的信息電磁輻射干擾問題，給出植保無人機系統作業的動態電磁協同控制設計，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據信號，在電磁鏈路通信環節注入一定的魯棒響應模塊，傳遞至植保無人機的接收系統; 在動態電磁協同控制關鍵環節，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響應靈敏度級別與閾值，形成電磁協同控制核心理論模型。

　　2. 2 系統軟件控制

　　基于上述電磁協同核心控制計算模型，在植保無人機多線程架構布局的基礎上進行系統軟件控制設計，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建 WORK、收發傳遞 DATA; 在工作線程上，與實際的植保無人機作業裝置如噴頭、電磁控制閥等相配合，進行空間分配、數據采集存儲與命令收發程序輸入。

　　針對植保無人機的數據鏈路信息處理，考慮電磁協同過程中可能存在的信道數據誤碼、數據鏈暫時失效等因素，加入雙工頻率響應曲線，設計出基于電磁協同的植保無人機系統軟件控制架構( 見圖 2) ，將衰落、串擾等主功能經條件約束后輸入控制處理器，依據上述分層理論模型，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同邏輯處理模塊，進而實現閾值判定與命令執行。

　　2. 3 系統硬件選型

　　進行基于電磁協同技術的植保無人機系統控制硬件選型，給出基于電磁協同的植保無人機系統硬件設計實現簡圖，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，主要包含電磁協同信道參數計算電路、電磁協同信道衰落電路、時延電路、射頻接發處理電路及它們之間的路徑關系。

　　設計時: 一方面，對接收機性能指標、發射機性能指標、各功能天線端口型號、可調衰減器的衰減總量等參數進行量化設定，并保證一定的電磁控制協同性; 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同控制的植保無人機系統運行主要性能參數設置( 見表 2) ，主要包含信息路徑的數量設置、信號頻段的選擇及路徑損耗關鍵參數與類型，進而實現植保無人機飛行作業的全方位、全姿態監控。

　　為確保系統在上、下行數據處理環節的電磁協同敏感性，選取雙向可調的衰減裝置; AD /DA 芯片的采樣率與轉換率分別達到 250MSPS 與 160MSPS; 植保無人機作業姿態數據采集采用傳感器集成裝置，并考慮電磁協同控制的兼容性; 動作元件電磁控制裝置則采用對稱多路工作模式，經模糊控制處理后確保植保無人機系統的電磁協同執行精度。

　　3 整機系統作業試驗

　　3. 1 條件設置

　　在上述植保無人機系統架構設計完成后，以驗證電磁協同技術應用系統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同作業控制試驗核心裝置組成簡圖，如圖 4 所示。

　　其中，植保無人機作業的實時軌跡信息作為初始數據輸入，信號發生器與信道配置作為動態信道仿真裝置的數據輸入載體，電磁協同信號分析平臺作為后臺調控，展開植保無人機作業性能試驗，并給出如下試驗條件: ①保證系統硬件模塊間傳輸數據連線正確; ②保證系統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間為[- 30，- 70]dB; ④確保各試驗數據的記錄的清晰、完整。

　　3. 2 過程分析

　　在電磁協同控制技術下，選取整機試驗作業的 7 個關鍵信號節點，通過利用狀態顯示儀器，進行數據輸出，得到電磁協同技術下的植保無人機系統作業試驗數據統計情況，如表 3 所示。由表 3 可知: 基于電磁協同技術的優化改進，植保無人機系統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，各項監測數據指標滿足電磁協同技術的預期控制要求，系統設計正確可行。

　　進一步選定植保無人機系統作業過程中數據傳輸準確性、系統布局優化度、系統運行可靠性與整機作業效率作為關鍵參數進行衡量，與基于通用控制技術的植保無人機作業參數數據進行對比，得到基于電磁協同的植保無人機作業試驗關鍵參數評價對比結果，如表 4 所示。由表 4 可知: 電磁協同控制處理技術應用于植保無人機系統設計，系統數據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信號的干擾，系統運行可靠性由通用的 89. 30% 提高到 93. 50% ，系統布局優化度由 91. 50% 提高至 94% ; 作業效率由 88. 90% 提高到 94. 65% 。

　　4 結論

　　1) 在植保無人機作業特點與結構組成基礎上，針對系統存在的電磁干擾問題，以優化改善電磁干擾強度、確保鏈路數據傳輸準確性為目標，建立植保無人機系統的電磁協同控制計算模型。

　　2) 針對植保無人機系統展開軟件程序設計與硬件模塊配置，實現了完整高效的植保無人機作業系統，并進行了基于電磁協同技術的系統作業試驗。

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