農(nóng)林智能無人機(jī)通信方向研究

董作峰，趙澤宇，王 楠，劉 唱

（山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉045000）

隨著科技的快速發(fā)展，由無線電操控或自身程序控制的無人駕駛飛行器——無人機(jī)的出現(xiàn)，在世界上引起了巨大反響。當(dāng)前，為了減少我國(guó)在農(nóng)林監(jiān)控方面人力資源的浪費(fèi)，也為了更加詳細(xì)的了解農(nóng)林資源，無人機(jī)的出現(xiàn)可有效緩解這方面的壓力。并且對(duì)其通信方面的研究對(duì)幫助了解與監(jiān)控農(nóng)林資源方面有極其重要的作用。

1 研究背景

1.1 研究現(xiàn)狀

早在以前，國(guó)外就在農(nóng)業(yè)方面運(yùn)用有人駕駛飛機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑工作，節(jié)省了大量人力，并且可以使農(nóng)藥有規(guī)律且均勻分布在農(nóng)田里。而我國(guó)各個(gè)地區(qū)的農(nóng)田分布較為零散，使用有人駕駛飛機(jī)較為浪費(fèi)，無人機(jī)比較適合我國(guó)國(guó)情。目前，我國(guó)無人機(jī)事業(yè)已經(jīng)開始蓬勃發(fā)展，逐步應(yīng)用于農(nóng)林方面，但由于無人機(jī)的應(yīng)用范圍較為廣泛、技術(shù)有差異，還沒有規(guī)范的行為規(guī)章制度。為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合國(guó)家八部委制定了《無人機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。這大力推動(dòng)了無人機(jī)事業(yè)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

1.2 農(nóng)林智能無人機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，我國(guó)森林面積達(dá)到1.75億公頃，耕地面積1.28億公頃。面對(duì)如此之大的土地面積，并且會(huì)出現(xiàn)各種用于不同情況的農(nóng)林智能無人機(jī)，普通的無人機(jī)通信技術(shù)無法滿足需求。在通信技術(shù)方面，目前有著諸多問題，例如節(jié)點(diǎn)傳輸容量有限、傳輸信號(hào)弱、信息之間的傳輸效率低等諸多方面。這些現(xiàn)實(shí)問題的出現(xiàn)，為農(nóng)林智能無人機(jī)通信點(diǎn)明了發(fā)展方向。

2 無人機(jī)通信研究分析

2.1 傳統(tǒng)Wi-Fi通信

最傳統(tǒng)的通信方式Wi-Fi通信是現(xiàn)今使用最多的無人機(jī)通信方式，這種方式操作簡(jiǎn)單，使用方便，普遍運(yùn)用于廣大無人機(jī)上。但存在技術(shù)落后、方式陳舊，無人機(jī)的安全得不到保障，范圍也相對(duì)局限，無法遠(yuǎn)距離傳輸?shù)热秉c(diǎn)。一但無人機(jī)飛離信號(hào)區(qū)就無法接收到Wi-Fi信號(hào)致使無人機(jī)無法進(jìn)行信號(hào)傳輸，并且伴隨網(wǎng)絡(luò)的延遲通信也會(huì)受到一定的影響。

2.2 Lightbridge圖傳

Lightbridge圖傳是由我國(guó)大疆無人機(jī)公司自主研發(fā)獨(dú)創(chuàng)的一款通信方式。Lightbridge圖傳不受傳統(tǒng)通信機(jī)制的影響，所以在圖像傳輸信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重延遲的情況下也不用重新發(fā)送數(shù)據(jù)，仍然能將即時(shí)的信號(hào)發(fā)送到監(jiān)視器上，即便是有延遲也可以忽略不計(jì)，只有150ms左右。當(dāng)?shù)竭_(dá)該技術(shù)的極限距離時(shí)，操作員就會(huì)收到來自遙控器的警告信號(hào)，當(dāng)信號(hào)丟失時(shí)，不會(huì)給操作員發(fā)送過時(shí)的信息，不會(huì)讓操作員誤以為無人機(jī)還在正常飛行，這點(diǎn)是Wi—Fi傳輸比不上的優(yōu)勢(shì)。但也有一定的缺點(diǎn)，它無法做到超遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸，并且容易受到電磁的干擾致使無人機(jī)通信受到影響。

2.3 基于衛(wèi)星無人機(jī)通信

衛(wèi)星無人機(jī)通信是一種應(yīng)用于軍用無人機(jī)上的通信方式。它是通過無人機(jī)上的信號(hào)發(fā)射設(shè)備將信號(hào)發(fā)射到衛(wèi)星上，再由衛(wèi)星將信號(hào)傳輸回地面，這種信號(hào)的傳輸不會(huì)受到各種干擾，并且傳輸速度快、畫面清晰、對(duì)距離也沒有要求。但這種信號(hào)發(fā)射裝置過于復(fù)雜無法安裝在小型無人機(jī)上，致使小型無人機(jī)無法通過衛(wèi)星通信。

3 無人機(jī)通信解決方案

通過建立小型信號(hào)基站并將其安裝在無人機(jī)上使其永遠(yuǎn)都存在于信號(hào)覆蓋的區(qū)域并保持信號(hào)良好通信順暢，增加抗干擾性防止電磁的干擾。

信號(hào)基站相對(duì)應(yīng)的無人機(jī)（圖1），頂端的信號(hào)接收器接收來至衛(wèi)星的信號(hào)，上層部分為無人機(jī)的控制系統(tǒng)與信號(hào)接收系統(tǒng)，下層部分方至信號(hào)基站作為無人機(jī)的信號(hào)源進(jìn)行信號(hào)傳輸。

信號(hào)基站（圖2）是一種便捷的無人機(jī)信號(hào)接收裝置，由于其體積微小的特點(diǎn)，方便無人機(jī)攜帶與安放，使無人機(jī)不再受到無法接收信號(hào)的影響，從而使其飛行距離不再受到限制。信號(hào)基站為一個(gè)整體模塊體積小安裝簡(jiǎn)單對(duì)無人機(jī)沒有增加多余的負(fù)擔(dān)。

圖1 信號(hào)基站相對(duì)應(yīng)的無人機(jī)

圖2 信號(hào)基站

3.1 衛(wèi)星信號(hào)的接收

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1頻點(diǎn)調(diào)制的載波頻率為1561.098MHz，然而由于多普勒效應(yīng)的存在，使得最終到達(dá)接收機(jī)天線的載波頻率發(fā)生偏移，所以必須先估計(jì)出多普勒頻偏，剝離載波，才能進(jìn)一步對(duì)偽碼相關(guān)峰進(jìn)行檢測(cè)。如果己經(jīng)得到多普勒頻偏，還需要確定出對(duì)應(yīng)衛(wèi)星信號(hào)的偽碼序列及初相位，復(fù)制出正確的偽碼，才能檢測(cè)到偽碼的相關(guān)峰位，完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲。因此必須通過制定相應(yīng)的搜索策略來估計(jì)出衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻偏與偽碼及其初相位，對(duì)于弱信號(hào)還要通過相關(guān)方式提高捕獲信號(hào)的信噪比。常用的捕獲方法有：線性搜索法、并行頻率搜索、并行碼相位搜索和匹配濾波。

接收機(jī)通過PVT解算處理獲得位置、速度與時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)定位、測(cè)速與定時(shí)的目的。由基帶數(shù)字信號(hào)處理過程已經(jīng)得到了各顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文信息，首先要在這些電文信息的基礎(chǔ)上測(cè)算出相應(yīng)的原始觀測(cè)量，包括多普勒頻移、載波相位、載噪比、俯仰角、偽距、衛(wèi)星位置坐標(biāo)和運(yùn)行速度、信號(hào)接收時(shí)間和發(fā)射時(shí)間、接收機(jī)鐘差和鐘漂等信息，然后利用這些觀測(cè)量來進(jìn)行PVT解算。

3.2 信號(hào)發(fā)射

邊界路由器是OpenThread網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，要求協(xié)議執(zhí)行能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快。OpenThread邊界路由器HOST端選用了Broadcom四核64位ARMA53處理器，1GB運(yùn)行內(nèi)存，板載WIFI和藍(lán)牙模塊，滿足本文設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，性能上留有較多富余量，可進(jìn)行二次開發(fā)功能擴(kuò)展。OpenThread邊界路由器由樹莓派和CC2538模塊兩部分組成，通過USB連接，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 邊界路由器硬件結(jié)構(gòu)

樹莓派只提供能夠訪問外部IP網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)和WIFI接口，不支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，故需要移植有OpenThread協(xié)議的CC2538模塊來提供對(duì)OpenThread網(wǎng)絡(luò)接入的支持。CC2592是2.4GHz無線RF前端收發(fā)芯片，可增加輸出功率、提升接收器靈敏度、降低噪聲系數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)和OpenThread網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，邊界路由器需要同時(shí)支持兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。OpenThread邊界路由器采用“HOST＋NCP”分離式設(shè)計(jì)，邊界路由器主程序在HHOST端運(yùn)行，連接IP網(wǎng)絡(luò)，NCP端（CC2538模塊）連接OpenThread網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在該設(shè)計(jì)中，邊界代理通過Wpantund和Spinel與NCP通信，Spine;還提供了NCP的CoAP客戶端與服務(wù)器之間的接口。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖所示，關(guān)鍵模塊功能見表1。此外，邊界路由器的WAN（WIFI，以太網(wǎng)）口支持外部專員（如用戶的手機(jī)）認(rèn)證和連接OpenThread網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)UDP套接字與外部專員通信，如圖4所示：

表1 關(guān)鍵模塊功能

圖4 結(jié)構(gòu)圖

3 抗干擾設(shè)計(jì)

抗電磁環(huán)境影響技術(shù)的作用包括：完整的無人機(jī)裝備的敏感性分析；外殼屏蔽效能計(jì)算；自由空間環(huán)境的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、評(píng)估和規(guī)范化；電纜設(shè)計(jì)和保護(hù)轉(zhuǎn)移阻抗提取；復(fù)雜電纜系統(tǒng)的感應(yīng)電流和電壓預(yù)測(cè)；電磁干擾（EMI）濾波器、鐵酸鹽或非線性瞬態(tài)保護(hù)電路的性能。

設(shè)計(jì)PLC控制網(wǎng)絡(luò)信息抗干擾技術(shù)時(shí)，針對(duì)不同頻率的信號(hào)選用不同型號(hào)的接收器接收信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)信息干擾源十分復(fù)雜，僅靠回避措施屏蔽干擾是不夠的，可利用適當(dāng)軟件編程進(jìn)行抗干擾處理。通常使用的措施是數(shù)字濾波、信息冗余技術(shù)或者“看門狗”輔助軟件等。PLC網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的軟件抗干擾方式能降低信號(hào)的信噪比，本文采用軟件濾波方式實(shí)現(xiàn)。首先，進(jìn)行多次信息采樣并進(jìn)行聚集歸類，然后儲(chǔ)存在不同的寄存器中，通過模擬干擾計(jì)算得到干擾類別和干擾預(yù)值，判斷信息的傳輸過程。在一定運(yùn)行環(huán)境的影響下，網(wǎng)絡(luò)電子信號(hào)的振動(dòng)頻率過于高或者過于低都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的躍遷現(xiàn)象，一定程度上會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息干擾。PLC網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以電子信息自身的數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)執(zhí)行命令，對(duì)應(yīng)結(jié)果必須保證相應(yīng)的執(zhí)行命令被延續(xù)，保證多次的有效命令才能完成信息有序傳輸。如果接收信號(hào)不穩(wěn)定，選擇自動(dòng)停止傳輸甚至?xí)M(jìn)行自主警報(bào)，方便數(shù)據(jù)修復(fù)，很大程度上提高了數(shù)據(jù)的真實(shí)穩(wěn)定性，避免了信息干擾。

4 結(jié) 語

通過分析通信方向得出無人機(jī)發(fā)展的必要性和重要性，發(fā)現(xiàn)了無人機(jī)在通信方面的一些問題，并且用技術(shù)手段解決了對(duì)應(yīng)問題。通過該技術(shù)，可以解決一些農(nóng)林無人機(jī)通信方面的問題。隨著無人機(jī)在農(nóng)林方向的應(yīng)用拓展，會(huì)有更加優(yōu)秀的通信技術(shù)的出現(xiàn)，農(nóng)林智能無人機(jī)會(huì)有更廣闊的發(fā)展，發(fā)揮更大的作用。