基于PX4構(gòu)建高可靠農(nóng)用微小型無人機數(shù)據(jù)鏈的實現(xiàn)方法

樊　超,胡小安,偉利國,張小超

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院 土壤植物機器國家重點實驗室，北京　100083)

?

基于PX4構(gòu)建高可靠農(nóng)用微小型無人機數(shù)據(jù)鏈的實現(xiàn)方法

樊超,胡小安,偉利國,張小超

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院 土壤植物機器國家重點實驗室，北京100083)

摘要：農(nóng)用微小型無人機在精準農(nóng)業(yè)中的作用日益重要，正在成為農(nóng)機行業(yè)新的亮點和熱點。農(nóng)用微小型無人機數(shù)據(jù)鏈的可靠性是影響其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，本文針對農(nóng)用微小型無人機數(shù)據(jù)鏈，選用PX4開源飛控，以3DR電臺和QGroundControl地面站搭建的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備為平臺，設(shè)計了數(shù)傳電臺冗余切換系統(tǒng)及相應(yīng)的電臺聯(lián)機質(zhì)量測試系統(tǒng)，分別來提高和檢測數(shù)據(jù)鏈的可靠性。同時，主要介紹了冗余切換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理及電臺聯(lián)機質(zhì)量測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，并進行了相應(yīng)的測試。測試結(jié)果表明：該方法能有效地提高農(nóng)用微小型無人機數(shù)據(jù)鏈的可靠性。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用微小型無人機；數(shù)據(jù)鏈；冗余；抗干擾

0引言

目前，國際無人機系統(tǒng)協(xié)會[簡稱AUVSI(Association for Unmanned Vehicle Systems International)]已將無人機在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用列為無人機系統(tǒng)3個重點開發(fā)的民用領(lǐng)域之一。農(nóng)用微小型無人機在精準農(nóng)業(yè)中的重要作用使它正在成為農(nóng)機行業(yè)新的亮點和熱點[1]。農(nóng)用微小型無人機主要用于執(zhí)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和監(jiān)測任務(wù)，因而要求具有高可靠性。

數(shù)據(jù)鏈是農(nóng)用微小型無人機系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性是影響其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。按數(shù)據(jù)傳輸方向的不同可分為上行鏈路和下行鏈路：上行鏈路主要完成地面站至無人機的遙控指令的發(fā)送和接收；下行鏈路主要完成無人機至地面終端的遙測數(shù)據(jù)，用于傳送無人機的姿態(tài)、位置、機載設(shè)備的工作狀態(tài)及當前遙控指令等[2]。

本項目選用PX4開源飛控為研究平臺，主要由QGroundControl地面站軟件和3DR電臺組成。選用的3DR電臺載波頻率段為433MHz。當受到433MHz附近的某一固定頻率干擾時，3DR電臺可以憑借自身的跳頻技術(shù)(FHSS)，達到抗干擾的效果。然而，跳頻系統(tǒng)本身也存在著一些缺點和局限，如信號隱蔽性差、抗多頻干擾及跟蹤式干擾能力有限等[3]。當3DR電臺所有信道都被干擾，即受到多頻干擾或跟蹤式干擾時，電臺的聯(lián)機質(zhì)量將受到很大影響，甚至無法正常工作。為了構(gòu)建高可靠數(shù)據(jù)鏈，本文提出了一種建立數(shù)傳電臺冗余切換系統(tǒng)的方法。

1數(shù)傳電臺冗余切換系統(tǒng)

當選用的433MHz的3DR電臺所有信道都被干擾，即受到多頻干擾或跟蹤式干擾時，可以采用擴展電臺頻率帶寬的方式來實現(xiàn)抗干擾。所設(shè)計的數(shù)傳電臺冗余切換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1　冗余切換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

冗余切換裝置是以無線繼電器為核心，實現(xiàn)電臺之間的切換。其主要思路是：當433MHz電臺所有信道受到干擾而無法正常工作時，無人機數(shù)據(jù)鏈將通過868MHz電臺正常工作。系統(tǒng)的原理圖，如圖2所示。

PX4飛控由PX4FMU和PX4IO組裝而成。數(shù)傳電臺的連接端口在PX4IO上，名稱為“FMU USART2”。為了盡量不破壞原系統(tǒng)的構(gòu)成，采用了只對該接口進行擴展的硬件處理方法。

無線繼電器默認狀態(tài)為電源關(guān)閉狀態(tài)。電源通斷受遠程遙控開關(guān)控制。遙控開關(guān)由單獨的電池供電，供電通斷可以控制。遙控開關(guān)的信號載波頻率為315MHz，工作距離最遠可達1 000m。

數(shù)傳電臺共有兩組：一組為433MHz，另一組為868MHz。每組電臺都由1個遠程電臺和1個本地電臺構(gòu)成。遠程電臺的連接如圖2所示，本地電臺連接在擁有地面站的PC機上。

圖2　冗余切換系統(tǒng)原理圖

無線繼電器默認狀態(tài)為電源關(guān)閉狀態(tài)，此時433MHz 遠程電臺實現(xiàn)了供電，868MHz遠程電臺斷電，所以只有433MHz電臺可以正常工作。在QGroundControl地面站上選擇433MHz電臺所在的端口進行連接。當433MHz電臺受到強烈干擾時，通過以下步驟可以實現(xiàn)電臺切換：

1)打開遙控開關(guān)的電源，實現(xiàn)遙控開關(guān)的供電；

2)在地面站關(guān)閉433MHz電臺的連接；

3)遙控開關(guān)按下“開”按鈕，實現(xiàn)無線繼電器的電源接通，此時868MHz遠程電臺實現(xiàn)供電，433MHz遠程電臺斷電；

4)關(guān)閉遙控開關(guān)的電源；

5)在地面站選擇868MHz的電臺端口，進行連接。

若要實現(xiàn)由868MHz的電臺切換成433MHz的電臺，只需打開遙控開關(guān)的電源，按下“關(guān)”按鈕，實現(xiàn)無線繼電器的電源斷開；此時433MHz遠程電臺實現(xiàn)供電，868MHz遠程電臺斷電。

2冗余切換系統(tǒng)性能評測

2.1　測試硬件

測試硬件是一個干擾源系統(tǒng)，主要包括射頻信號源、射頻功率放大器及全向天線3部分，如圖3所示。

通過查找參數(shù)得知，3DR電臺的發(fā)射功率為20dBm，即100mW。根據(jù)此參數(shù)選擇了相應(yīng)的硬件設(shè)備：射頻信號源最大輸出為-10dBm；功率放大器輸入為-10dBm時，最大輸出為2.8W。

圖3　干擾源系統(tǒng)的組成框圖

2.1.1射頻信號源

以高性能DDS芯片AD9910為核心，以單片機STC15L2K60S2為控制器，設(shè)計了該射頻信號源[4]，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

AD9910是一款內(nèi)置14位DAC的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，支持高達1GSPS的采樣速率。AD9910采用高級DDS專利技術(shù)，在不犧牲性能的前提下可極大降低功耗。DDS/DAC組合構(gòu)成數(shù)字可編程的高頻模擬輸出頻率合成器，能夠在高達400MHz的頻率下生成頻率捷變正弦波形。AD9910提供3個用于控制DDS的信號控制參數(shù)，包括頻率、相位與振幅。該DDS利用32位累加器提供快速調(diào)頻和頻率調(diào)諧分辨率，還實現(xiàn)了快速相位與幅度切換功能。通過串行I/O端口對AD9910的內(nèi)部控制寄存器進行編程，可以實現(xiàn)對AD9910的控制，集成了靜態(tài)RAM，可支持頻率、相位或振幅調(diào)制的多種組合，還支持自定義的數(shù)控數(shù)字斜坡工作模式。在該模式下，頻率、相位或振幅隨時間呈線性變化。AD9910內(nèi)置的高速并行數(shù)據(jù)輸入端口能實現(xiàn)直接頻率、相位、振幅或極化調(diào)制，以支持更高級的調(diào)制功能。

單片機是整個系統(tǒng)的控制核心。通過編程使得該系統(tǒng)輸出有兩種模式：一是點頻輸出模式，即固定為433MHz；二是掃頻輸出模式，需要設(shè)置好兩個頻率F1和F2，由F1至F2再由F2至F1，循環(huán)進行。在單片機的控制下，按照預(yù)設(shè)好的頻率步進和每個頻點的駐留時間產(chǎn)生線性或非線性的頻率變化。根據(jù)目標電臺的相應(yīng)參數(shù)，設(shè)置F1=433 050kHz，F(xiàn)2=434 790kHz，頻率步進為1KHz。

2.1.2射頻功率放大器

在干擾源系統(tǒng)的前級，射頻信號源產(chǎn)生的射頻信號功率很小，為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。

所選用的功率放大器可以將400~470MHz范圍內(nèi)的信號進行功率放大，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　射頻功率放大器結(jié)構(gòu)簡圖

該射頻功率放大器屬于AB類功率放大器，由輸出電壓為12V、額定輸出電流為1A的開關(guān)電源供電。輸入端信號主要經(jīng)過電調(diào)衰減器、兩級小信號放大和MOS管放大3部分，從而到達輸出端。其中，電調(diào)衰減器是為了實現(xiàn)輸出功率的可調(diào)節(jié)性，兩級小信號和MOS管實現(xiàn)輸入信號的功率放大。

2.2　測試軟件

測試軟件為QGroundControl地面站軟件。由于3DR電臺及選用的868MHz電臺均支持MAVLink協(xié)議，PX4飛控在和地面站通信時，電臺會自動在每次通信結(jié)束前，按照MAVLink協(xié)議，加入自己的信噪數(shù)據(jù)(信號強度、背景噪聲強度)。所以，QGroundControl地面站可以收到遠程電臺和本地電臺的兩組信噪數(shù)據(jù)。

監(jiān)控電臺聯(lián)機質(zhì)量，有以下4個關(guān)鍵參數(shù)：

①RADIO_STATUS.rssi。本地端接收電臺的信號強度。②RADIO_STATUS.remrssi。遠程端接收電臺的信號強度。③RADIO_STATUS.noise。本地端的噪聲信號強度。④RADIO_STATUS.remnoise。遠程端的噪聲信號強度。

2.3　測試環(huán)境

為了更好地檢測出干擾及抗干擾的效果。電臺之間的距離及電臺與天線的距離不宜過遠，否則會直接無法正常工作。當距離較近時，可以在正常工作的前提下，通過信噪比的變化，檢測出干擾及抗干擾的效果。具體測試環(huán)境如下：①載機F450四旋翼；②模式穩(wěn)定模式；③本地電臺與天線距離1m；④遠程電臺與天線距離5m；⑤本地電臺與遠程電臺距離4m。

2.4　測試方式

1)關(guān)閉干擾源系統(tǒng)電源，分別測試433MHz電臺和868MHz電臺工作時的信噪數(shù)據(jù)；

2)打開干擾源系統(tǒng)電源，選擇點頻輸出模式，測試433MHz電臺工作時的信噪數(shù)據(jù)；

3)打開干擾源系統(tǒng)電源，選擇掃頻輸出模式，分別測試433MHz電臺和868MHz電臺工作時的信噪數(shù)據(jù)。

2.5　測試結(jié)果

1)第1組：關(guān)閉干擾源電源，433MHz電臺的信噪數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6　關(guān)閉干擾源433MHz電臺信噪數(shù)據(jù)

2)第2組：關(guān)閉干擾源電源，868MHz電臺的信噪數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7　關(guān)閉干擾源868MHz電臺信噪數(shù)據(jù)

3)第3組：打開干擾源系統(tǒng)電源，點頻輸出模式下，433MHz電臺的信噪數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8　點頻模式433MHz電臺信噪數(shù)據(jù)

4)第4組：打開干擾源系統(tǒng)電源，掃頻輸出模式下，433MHz電臺的信噪數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9　掃頻模式433MHz電臺信噪數(shù)據(jù)

5)第5組：打開干擾源系統(tǒng)電源，掃頻輸出模式下，868MHz電臺的信噪數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖6~圖10中橫軸為時間，寬度為2min；縱軸為信號強度。每兩個數(shù)據(jù)點之間間隔1s，得到的數(shù)據(jù)點用直線平滑連接形成整體圖像。

圖10　掃頻模式868MHz電臺信噪數(shù)據(jù)

信噪比，英文名稱叫做SNR或S/N(SIGNAL-NOISE RATIO)，又稱為訊噪比，是指一個電子設(shè)備或者電子系統(tǒng)中信號與噪聲的比例。這里的信號指的是來自設(shè)備外部需要通過這臺設(shè)備進行處理的電子信號，噪聲是指經(jīng)過該設(shè)備后產(chǎn)生的原信號中并不存在的無規(guī)則的額外信號(或信息)，并且該種信號并不隨原信號的變化而變化。

信噪比是度量通信系統(tǒng)通信質(zhì)量可靠性的一個主要技術(shù)指標。一般來說，信噪比越大，說明混在信號里的噪聲相對越小，系統(tǒng)的通信質(zhì)量越高。當信噪比低到一定程度時，系統(tǒng)的通信質(zhì)量將無法滿足要求，即通信失效。

設(shè)定RSSI、Noise分別代表信號與噪聲在圖中的縱坐標數(shù)值，若要換算成以dBm為單位的相應(yīng)數(shù)值，根據(jù)Si1000(3DR電臺的無線微控制器)的數(shù)據(jù)表，可使用如下近似公式

Signal(dBm)=(RSSI/1.9)-127

Noise(dBm)=(Noise/1.9)-127

根據(jù)信噪比的定義，有

SNR(dB)=10lg(PS/PN)

=10lg[(PS/1mW)/(PN/1mW)]

=10lg(PS/1mW)-10lg(PN/1Mw)

=Signal(dBm)-Noise(dBm);

所以，SNR(dB)=(RSSI-Noise)/1.9。

計算出各組數(shù)據(jù)在橫軸的2min寬度內(nèi)的平均值，就可以根據(jù)信噪比公式計算出信噪比的平均值。

比較第1組和第3組數(shù)據(jù)可知：信號強度略微減弱，噪聲強度基本不變。所以，信噪比略微減小，點頻輸出模式對433MHz電臺聯(lián)機質(zhì)量有較小的影響。

比較第1組和第4組數(shù)據(jù)可知：信號強度變化劇烈，明顯減弱，噪聲強度略微加強。所以，信噪比明顯減小，掃頻輸出模式對433MHz電臺聯(lián)機質(zhì)量有較大的影響。

比較第2組和第5組數(shù)據(jù)可知：信號強度略微加強，噪聲強度略微加強。所以，信噪比變化不大，掃頻輸出模式對868MHz電臺聯(lián)機質(zhì)量基本沒有影響。

比較第4組和第5組數(shù)據(jù)可知：信號強度有明顯加強，噪聲強度減弱明顯且減弱幅度基本保持穩(wěn)定。所以，信噪比明顯增大，掃頻輸出模式下，切換電臺后，電臺聯(lián)機質(zhì)量明顯提高。

3結(jié)論

隨著農(nóng)用微小型無人機的應(yīng)用越來越廣泛，提升可靠性成為了農(nóng)用微小型無人機迫切需要考慮的問題。本文即通過高可靠數(shù)據(jù)鏈(數(shù)傳電臺冗余切換系統(tǒng))，替代現(xiàn)有的單一頻段的數(shù)傳電臺設(shè)備，提升了微小型無人機的電臺聯(lián)機質(zhì)量，保障了數(shù)據(jù)鏈的高可靠性。

當前農(nóng)用微小型無人機應(yīng)對多頻干擾，也有許多其他的方式。本文只是提出一種新的解決思路。今后，也可以將本系統(tǒng)與其他方式進行融合，達到更好的抗干擾效果，進一步提高微小型無人機數(shù)據(jù)鏈的可靠性。

參考文獻：

[1]胡承鍵.加速寧夏農(nóng)用無人機開發(fā)應(yīng)用促進精準農(nóng)業(yè)發(fā)展[J].寧夏農(nóng)林科技，2014(5)：8-10.

[2]魏端軒，李學仁．無人機系統(tǒng)及作戰(zhàn)使用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009．

[3]李文仲．短距離無線數(shù)據(jù)通信入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4]熊慎偉．基于DDS的寬帶雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)[J ]．電子工程信息，2005(1)：35-37．

Implementation of Constructing High Reliability Data Link for Agricultural Mini-UAV Based on PX4

Fan Chao， Hu Xiaoan， Wei Liguo， Zhang Xiaochao

(National Key Laboratory of Soil-plant-machine System, Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science,Beijing, 100083, China)

Abstract：Agricultural Mini-UAV is playing a greater role in precision agriculture and is becoming the new focus of the agricultural machinery industry. The reliability of the agricultural Mini-UAV data link is the key factor that affects its stability. The redundancy switching system of radio modem and the quality testing system of radio communication are designed in this paper to improve and test the reliability of the agricultural Mini-UAV data link. The two systems are based on PX4 project on data link platform constructed by 3DR and Q Ground Control. This paper mainly introduced the structure and principle of the two systems. The redundancy switching system of radio modem has passed tests to improve the reliability of the agricultural Mini-UAV data link.

Key words：agricultural mini-UAV； data link； redundancy； anti-jamming

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0224-05

作者簡介：樊超(1992-)，男，山西永濟人，碩士研究生，(E-mail)1195295109@qq.com。

基金項目：“十二五”國家“863計劃”項目(2013AA102303)

收稿日期：2015-09-06