農(nóng)林智能無人機通信方向研究

董作峰，趙澤宇，王 楠，劉 唱

（山西工程技術學院，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——無人機的出現(xiàn)，在世界上引起了巨大反響。當前，為了減少我國在農(nóng)林監(jiān)控方面人力資源的浪費，也為了更加詳細的了解農(nóng)林資源，無人機的出現(xiàn)可有效緩解這方面的壓力。并且對其通信方面的研究對幫助了解與監(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，國外就在農(nóng)業(yè)方面運用有人駕駛飛機進行農(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。而我國各個地區(qū)的農(nóng)田分布較為零散，使用有人駕駛飛機較為浪費，無人機比較適合我國國情。目前，我國無人機事業(yè)已經(jīng)開始蓬勃發(fā)展，逐步應用于農(nóng)林方面，但由于無人機的應用范圍較為廣泛、技術有差異，還沒有規(guī)范的行為規(guī)章制度。為此，國家標準化管理委員會聯(lián)合國家八部委制定了《無人機系統(tǒng)標準體系建設指南》。這大力推動了無人機事業(yè)應用于各個領域。

1.2 農(nóng)林智能無人機通信技術的發(fā)展趨勢

目前，我國森林面積達到1.75億公頃，耕地面積1.28億公頃。面對如此之大的土地面積，并且會出現(xiàn)各種用于不同情況的農(nóng)林智能無人機，普通的無人機通信技術無法滿足需求。在通信技術方面，目前有著諸多問題，例如節(jié)點傳輸容量有限、傳輸信號弱、信息之間的傳輸效率低等諸多方面。這些現(xiàn)實問題的出現(xiàn)，為農(nóng)林智能無人機通信點明了發(fā)展方向。

2 無人機通信研究分析

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通信方式，這種方式操作簡單，使用方便，普遍運用于廣大無人機上。但存在技術落后、方式陳舊，無人機的安全得不到保障，范圍也相對局限，無法遠距離傳輸?shù)热秉c。一但無人機飛離信號區(qū)就無法接收到Wi-Fi信號致使無人機無法進行信號傳輸，并且伴隨網(wǎng)絡的延遲通信也會受到一定的影響。

2.2 Lightbridge圖傳

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

2.3 基于衛(wèi)星無人機通信

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

3 無人機通信解決方案

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

信號基站相對應的無人機（圖1），頂端的信號接收器接收來至衛(wèi)星的信號，上層部分為無人機的控制系統(tǒng)與信號接收系統(tǒng)，下層部分方至信號基站作為無人機的信號源進行信號傳輸。

信號基站（圖2）是一種便捷的無人機信號接收裝置，由于其體積微小的特點，方便無人機攜帶與安放，使無人機不再受到無法接收信號的影響，從而使其飛行距離不再受到限制。信號基站為一個整體模塊體積小安裝簡單對無人機沒有增加多余的負擔。

圖1 信號基站相對應的無人機

圖2 信號基站

3.1 衛(wèi)星信號的接收

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)B1頻點調制的載波頻率為1561.098MHz，然而由于多普勒效應的存在，使得最終到達接收機天線的載波頻率發(fā)生偏移，所以必須先估計出多普勒頻偏，剝離載波，才能進一步對偽碼相關峰進行檢測。如果己經(jīng)得到多普勒頻偏，還需要確定出對應衛(wèi)星信號的偽碼序列及初相位，復制出正確的偽碼，才能檢測到偽碼的相關峰位，完成對衛(wèi)星信號的捕獲。因此必須通過制定相應的搜索策略來估計出衛(wèi)星信號的多普勒頻偏與偽碼及其初相位，對于弱信號還要通過相關方式提高捕獲信號的信噪比。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。

接收機通過PVT解算處理獲得位置、速度與時間信息，實現(xiàn)定位、測速與定時的目的。由基帶數(shù)字信號處理過程已經(jīng)得到了各顆衛(wèi)星的導航電文信息，首先要在這些電文信息的基礎上測算出相應的原始觀測量，包括多普勒頻移、載波相位、載噪比、俯仰角、偽距、衛(wèi)星位置坐標和運行速度、信號接收時間和發(fā)射時間、接收機鐘差和鐘漂等信息，然后利用這些觀測量來進行PVT解算。

3.2 信號發(fā)射

邊界路由器是OpenThread網(wǎng)絡的核心組成部分，要求協(xié)議執(zhí)行能力強，運行速度快。OpenThread邊界路由器HOST端選用了Broadcom四核64位ARMA53處理器，1GB運行內存，板載WIFI和藍牙模塊，滿足本文設計要求的同時，性能上留有較多富余量，可進行二次開發(fā)功能擴展。OpenThread邊界路由器由樹莓派和CC2538模塊兩部分組成，通過USB連接，硬件結構如圖3所示：

圖3 邊界路由器硬件結構

樹莓派只提供能夠訪問外部IP網(wǎng)絡的以太網(wǎng)和WIFI接口，不支持IEEE802.15.4標準協(xié)議，故需要移植有OpenThread協(xié)議的CC2538模塊來提供對OpenThread網(wǎng)絡接入的支持。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)。

為了實現(xiàn)IP網(wǎng)絡和OpenThread網(wǎng)狀網(wǎng)絡互聯(lián)，邊界路由器需要同時支持兩種異構網(wǎng)絡。OpenThread邊界路由器采用“HOST＋NCP”分離式設計，邊界路由器主程序在HHOST端運行，連接IP網(wǎng)絡，NCP端（CC2538模塊）連接OpenThread網(wǎng)狀網(wǎng)絡。在該設計中，邊界代理通過Wpantund和Spinel與NCP通信，Spine;還提供了NCP的CoAP客戶端與服務器之間的接口。系統(tǒng)軟件結構如圖所示，關鍵模塊功能見表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）認證和連接OpenThread網(wǎng)絡節(jié)點，并使用標準UDP套接字與外部專員通信，如圖4所示：

表1 關鍵模塊功能

圖4 結構圖

3 抗干擾設計

抗電磁環(huán)境影響技術的作用包括：完整的無人機裝備的敏感性分析；外殼屏蔽效能計算；自由空間環(huán)境的實驗裝置設計、評估和規(guī)范化；電纜設計和保護轉移阻抗提??；復雜電纜系統(tǒng)的感應電流和電壓預測；電磁干擾（EMI）濾波器、鐵酸鹽或非線性瞬態(tài)保護電路的性能。

設計PLC控制網(wǎng)絡信息抗干擾技術時，針對不同頻率的信號選用不同型號的接收器接收信號。網(wǎng)絡信息干擾源十分復雜，僅靠回避措施屏蔽干擾是不夠的，可利用適當軟件編程進行抗干擾處理。通常使用的措施是數(shù)字濾波、信息冗余技術或者“看門狗”輔助軟件等。PLC網(wǎng)絡信息技術的軟件抗干擾方式能降低信號的信噪比，本文采用軟件濾波方式實現(xiàn)。首先，進行多次信息采樣并進行聚集歸類，然后儲存在不同的寄存器中，通過模擬干擾計算得到干擾類別和干擾預值，判斷信息的傳輸過程。在一定運行環(huán)境的影響下，網(wǎng)絡電子信號的振動頻率過于高或者過于低都會產(chǎn)生相應的躍遷現(xiàn)象，一定程度上會出現(xiàn)網(wǎng)絡信息干擾。PLC網(wǎng)絡信息技術針對這一現(xiàn)象進行優(yōu)化設計，以電子信息自身的數(shù)據(jù)與基礎執(zhí)行命令，對應結果必須保證相應的執(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。如果接收信號不穩(wěn)定，選擇自動停止傳輸甚至會進行自主警報，方便數(shù)據(jù)修復，很大程度上提高了數(shù)據(jù)的真實穩(wěn)定性，避免了信息干擾。

4 結 語

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