植保无人机通信系统在网络平台上的设计使用.docx

植保无人机通信系统在网络平台上的设计使用植保无人机作为一种高效率的农机技术发展新设备,已被广泛应用于多种场合,如农村电网路线故障的检测、田间作业信息的获取及田间施药作业等完整可靠地通信系统是无人机实现精准飞行与作业的关键环节之一,同时先进可控的网络平台技术已成为农业技术提升的重要手段经查阅资料可知,许多专家学者以提高整机的导航控制性能为目标做出增设GPS导航控制单元、多种导航模型融合等新尝试为此,笔者在农业用植保无人机的工作机理与应用特点的基础上,以确保导航精度、作业位姿实现准确传输为出发点,拟结合网络控制技术,针对无人机飞行的空中信息数据与地面监控间的无缝通信系统展开研究1、植保无人机通信机理概述智能小型无人机具备本体飞行组件完整、导航定位数据获取模块独立、长时间续航作业的基本特性,农业用多翼植保无人机的外形,如图1所示其通信机理可简要描述为:地面控制终端作为指令的发出者,无人机飞行作业形成的轨迹数据、测得的监控数据等经网络设备与介质处理后按照一定的路径与通信协议传送至地面控制终端;地面控制终端对数据信息经编码划分、帧处理后形成规律性、目标性的链路指令,与无人机上的通信装备保持有令必达、数据互换的功能。

图1农业用植保无人机外形图通信系统的节点控制模块是实现高效率通信的关键,按照网络平台物理层、数据链路层及应用层的分布状况,可知基于该平台的通信系统节点控制关系,如图2所示数据链路MAC控制节点将通信系统的SRC与SINK处理装置控制节点与物理层的网络通信用收发信机控制节点按照内部规则实现数据交换,通过系列网关节点反馈进行自适应动作调节图2基于网络平台的无人机通信系统节点控制简图2、网络平台下通信系统设计2.1通信模型建立搭建基于网络控制与传输平台的植保无人机通信系统模型,考虑数据处理丢包率、系统通信强度及无人机作业通信距离等实际因素,得到式中PR—系统通信信号接收功率(mW);PT—系统通信信号接收功率(mW);n—植保无人机作业环境信号传播因子;d—系统信号收发节点间距(m)针对通信模型做指令处理,划分设定无人机状态,包含一般作业、节能省电、休眠及唤醒等,在通信I/O接口的连接下,以M0=0低电平引脚、M0=1高电平引脚为分界组合,给出基于网络平台的通信核心模块工作模式设置,便于适用性调整切换为确保该网络通信控制系统信息数据获取传递的精准化,以控制路径为设计思路,在上述模型的基础上增设控制补偿模型,如图3所示。

补偿控制函数可对粗略参数进行修正,以不断调整反馈通信质量的增益指标、带宽幅度等为手段,确保网络性能本体的优化、各传输信道的布置合理,完成植保无人机的轨迹跟踪与导航控制2.2系统硬件配置根据该通信系统实现功能目标需求,针对系统硬件进行相应配置,无人机机体设计包括译码分路装置、帧码同步处理模块及数据传输信道模块等田间收发通信系统终端实现航迹与实时显示功能,配备遥控编码器、调制解调器、通信数据保护模块,两者之间实现不同功能的通信信号对接模块,如表1所示其中,Sensor模块经USART2对接处理,可实现无人机飞行姿态、发动机参数信息、机体田间作业运行状态及GPS定位信息数据的连续性传输图3无人机通信系统控制补偿模型设计表1植保无人机通信系统信号对接模块设计针对基于网络平台的通信系统接口电路设计,形成如图4所示的电路控制原理,保证通信串口电路节点与外部设备通信内部电路电平间的互相转换选择SP3-485芯片,电路调试方式选择USB与TTL互换对应引脚,各电路芯片保持引脚连接完好,实现通信数据的最佳共享在农田地面监测终端增设通信能量流收集与转换装置,为个别传感器模块提供电源,且在特定的频段收发状态下获得较好的通信系统硬件输出功率指标。

2.3系统软件设计植保无人机通信系统软件设计包括导航跟踪规划模块、状态监测虚拟仪表模块与数据采输管理模块利用FPGA强大并行处理数据功能,对系统数据信号进行处理补偿,设计通信系统软件信息跟踪处理实现过程(见图5),单独输出包含实时显示、D/A控制参数及实际跟踪参数;经该信息模块输入至通信装置的外部控制则需经数据采集、处理、能量流计算及通信效率监测等步骤形成闭环运作,确保数据与控制参数的调节与反馈图4无人机通信系统硬件接口电路控制原理简图图5无人机通信系统软件信息跟踪处理实现简图在特定的路由通信协议之下,给出系统所需的主要数据节点帧结构设置,如表2所示为使合理分簇、数据丢包率等符合设计要求,进行各功能网关节点的帧处理与功率自适应调节该系统的网络数据内部误差处理预测流程如图6所示表2植保无人机通信系统数据节点帧结构设置图6无人机通信系统网络数据内部误差预测流程简图在搭建好的网络平台下,进行权值、阈值初始化,以节点控制为单元,经输入层、隐含层、承接层内部数据运算,输出的数据到达内部误差函数环节,经分析判定输出实测通信传输结果3、无人机通信系统试验3.1条件设置进行基于网络平台的植保无人机飞行作业通信系统试验。

以系统通信初始指向、作业数据信号快速捕获、粗精度控制跟踪及动态通信等阶段为主线,设置如节点发射功率、终端接收速率、飞行速度等主要监控参数(见表3),依据此网络通信系统数据接口设计(见图7)和数据传输流程(见图8),在网络通信平台准确获取飞行数据结果表明:通信系统具备实时高效通信的条件,达到了整机通信系统在网络平台控制的多数据传输目标同时,设置前提条件为:①植保无人机田间作业条件保持一致性;②数据传输电子设备及电路运行协调性;③内部数据采集处理控制算法保持畅通性等表3网络平台下植保无人机通信系统试验主要参数设置3.2过程分析植保无人机的通信系统在试验过程中运行稳定,各项数据在网络平台控制的链路与节点支撑下,可实现无人机与地面控制终端间的数据传输与显示经数据记录与转换处理,得到基于网络平台的植保无人机通信系统试验主要参数对比数据,如表4所示由表4可知:与当前一般通信方式相比,该设计下的网络平台通信系统有效通信距离由70m增加至150m,可为无人机进行远距离作业提供通信数据传输控制便利;系统平均丢包率由1.5%可提升至1.36%,整体通信质量可提升9%左右;系统收发数据信号反应灵敏度可由80dBm提升至97dBm,系统指标性能得到显著改善。

图7基于网络平台的无人机通信系统的数据接口设计简图图8基于网络平台的无人机通信系统数据传输流程简图表4基于网络平台的植保无人机通信系统试验数据统计4、结论1)在深入理解植保无人机作业特点及运行机理的基础上,融入数据采集传送高效的网络平台控制技术,针对其通信系统进行了设计2)搭建基于网络平台的通信控制模型,针对该类型无人机通信系统进行硬件架构配置与软件模块功能设计,形成机体本身与地面监控终端间完整的通信系统,进行通信试验3)试验结果表明:基于网络控制平台的通信系统可整体提高通信有效距离80m,通信数据丢包率与收发灵敏度指标得到明显改善,课为类似农机设备通信系统优化提供思路,有较好的推广价值参考文献:[1]滕道明.播种质量无线传感器网络监测系统设计-基于多跳多信道和高效中继节点[J].农机化研究,2018,40(6):200-204.[2]肖东,江驹,周俊,等.通信受限下多无人机协同运动目标搜索[J].哈尔滨工程大学学报,2018,39(11):1823-1829.[3]伍坪.基于DSP图像处理和HPI通信接口的采摘机器人设计[J].农机化研究,2017,39(10):228-232.[4]王巍,赵继军,彭力,等.基于UAV的移动物联网远距离通信节能策略研究[J].电子学报,2018,46(12):2914-2922.[5]高伟,曹昕燕,张万里,等.基于OFDM-MIMO移动通信模型的采摘机器人设计[J].农机化研究,2017,39(4):129-133.[6]张桢,崔天时,刘行风,等.农用植保旋翼无人机地面监控系统的设计与实现[J].农机化研究,2017,39(11):64-68,147.[7]陈天华,卢思翰.基于DSP的小型农用无人机导航控制系统设计[J].农业工程学报,2012(21):164-169.[8]薛龙,马蓉.采棉机产量监测系统CAN通信设计与研究[J].农机化研究,2014,36(12):216-219,223.[9]陈燕呢,谢斌,刘柯,等.电动拖拉机CAN总线通信网络系统设计[J].农机化研究,2017,39(9):233-238,243.[10]刘洋,韩泉泉,赵娜.无人机地面综合监控系统设计与实现[J].电子设计工程,2016,24(14):110-112,115.[11]张波,罗锡文,兰玉彬,等.基于无线传感器网络的无人机农田信息监测系统[J].农业工程学报,2015,31(17):176-182.[12]李璞,冯博.农业机器人运动轨迹控制仿真分析-基于遗传算法优化和RBF网络逼近[J].农机化研究,2016,38(12):46-50.[13]廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].农业工程学报,2016,32(11):233-243.[14]郭秀明,周国民,丘耘,等.一种适宜于农业监测和控制的WSN应用框架[J].农机化研究,2014,36(11):199-203.[15]武同昆,周超英,谢鹏.基于PWM的远程控制新型变量喷雾系统设计[J].农机化研究,2017,39(7):76-82.[16]金泽选.植保无人机地面站系统研究[D].杭州:杭州电子科技大学,2017.[17]徐立鸿,早明华,蔚瑞华,等.温室无线传感器网络节点发射功率自适应控制算法[J].农业工程学报,2014(8):142-148.[18]徐雷钧,白雪,潘祎雯,等.传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计[J].农业工程学报,2017,33(8):147-152.[19]甘沛沛.拖拉机智能定位监测系统设计-基于粒子群优化和WSN[J].农机化研究,2018,40(8):249-253.[20]张志远.无人机地面控制站软件平台的开发[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学2014.杨海峰.基于网络平台的植保无人机通信系统设计[J].农机化研究,2021,43(01):109-113+118.基金:北京市教委基金项目(JBZY201205).。