基于电磁协同技术的植保无人机系统设计
摘 要: 为进一步提高我国植保无人机田间作业效率，确保农机智能装备与当前新技术的应用广泛性，以最 大 限度降低整机工作中的信号干扰度为目标，以应用电磁协同技术为核心手段，针对其作业系统进行可行性设计研究。在深刻理解整机各功能与结构模块组成布置的基础上，建立植保无人机系统的电磁协同控制模型，通 过 系统软件设计与硬件选型，展开植保无人机电磁协同作业控制试验。试验结果 表 明: 通过电磁协同技术的优化，大大降低了电磁波对植保无人机作业信号的干扰，系统数据传输准确性提高了 5 . 95% ，运行可靠性提高了4. 20% ，植保无人机作业效率提高了 5 . 75% ，可达 94 . 65% 。系统设计正确且符合功能需求，对于电磁协同技术应用于植保无人机及类似智能农机装备有很好的借鉴意义。
关键词: 植保无人机; 信号干扰度; 电磁协同; 可靠性
浦立孟1 ，秦立山1 ，陆 坤2;农机化研究;2022 年 7 月
0 引言
近年来，随着我国信息化技术与智能化制造技术的广泛应用，农业植保无人机的控制水平不断提升。例如，用于精准施药的无人机实现了定量定时作业，用于田间墒情勘探的无人机实现了遥感信息融合，并植入各类响应敏捷的探测传感装置等。由于植保无人机的作业环境因素复杂多变，在作业过程中会遭受电磁信号干扰，导致信号传输不准确，出现信号乱码等现象，不利于植保无人机的高效能作业。为此，笔者尝试从电磁协同技术的角度出发，以改善整机系统数据信息链路的稳定可靠性为目标，在充分掌握植保无人机数据信息传递 - 处理 - 显示的原理基础上，展开系统设计研究。
1 植保无人机作业概述
植保无人机最初由军用无人机衍生而成，是一种可由遥控装置实现智能控制的无人驾驶飞行器，主要包括飞行机体、管理与控制系统、数据通信系统及收发装置等。其数据通信系统存在电磁信号干扰，是非常关键的环节。无人机在田间作业过程中的遍历路径方式主要包括单向遍历、回字形遍历及混合型遍历。
植保无人机具备农田信息自动获取、定点定高、暂停拍摄等重要功能，表 1 给出了植保无人机的各功能与结构模块组成布置实现，是植保无人机功能的内部具体呈现，主要划分为雷达、视觉传感、视觉控制、路径设置、信息融合、电磁信息、线程分解与预警模块。
2 基于电磁协同的系统设计
2. 1 协同模型建立
以数学高斯理论中的时域、空域谐波叠加为基点，在满足植保无人机控制系统运行过程的信道数据衰落要求条件下，根据植保无人机飞行姿态与电磁变化阈值之间的关系，合理地分布电磁干扰源及耦合路径，将数据链路的信息传感网络协同映射，进行该型植保无人机系统电磁协同建模，即
针对系统的信息电磁辐射干扰问题，给出植保无人机系统作业的动态电磁协同控制设计，如图 1 所示。
由图 1 可知: 植保无人机机载天线融合来自于地面天线与干扰天线的数据信号，在电磁链路通信环节注入一定的鲁棒响应模块，传递至植保无人机的接收系统; 在动态电磁协同控制关键环节，分层次划分植保无人机的工作信号频率与强度，确立可适应电磁干扰的整机系统响应灵敏度级别与阈值，形成电磁协同控制核心理论模型。
2. 2 系统软件控制
基于上述电磁协同核心控制计算模型，在植保无人机多线程架构布局的基础上进行系统软件控制设计，如图 2 所示。该植保无人机的上位机程序设计以最大限度降低传导、辐射、传导 - 辐射并存的 3 种电磁干 扰 影 响 为 目 标，在用户主界面线程上创建 WORK、收发传递 DATA; 在工作线程上，与实际的植保无人机作业装置如喷头、电磁控制阀等相配合，进行空间分配、数据采集存储与命令收发程序输入。
针对植保无人机的数据链路信息处理，考虑电磁协同过程中可能存在的信道数据误码、数据链暂时失效等因素，加入双工频率响应曲线，设计出基于电磁协同的植保无人机系统软件控制架构( 见图 2) ，将衰落、串扰等主功能经条件约束后输入控制处理器，依据上述分层理论模型，对电磁信号从加以控制、切换频道及正常获取三通道同步进入电磁协同逻辑处理模块，进而实现阈值判定与命令执行。
2. 3 系统硬件选型
进行基于电磁协同技术的植保无人机系统控制硬件选型，给出基于电磁协同的植保无人机系统硬件设计实现简图，如图 3 所示。该硬件组成在存储处理容量与功能强大的信号处理 EPU 控制板上依次布置，主要包含电磁协同信道参数计算电路、电磁协同信道衰落电路、时延电路、射频接发处理电路及它们之间的路径关系。
设计时: 一方面，对接收机性能指标、发射机性能指标、各功能天线端口型号、可调衰减器的衰减总量等参数进行量化设定，并保证一定的电磁控制协同性; 另一方面，在抗干扰能力强的三相全控电路中配置效用较高的无刷电机以减小电磁干扰误差，同时给出基于电磁协同控制的植保无人机系统运行主要性能参数设置( 见表 2) ，主要包含信息路径的数量设置、信号频段的选择及路径损耗关键参数与类型，进而实现植保无人机飞行作业的全方位、全姿态监控。
为确保系统在上、下行数据处理环节的电磁协同敏感性，选取双向可调的衰减装置; AD /DA 芯片的采样率与转换率分别达到 250MSPS 与 160MSPS; 植保无人机作业姿态数据采集采用传感器集成装置，并考虑电磁协同控制的兼容性; 动作元件电磁控制装置则采用对称多路工作模式，经模糊控制处理后确保植保无人机系统的电磁协同执行精度。
3 整机系统作业试验
3. 1 条件设置
在上述植保无人机系统架构设计完成后，以验证电磁协同技术应用系统可行性与可靠性提高为目标，对试验装置进行列单选择，布置后得到植保无人机电磁协同作业控制试验核心装置组成简图，如图 4 所示。
其中，植保无人机作业的实时轨迹信息作为初始数据输入，信号发生器与信道配置作为动态信道仿真装置的数据输入载体，电磁协同信号分析平台作为后台调控，展开植保无人机作业性能试验，并给出如下试验条件: ①保证系统硬件模块间传输数据连线正确; ②保证系统软件信道功能分配合理; ③设置试验整机的工作信号强度区间为[- 30，- 70]dB; ④确保各试验数据的记录的清晰、完整。
3. 2 过程分析
在电磁协同控制技术下，选取整机试验作业的 7 个关键信号节点，通过利用状态显示仪器，进行数据输出，得到电磁协同技术下的植保无人机系统作业试验数据统计情况，如表 3 所示。由表 3 可知: 基于电磁协同技术的优化改进，植保无人机系统对电磁干扰强度与理论计算的电磁干扰强度相比，两者相对误差可控制在 1. 06% 以下，平均相对误差维持在 0. 78% 左右，各项监测数据指标满足电磁协同技术的预期控制要求，系统设计正确可行。
进一步选定植保无人机系统作业过程中数据传输准确性、系统布局优化度、系统运行可靠性与整机作业效率作为关键参数进行衡量，与基于通用控制技术的植保无人机作业参数数据进行对比，得到基于电磁协同的植保无人机作业试验关键参数评价对比结果，如表 4 所示。由表 4 可知: 电磁协同控制处理技术应用于植保无人机系统设计，系统数据传输准确性由通用的 90. 85% 提高到 96. 80% ，大大降低了电磁波对无人机作业信号的干扰，系统运行可靠性由通用的 89. 30% 提高到 93. 50% ，系统布局优化度由 91. 50% 提高至 94% ; 作业效率由 88. 90% 提高到 94. 65% 。
4 结论
1) 在植保无人机作业特点与结构组成基础上，针对系统存在的电磁干扰问题，以优化改善电磁干扰强度、确保链路数据传输准确性为目标，建立植保无人机系统的电磁协同控制计算模型。
2) 针对植保无人机系统展开软件程序设计与硬件模块配置，实现了完整高效的植保无人机作业系统，并进行了基于电磁协同技术的系统作业试验。
3) 该理念下的作业系统设计合理，可大大降低田间周边电磁信号对植保无人机作业干扰的程度，验证了电磁协同技术应用于植保无人机系统优化设计的可行性，可为更深入掌握电磁干扰对植保无人机作业的影响规律提供一定参考，有利于植保无人机朝着更加智能高效化道路发展。