曹惠茹 陳瑋 成海秀 祝文堅(jiān)

摘要：無人機(jī)聲場(chǎng)特性直接反映無人機(jī)飛行過程中的穩(wěn)定性和其他相關(guān)特性，該文通過構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)對(duì)輕型四旋翼無人機(jī)在不同電流、距離下的聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試;并對(duì)固定飛行高度下的無人機(jī)聲場(chǎng)頻率進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：無人機(jī)聲壓強(qiáng)度與聲音的傳播距離呈對(duì)數(shù)關(guān)系;隨著電流的增加，聲壓衰減系數(shù)逐漸減小;在無人機(jī)聲場(chǎng)衰減模型中常數(shù)項(xiàng)基本保持不變，且只和環(huán)境相關(guān)。同時(shí)無人機(jī)飛行中聲場(chǎng)頻率集中在10kHz左右;隨著聲場(chǎng)傳播距離的增大，無人機(jī)聲壓劇烈減少。該研究可為無人機(jī)的相關(guān)研究與發(fā)展提供理論和實(shí)踐的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：四旋翼;無人機(jī);聲場(chǎng)特性;聲壓

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）05-0043-04

0 引言

無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）是由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的、無線遙控或自主飛行，機(jī)上無人駕駛并可重復(fù)使用的飛行器[1-4]。新世紀(jì)以來，隨著通信、

收稿日期：2018-04-20;收到修改稿日期：2018-05-18

基金項(xiàng)目：廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201804010427）;廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2016-18）

作者簡介：曹惠茹（1981-），女，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與控制、計(jì)算機(jī)信息處理等方面。電子技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)趨于成熟，多旋翼無人機(jī)飛行器也應(yīng)運(yùn)而生。相比固定翼無人機(jī)，多旋翼無人機(jī)體積小、質(zhì)量輕、隱蔽性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)低空懸停、垂直起降（vertical take off and landing，VTO1）等特點(diǎn)。因此多旋翼無人機(jī)作為一種輕便、穩(wěn)定的平臺(tái)在軍事與民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5-6]。

近年隨著無人機(jī)的發(fā)展，采用無人聲場(chǎng)對(duì)無人機(jī)識(shí)別、檢測(cè)、跟蹤等成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[7-9]。無人機(jī)聲場(chǎng)特征與傳播特性的研究也為當(dāng)前迫切需要解決的基礎(chǔ)性問題。為此，丘愷彬等[10]基于無人機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)不同類型的無人機(jī)聲場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行特征提取，建立分類器對(duì)無人機(jī)進(jìn)行分類與識(shí)別;實(shí)驗(yàn)證明了利用聲音感知技術(shù)來識(shí)別與監(jiān)管無人機(jī)的可行性。程翠[11]在研究無人機(jī)飛行時(shí)聲音頻譜特征的基礎(chǔ)上，選取聲紋能量為特征向量，利用SVM（support vector machine）對(duì)無人機(jī)聲音和其他聲音進(jìn)行了分類，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)檢測(cè)。楊東海[12]采用FISHER準(zhǔn)則擇優(yōu)選取的特征參數(shù)結(jié)合支持向量機(jī)法對(duì)無人機(jī)的聲音進(jìn)行識(shí)別，并提出了將支持向量機(jī)法和高斯混合模型（Gaussian mixture model，GMM）法應(yīng)用于四旋翼無人機(jī)的聲音識(shí)別。王威[13]等通過無人機(jī)聲場(chǎng)，建立多特征的無人機(jī)音頻“指紋庫”，最后用特征匹配算法實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的探測(cè)和識(shí)別。Cased[14]等采用廉價(jià)的麥克風(fēng)設(shè)計(jì)一種低成本的聲場(chǎng)測(cè)試陣列，用于定位和跟蹤小型無人機(jī)。進(jìn)一步，Yue[15]等針對(duì)人侵無人機(jī)甄別問題，以無線聲場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建了聲場(chǎng)無人機(jī)人侵判別系統(tǒng);同時(shí)通過無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來識(shí)別不受歡迎的無人機(jī)的外觀和近似位置;最后仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性。

隨著無人機(jī)數(shù)量的增加，其檢測(cè)與探測(cè)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，采用無人機(jī)聲壓是實(shí)現(xiàn)該目的的重要手段。無人聲場(chǎng)研究是推進(jìn)相關(guān)研究進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，然而無人機(jī)聲場(chǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試層面的研究甚少。因此，針對(duì)當(dāng)前研究的現(xiàn)狀，本文基于四旋翼無人機(jī)平臺(tái)，研究了無人機(jī)的聲場(chǎng)特性，為基于無人機(jī)聲場(chǎng)特性的研究提供參考，為今后無人機(jī)的廣泛應(yīng)用及發(fā)展提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)過程

1.1 無人機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

無人機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)是由Pixhawk飛行控制器、電子調(diào)速器、無刷電機(jī)、螺旋槳、3DR無線數(shù)傳模塊、外置電子羅盤、6S鏗電池、控制接收機(jī)和碳纖維機(jī)架等元件組成，控制端有無線遙控器和電腦端地面站，如圖1所示。

1）Pixhawk飛行控制器：采用Pixhawk飛行控制器2.4.8型號(hào)，是整個(gè)無人機(jī)平臺(tái)的控制中心，由CortexM4主處理器及陀螺儀、電子羅盤、氣壓高度計(jì)、加速度計(jì)、應(yīng)急處理器組成。主要功能是采集無人機(jī)平臺(tái)相關(guān)參數(shù)（GPS信息、無人機(jī)工作狀態(tài)等信息），并根據(jù)無線數(shù)傳模塊與接收機(jī)接收來自地面站或遙控器的指令，進(jìn)而通過電子調(diào)速器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到所需工作狀態(tài)。

2）無刷電機(jī)：采用JFRC颶風(fēng)u3508無刷電機(jī)，接收來自電子調(diào)速器的控制信號(hào)，并執(zhí)行相關(guān)工作狀態(tài)。該電機(jī)有著功耗小，防水性能好，工作溫度范圍廣（-30～85℃），不易生銹，快速啟動(dòng)、啟動(dòng)后能夠自由調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)。

3”醒澎噩控器：刀也飛品牌7寸與副空器（WFT07S）。采用7通道2.4GHz通信頻段，通信距離遠(yuǎn)，能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離操控?zé)o人機(jī)飛行。采用總線數(shù)據(jù)傳輸，靈敏度高，支持4.8～6V電池，低壓設(shè)計(jì)，高端擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)使其具有較強(qiáng)的抗干擾能力[10]。

4）螺旋槳：采用1245MR尼龍螺旋槳正反兩對(duì)，直徑12inch（1inch≈2.54cm），螺距4.5mm，中心孔正面孔徑6mm，中心孔反面孔徑9mm，中心座厚度6mm。

在準(zhǔn)備完成上述所示的試驗(yàn)設(shè)備后，建立無人機(jī)聲場(chǎng)測(cè)試硬件框架，如圖2所示。該框架主要包括主處理器，用于控制整個(gè)無人機(jī)，諸如飛行高度、參數(shù)感知等，并通過SPI、I²C等接口連接陀螺儀、電子羅盤、電流計(jì)、加速度計(jì)等無人機(jī)飛行過程中的傳感器參數(shù)。同時(shí)，以32位STM32F100為測(cè)試協(xié)處理器，通過通信接口連接電流計(jì)等獲取無人機(jī)測(cè)試過程中的最大、最小和平均工作電流。

本文使用的儀器有數(shù)字噪音計(jì)、風(fēng)速測(cè)量儀、秒表等試驗(yàn)儀器。其他試驗(yàn)儀器包括支架、卷尺、刻度明確的風(fēng)場(chǎng)板。其中?，擜R854數(shù)據(jù)聲場(chǎng)計(jì)采用電容傳感器，測(cè)量范圍為30130dB，測(cè)量精確度士1.5dB，頻率響應(yīng)20Hz～8kHz。該聲場(chǎng)計(jì)具有反應(yīng)迅速、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)步驟

為了減小外界噪音對(duì)試驗(yàn)造成的誤差，采取安靜微風(fēng)的室外作為試驗(yàn)環(huán)境，環(huán)境音量平均值為39dB，取無人機(jī)工作電流5～11A。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

Step 1：運(yùn)用無人機(jī)遙控器的油門搖桿，通過改變油門大小從而達(dá)到改變無人機(jī)的工作電流。

Step 2：增大油門，使無人機(jī)機(jī)槳開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并快速（1～2s）讓工作電流達(dá)到固定電流值，之后保持不變。

Step 3：測(cè)試不同工作電流下無人機(jī)附近10m內(nèi)聲場(chǎng)，以無人機(jī)為中心，半徑為10m范圍內(nèi)取3個(gè)不同方向，每個(gè)方向測(cè)量一次工作電流，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整個(gè)試驗(yàn)重復(fù)5遍。

Step 4：整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，去除試驗(yàn)過程中錯(cuò)誤操作導(dǎo)致誤差較大的數(shù)據(jù)，同一工作電流取3次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，統(tǒng)計(jì)并記錄最終數(shù)據(jù)。

Step 5：分析數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)結(jié)論。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無人機(jī)聲場(chǎng)頻率分析

為了得到無人機(jī)平臺(tái)在飛行過程中，聲場(chǎng)頻率的分布特性，在無人機(jī)懸停3m高度下，對(duì)無人機(jī)聲場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，采集無人機(jī)3s的音頻。通過Matlab分析其音頻特性，如圖4所示。無人機(jī)完成起飛進(jìn)人懸停模式后，無人機(jī)的聲場(chǎng)頻率分布在0～15kHz區(qū)間，其中主要集中在10kHz左右。同時(shí)，無人機(jī)音頻集中在80dB。

2.2 無人機(jī)聲音強(qiáng)度衰減分析

為了得到無人機(jī)聲音強(qiáng)度與無人機(jī)工作電流、距離3者之間的內(nèi)在規(guī)律，在同一工作電流下重復(fù)試驗(yàn)3次，分別以無人機(jī)為中心構(gòu)建直角坐標(biāo)系，方向分別為X軸正半軸、Y軸正半軸，最大測(cè)量距離為10m，得出數(shù)據(jù)取其平均值。

為了研究無人機(jī)工作電流與聲壓之間的關(guān)系，取傳播距離為0.5，2，10m，得到工作電流與聲壓之間的關(guān)系圖曲線。如圖5所示，隨著無人機(jī)工作電流的增加，相同距離下無人機(jī)的聲壓隨之增大。對(duì)圖中的曲線進(jìn)行擬合，得到工作電流與聲壓的擬合公式（1）

y=0.98461+56.758（r²=0.7684）（1）式中I為無人機(jī)工作電流。

以工作電流為變量，重復(fù)以上試驗(yàn)5次，通過Matlab分析，得到圖6所示的不同電流下聲壓與距離的關(guān)系圖?？芍还ぷ麟娏鲿r(shí)，當(dāng)距離增加，聲壓隨之減少。其中距離無人機(jī)約小于3m時(shí)，曲線斜率大，聲壓隨距離變化大;距離大于3m后，曲線斜率小，聲壓隨距離增加緩慢穩(wěn)定減小。同時(shí)，隨著工作電流的增加，聲壓增大;不同工作電流的最近距離與最遠(yuǎn)距離的聲壓下降幅度相近，約為21dB。

對(duì)于多旋翼無人機(jī)，可以將其視為線聲源，于是聲壓級(jí)可以表示為式中：Lω（r₀）——r₀處的聲壓;

I——線聲源長度;

r——傳播距離;

k——修正系數(shù);

r₀——單位距離。

明顯，對(duì)于四旋翼無人機(jī)聲場(chǎng)測(cè)試中滿足r>1/3，取r₀=1m時(shí)聲壓隨傳播的距離可以表示為公式（3）：

Y=L_ω-201g3r/l-101g1/3（3）

當(dāng)無人機(jī)選定，測(cè)試環(huán)境相對(duì)不變時(shí)，聲場(chǎng)中的線聲源強(qiáng)度l取值固定不變，于是有：

α=L_ω+101gl/3（4）

β=20（5）

將公式（4）與（5）帶入公式（3）可以轉(zhuǎn)換為

Y=α-β1gr（6）

為了便于計(jì)算，將公式（6）簡化，并得到無人機(jī)聲音強(qiáng)度隨距離變化：

y=-A1nx+B（7）式中：y——聲壓，dB;

x——距離，m;

A——無人機(jī)聲場(chǎng)衰減系數(shù);

B——常數(shù)項(xiàng)。

通過公式（7）對(duì)無人機(jī)不同工作電流條件下，聲壓隨距離變化曲線進(jìn)行擬合，可以得到不同電流時(shí)的相關(guān)系數(shù)取值，如表1所示。

由表1可知，不同電流的擬合系數(shù)均大于0.9，進(jìn)而說明無人機(jī)聲場(chǎng)隨距離呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)關(guān)系。同時(shí)隨著電流的增加，衰減系數(shù)A逐漸減小，說明A與無人機(jī)工作電流密切相關(guān)。而常數(shù)項(xiàng)B處于82.04與84.02之間無明顯的變化，說明在無人機(jī)聲場(chǎng)衰減模型中常數(shù)項(xiàng)只和環(huán)境相關(guān)。

3 結(jié)束語

本文通過構(gòu)建無人機(jī)聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)四旋翼無人機(jī)聲場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：無人機(jī)的聲場(chǎng)頻率分布在0～15kHz區(qū)間，其中主要集中在10kHz左右。隨著工作電流增大，無人機(jī)聲場(chǎng)增強(qiáng)，兩者呈明顯線性關(guān)系。同時(shí)聲壓與距離呈對(duì)數(shù)關(guān)系，距離越遠(yuǎn)，聲壓越小。隨著電流的增加，衰減系數(shù)A逐漸減小;在無人機(jī)聲場(chǎng)衰減模型中常數(shù)項(xiàng)B基本保持不變，且只和環(huán)境相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為今后該平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用提供相關(guān)支持。

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（編輯：徐柳）