作者簡介：陸斌（1982— ），男，江蘇蘇州人，講師，本科；研究方向：電子與通信工程，無人機(jī)。

摘要：隨著無人機(jī)設(shè)備的量產(chǎn)與無線通信技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)通信技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的部署，而中繼節(jié)點(diǎn)具有增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的優(yōu)勢，可以有效提升移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急能力。在無人機(jī)與中繼通信的聯(lián)合下，文章針對(duì)當(dāng)前水面環(huán)境的清理與保護(hù)問題，設(shè)計(jì)了一款基于無人機(jī)中繼通信的水面清障機(jī)器船，所有的清理工作均通過清障機(jī)器船完成。船體與無人機(jī)的有效結(jié)合，綜合了無人機(jī)中繼通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水面垃圾清理一體化。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；中繼通信；清障機(jī)器

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

時(shí)代的進(jìn)步讓人們更加注重對(duì)水面環(huán)境的清理。水面清障機(jī)器船可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水面垃圾的自動(dòng)化清理，降低人力成本，提高打撈效率。大多數(shù)清障機(jī)器船所清理的水域較為寬廣，但是對(duì)一些特殊的水域而言，尤其是較小的水域，無論是人力打撈還是清障設(shè)備打撈都不太方便，當(dāng)遇到一些危險(xiǎn)的區(qū)域、彎曲河道、小型洞穴時(shí)，其清理的效果均會(huì)受到一定的限制。基于此，本文設(shè)計(jì)一款可以在以上特殊情況下進(jìn)行清理的水面清障機(jī)器船，將船體與無人機(jī)進(jìn)行有效結(jié)合，利用無人機(jī)中繼通信技術(shù)進(jìn)行水面垃圾的清理，實(shí)現(xiàn)垃圾清理一體化，以便在更加復(fù)雜的水域開展水面垃圾清理工作。

1 無人機(jī)中繼通信網(wǎng)絡(luò)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們已經(jīng)無法滿足于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此，無人機(jī)中繼通信可以很好地解決傳統(tǒng)站點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)部署之間的平衡。低空無人機(jī)可以作為中繼站為熱點(diǎn)地區(qū)分流，未來在5G與超五代移動(dòng)通信的高速通信傳輸下，將更加凸顯無人機(jī)中繼通信技術(shù)的重要性，尤其是清障場景的設(shè)定，無 人機(jī)中繼傳輸扮演著十分重要的角色［1］。

盡管無人機(jī)技術(shù)存在的優(yōu)勢居多，但是仍然存在的諸多問題限制了無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。如多無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理以及無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)安全問題，由于無人機(jī)具有移動(dòng)性的特點(diǎn)，其通信鏈路變化多樣，因此對(duì)無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)配置要注重鏈路動(dòng)態(tài)性，尤其是在多無人機(jī)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的問題更加突出，因此急需有效的傳輸方案來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的高效穩(wěn)定傳輸。無人機(jī)設(shè)備的安全問題和無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的安全問題需要引起重視，未來城市中無人機(jī)的數(shù)量會(huì)大幅增加，如何合理規(guī)劃防止無人機(jī)的碰撞成為當(dāng)前需要解決的問題。

中繼通信的核心思想就是利用部署中繼站點(diǎn)的方式獲取空間分集的效果，從而增強(qiáng)端與端之間的通信。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的工作方式，中繼通信分為半雙工中繼和全雙工中繼兩種工作方式，如圖1所示［2］。

無人機(jī)中繼輔助通信系統(tǒng)作為5G的重要組成部分，中繼增強(qiáng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效降低損耗，提高頻譜利用率。自中繼技術(shù)的提出，到如今的技術(shù)成熟，中繼技術(shù)的應(yīng)用也擴(kuò)展到更多的場景中， 中繼技術(shù)可以降低運(yùn)營成本，提高通信質(zhì)量，還可以應(yīng)用在海域管理中，完成水面清障工作。因此，無人機(jī)與中繼技術(shù)的協(xié)作對(duì)于時(shí)代的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 無人機(jī)中繼輔助通信傳輸過程

系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)如圖2所示，在考慮到次用戶與主用戶之間的保密傳輸方式后，將主用戶和次用戶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為單個(gè)，次用戶源節(jié)點(diǎn)由于有障礙物，無法直接與目的節(jié)點(diǎn)完成通信，因此，無人機(jī)中繼通信要盡量避開障礙物以免影響傳輸?shù)男阅?。該系統(tǒng)模型中，無人機(jī)中繼采用了DF的轉(zhuǎn)發(fā)模式，選取了多個(gè)無人機(jī)中繼中的一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送，讓無人機(jī)進(jìn)行能量的收集，采用TS與PS的方案收集SU節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，從而獲取能量，并利用獲取的能量向SU發(fā)送信號(hào)［3］。由于受到障礙物的影響，外來者無法獲取SU的信號(hào)，但是中繼信號(hào)會(huì)被竊取。

在TS協(xié)議中，傳輸?shù)牟襟E分為兩大部分，第一部分用于收集中繼系統(tǒng)中的能量，T表示能量收集和信息處理的時(shí)間，α則表示系統(tǒng)時(shí)間的轉(zhuǎn)換因子；第二部分則是使用S到中繼節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，PS協(xié)議將能量分為中繼能量的收集和信息的傳輸，利用源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量，中繼節(jié)點(diǎn)利用收集的能量向目的端發(fā)送信號(hào)。

將無人機(jī)中繼與無線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效結(jié)合，在提高頻譜利用率的同時(shí)，可以提高無人機(jī)中繼輔助的安全級(jí)別。利用Nakagami-m信道收集無人機(jī)中繼，分析終端條件下的系統(tǒng)保密性能，從而提高系統(tǒng)的保密率。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)容易被竊聽、干擾和攻擊，因此使用無人機(jī)中繼輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以增強(qiáng)安全性能，提升無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)安全性。

3 基于無人機(jī)中繼通信的清障機(jī)器總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的過程中，利用無人機(jī)中繼通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船體與無人機(jī)的有效結(jié)合，讓無人機(jī)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙，并引導(dǎo)船體進(jìn)行清理。船體的設(shè)計(jì)需要根據(jù)水中船體的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)船體的動(dòng)力裝置進(jìn)行升級(jí)改造，由水下的螺旋推動(dòng)改為水面的風(fēng)力推動(dòng)，以便更加適應(yīng)惡劣的水域環(huán)境。整個(gè)船體將PE材料作為主體材料，該材料的可靠性較強(qiáng)。船體的下方設(shè)置障礙物收納裝置。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

清障機(jī)器船的控制分為自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制方式。手動(dòng)控制方式主要通過主動(dòng)力裝置中多個(gè)無刷電機(jī)為主，連接2.4G天線和航模遙控器完成船體的控制；自動(dòng)控制方式則是根據(jù)OpenMV和無人機(jī)中繼通信完成自動(dòng)操作，利用OpenMV、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板、Arduino、超聲波完成船體的自動(dòng)控制，整個(gè)控制流程如圖3所示。

3.1.1 OpenMV

OpenMV是一款功耗低、體積小、價(jià)格低的機(jī)器視覺模塊，處理器主頻達(dá)到400MHz，運(yùn)行速度和圖形處理速度較快，內(nèi)存達(dá)1MB，可以支持較大模型的圖片以及較大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。同時(shí)，在小巧的硬件模塊上，利用C語言可以實(shí)現(xiàn)核心機(jī)器視覺算法。OpenMV上的機(jī)器視覺算法可以完成二維碼識(shí)別、人臉檢測、邊緣檢測等功能，利用此功能實(shí)現(xiàn)非法入侵檢測以及固定標(biāo)記物的跟蹤。OpenMV被定位為帶機(jī)器視覺功能的Arduino，既可以通過UART，SPI，GPIO等控制其他硬件，還可以通過單片機(jī)模塊控制其他硬件。OpenMV可以靈活地與其他模塊進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的產(chǎn)品功能。由于OpenMV具有設(shè)計(jì)小巧且程序簡單的優(yōu)勢，可以輕松地應(yīng)用在很多新穎的產(chǎn)品中，完成各種機(jī)器視覺等相關(guān)的任務(wù)。

3.1.2 Arduino

Arduino是一款便捷靈活、易上手的開源電子平臺(tái)，包含各種型號(hào)的Arduino板和Arduino IDE，被構(gòu)建于開放原始碼simple I/O界面，可以進(jìn)行JAVA和C語言的開發(fā)。Arduino能夠通過各種各樣的傳感器進(jìn)行環(huán)境的感知，通過控制燈光的方式來影響環(huán)境。微控制器通過Arduino的編程語言進(jìn)行程序編寫，Arduino的開發(fā)方式簡單且易實(shí)現(xiàn)，輕便的功能縮短了開發(fā)周期。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理如圖4所示。當(dāng)無人機(jī)發(fā)現(xiàn)水面上存在障礙物時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即進(jìn)行無人機(jī)的跟隨，讓清障機(jī)器船通過無人機(jī)發(fā)送無線電信號(hào)，發(fā)送信號(hào)之后船體開始計(jì)時(shí)。當(dāng)無人機(jī)接收到電信號(hào)后會(huì)向船體發(fā)送超聲波，超聲波信號(hào)的接收根據(jù)無人機(jī)與船體的距離進(jìn)行。由于無人機(jī)與機(jī)器船的超聲波接收距離不同，超聲波的信號(hào)到達(dá)時(shí)間也不同。Arduino通過接收器接收的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，得出不同的超聲波接收無人機(jī)的距離長短，然后根據(jù)超聲波定位算法，計(jì)算出無人機(jī)的坐標(biāo)，從而判斷無人機(jī)距離船體的具體位置，并通過PWM控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器船的目標(biāo)跟隨。

船體的自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)需要運(yùn)用OpenMV技術(shù)，對(duì)物體進(jìn)行鎖定并打撈，引導(dǎo)無人機(jī)進(jìn)行特征的識(shí)別和追蹤，最終鎖定攝像頭的中心位置進(jìn)行準(zhǔn)確打撈。整體設(shè)計(jì)思路為：首先選中目標(biāo)，進(jìn)行色彩格式的調(diào)換，記錄最大值和最小值；其次將閾值傳到Find_blobs函數(shù)中；最后根據(jù)需求，設(shè)置像素點(diǎn)與矩形的面積。

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水面清障機(jī)器人的控制效果，需要在船體的甲板平臺(tái)上進(jìn)行穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，讓水面清障機(jī)器船可以有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水域環(huán)境，從而提高打撈效率。文章在手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自動(dòng)控制，利用無人機(jī)中繼通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船體與信號(hào)的互聯(lián)，讓機(jī)器船可以與無人機(jī)進(jìn)行結(jié)合，將無人機(jī)作為機(jī)器船的中繼通信平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水面垃圾的清除。

參考文獻(xiàn)

［1］盛嶸捷，章凡，劉建雄.基于無人機(jī)中繼通信的水面清障機(jī)器船設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字通信世界，2020（2）：67，70.

［2］張?zhí)K新，黃天宇.一種小型水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.河北企業(yè)，2020（2）：159-160.

［3］袁征，薛連莉，武毅.中繼通信無人機(jī)天線自動(dòng)跟蹤平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2017（1）：60-64.

（編輯 王雪芬）

Abstract： With the mass production of UAV equipment and the development of wireless communication technology， UAV communication technology has become a research hotspot. The UAV has strong mobility and can be deployed on a large scale. The relay node has the advantage of enhancing the spectrum efficiency of the network， which can effectively improve the emergency capability of the mobile communication network. Under the combination of UAV and relay communication， aiming at the problem of cleaning and protecting the current surface environment， a surface obstacle clearing robotic ship based on UAV relay communication is designed. All the cleaning work is completed by the obstacle clearing robotic ship. The effective combination of hull and UAV， integrated UAV relay communication technology， to achieve the integration of surface garbage cleaning.

Key words： UAV; relay communication; obstacle clearing machine