張慶松

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院,重慶 402160)

0 引言

當(dāng)前,隨著智慧農(nóng)業(yè)的不斷推動(dòng)與發(fā)展,對(duì)農(nóng)機(jī)裝備的監(jiān)控測(cè)量精度要求不斷提高。用于我國(guó)大面積農(nóng)作物培養(yǎng)管理的植保無(wú)人機(jī)技術(shù)逐步被推廣,減少了人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度,還可以達(dá)到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化的發(fā)展要求。隨著植保無(wú)人機(jī)的大面積應(yīng)用,噴灑作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)整機(jī)的通信方面存在遲滯及通信報(bào)錯(cuò)頻繁、不可預(yù)測(cè)等多種現(xiàn)象。為此,根據(jù)大量的農(nóng)業(yè)實(shí)踐調(diào)研,結(jié)合關(guān)于通信技術(shù)領(lǐng)域的研究成果發(fā)現(xiàn),數(shù)學(xué)分支的迭代算法是一種對(duì)目標(biāo)函數(shù)通過(guò)重復(fù)遞推式計(jì)算可實(shí)現(xiàn)精確化地逼近或達(dá)到目標(biāo)的過(guò)程。本文擬從迭代理論角度入手,對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的高效處理研究。

1 植保機(jī)通信概述

植保無(wú)人機(jī)可作為自動(dòng)噴灑農(nóng)藥的首選農(nóng)作物培育管理裝備,具有操作方便、噴灑范圍廣、多樣田地適用的優(yōu)勢(shì)。其主要噴施過(guò)程是通過(guò)遠(yuǎn)程智能操作,將載箱中的化學(xué)農(nóng)藥均勻、有效地噴灑在作物表面,確保農(nóng)藥噴灑的可達(dá)度與均勻性。由植保機(jī)的通信路徑原理構(gòu)成(見(jiàn)圖1)可知:整機(jī)的通信系統(tǒng)及路徑確定由植保目視距離路徑和植保地面實(shí)測(cè)路徑兩大部分組成,涉及角度、距離、時(shí)延等核心信號(hào)參數(shù)數(shù)據(jù),經(jīng)通信信道模型的準(zhǔn)確識(shí)別與迅速處理,完成通信路徑的指令輸出。

圖1 植保機(jī)的通信路徑原理構(gòu)成簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the communication path principle of the plant protection machine

2 迭代算法分析應(yīng)用

2.1 模型建立

以植保機(jī)通信系統(tǒng)功能及要求為出發(fā)點(diǎn),以迭代算法處理為核心,進(jìn)行植保機(jī)通信模型的信號(hào)識(shí)別分析,并著重從通信信道的資源識(shí)別、功率最優(yōu)等角度出發(fā),將獲取數(shù)據(jù)與飛行軌跡進(jìn)行充分的耦合比較,以實(shí)現(xiàn)迭代功能的最大能效發(fā)揮。首先,從函數(shù)范值定義入手,以迭代隱射為次考慮條件,進(jìn)行迭代規(guī)律的收斂意義探討。為此,搭建能夠在最小包容誤差范圍內(nèi)得到的最快收斂,選定L的二次空間,建立基于函數(shù)Q(x,t)在一定區(qū)間內(nèi)的模與范數(shù)之間的關(guān)系,即

(1)

式中Q(x,t) -為用于迭代模型的函數(shù);

T-迭代運(yùn)行時(shí)刻;

Rn-實(shí)數(shù)R的n維陣列;

L2-用于迭代模型的空間;

‖‖2-迭代模型函數(shù)的2范數(shù);

‖‖L2-迭代模型函數(shù)的模;

t-迭代總時(shí)間。

根據(jù)此迭代運(yùn)算關(guān)系,進(jìn)行通信系統(tǒng)的信道頻率衰落方程建立?？紤]時(shí)延、功率及帶寬之間的關(guān)系,建立信道識(shí)別處理模型如下為

(2)

式中Bc-系統(tǒng)信道帶寬;

στ-系統(tǒng)信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展;

τ-系統(tǒng)信號(hào)的瞬時(shí)時(shí)延;

τave-系統(tǒng)信號(hào)的平均時(shí)延;

P(τ)-系統(tǒng)瞬時(shí)時(shí)延功率。

在迭代模型基礎(chǔ)上,為了對(duì)信道信號(hào)做出精準(zhǔn)識(shí)別,給出植保機(jī)的無(wú)線通信模型迭代算法規(guī)劃流程,如圖2所示。此過(guò)程在于將機(jī)體實(shí)際作業(yè)過(guò)程的位置與角度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)輸入,與基于迭代算法的通信模型中的路徑條件相比較后,做出最優(yōu)通信路徑的識(shí)別決策,從而進(jìn)入后續(xù)的迭代算法與控制程序環(huán)節(jié)。

圖2 植保機(jī)的無(wú)線通信模型迭代算法規(guī)劃流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Flow chart of iterative algorithm planning for the wireless communication model of the plant protection machine

2.2 植保機(jī)通信特性分析

考慮通信路徑的損耗影響,在進(jìn)行無(wú)線通信信號(hào)識(shí)別過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行一定的方法確認(rèn)。圖3為基于迭代算法的無(wú)線通信信道選擇方法執(zhí)行簡(jiǎn)圖,即以植保機(jī)通信系統(tǒng)為對(duì)象,優(yōu)化信道參數(shù)、信道質(zhì)量等信號(hào)識(shí)別的主要因素,將發(fā)送端信號(hào)功率與待識(shí)別信道經(jīng)原理傳輸模型與迭代算法模型相連,并由相關(guān)度信道關(guān)聯(lián)構(gòu)成閉環(huán),從而以正確、高效的信道將信號(hào)發(fā)出。

圖3 基于迭代算法的無(wú)線通信信道選擇方法執(zhí)行簡(jiǎn)圖Fig.3 Execution diagram of wireless communication channel selection method based on the iterative algorithm

為提高無(wú)線通信信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確度,以最大限度降低各信號(hào)/因素的干擾因素為目標(biāo),給出基于迭代算法的信號(hào)識(shí)別轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖(見(jiàn)圖4);同時(shí),將迭代算法植入調(diào)制載波,經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后的信號(hào),進(jìn)入無(wú)線信道識(shí)別,其干擾信號(hào)已經(jīng)被有效過(guò)濾,再次經(jīng)串并轉(zhuǎn)換,各基帶顯示下的頻域執(zhí)行均衡操作后可得到最佳的輸出信號(hào)。

圖4 基于迭代算法的信號(hào)識(shí)別轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.4 Design diagram of the signal recognition and conversion based on the iterative algorithm

2.3 植保機(jī)通信迭代設(shè)計(jì)

經(jīng)無(wú)線通信信號(hào)的關(guān)鍵特性分析后,進(jìn)行深入的迭代設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)。選定基于迭代算法的植保機(jī)通信模塊核心參數(shù)配置列表(見(jiàn)表1),以KINTex-7芯片作為通信底板,選定恰當(dāng)?shù)耐ㄐ怕窂?針對(duì)信號(hào)的邊界獲取,結(jié)合飛行高度的漸變特性,遠(yuǎn)程信號(hào)接收端與控制端考慮濾波與迭代的兼容性,在最大傳送路徑與備選傳送路徑中交互式進(jìn)行,這對(duì)于信號(hào)識(shí)別的預(yù)處理可起到增強(qiáng)信道功率作用。

表1 基于迭代算法的植保機(jī)通信模塊核心參數(shù)配置列表Table 1 Configuration list of core parameters of the plant protection machine communication module based on iterative algorithm

以實(shí)現(xiàn)各信號(hào)識(shí)別的深度處理為目標(biāo),給出無(wú)線通信迭代的硬件布置設(shè)計(jì),如圖5所示。此布置以內(nèi)部信道輸入輸出作為體狀考慮,輸入處理的迭代計(jì)算信號(hào)與CPU處理的信號(hào)參數(shù)數(shù)據(jù)在信道參數(shù)模塊下不斷迭代,計(jì)算角度參數(shù)與功率參數(shù),涵蓋兩次迭代計(jì)算識(shí)別,確保各信號(hào)處理的有效性、準(zhǔn)確性,進(jìn)而指導(dǎo)整機(jī)的信號(hào)運(yùn)行穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)整機(jī)作業(yè)無(wú)線控制。

圖5 植保機(jī)無(wú)線通信迭代硬件布置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.5 Hardware layout design diagram of the wireless communication iteration of the plant protection machine

3 整機(jī)通信作業(yè)

3.1 前置條件

基于上述迭代算法,進(jìn)行無(wú)線通信信號(hào)識(shí)別設(shè)計(jì)。選定蔥郁密度具有代表性的一般待噴施農(nóng)田,天氣與風(fēng)速等條件良好,進(jìn)行整機(jī)作業(yè)條件下的驗(yàn)證試驗(yàn)。同時(shí),設(shè)定低空作業(yè)有效噴幅,給定主要前置條件:①整機(jī)試飛10min,各功能模塊運(yùn)行正常;②通信數(shù)據(jù)顯示與輸出正常;③承載藥液量充足,確保試驗(yàn)過(guò)程的連續(xù)性。

3.2 過(guò)程分析

設(shè)定以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?整機(jī)作業(yè)角度的飛行角度變化為[-25°,25°],匹配相應(yīng)的信道衰減頻率,得到迭代算法下的植保無(wú)人機(jī)作業(yè)試驗(yàn)通信系統(tǒng)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),如表2所示。由表2可以看出:由于迭代算法的融入,干擾因素降低,可實(shí)現(xiàn)信道誤碼率控制在2.00%以下的良好指標(biāo)。其中,當(dāng)作業(yè)角度為15°時(shí),信道衰減頻率為18.44,信道誤碼率為1.93%;當(dāng)作業(yè)角度為-25°時(shí),信道衰減頻率為18.61,信道誤碼率為1.96%。兩個(gè)角度對(duì)應(yīng)的信道誤碼率最大,且不超過(guò)2.00%,充分表明無(wú)線通信信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確性得到提升。

表2 迭代算法下的植保機(jī)作業(yè)試驗(yàn)通信系統(tǒng)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of key monitoring data of plant protection machine operation test communication system under the iterative algorithm

進(jìn)行各通信信號(hào)參數(shù)的輸出轉(zhuǎn)換,選定時(shí)延率、信道誤碼率、傳輸穩(wěn)定率、識(shí)別準(zhǔn)確率及通信綜合效率作為衡量參數(shù),從而形成基于迭代算法應(yīng)用信號(hào)識(shí)別的植保機(jī)性能參數(shù)效果對(duì)比,如表3所示。由表3可知:經(jīng)過(guò)對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行精細(xì)化識(shí)別操作和迭代算法的合理導(dǎo)入,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)時(shí)延率由3.50%降低至2.78%的良好效果,平均信道誤碼率由2.79%降低至1.87%,系統(tǒng)信號(hào)傳輸穩(wěn)定率由91.00%提升至95.60%;考慮信道路徑、功率傳輸?shù)纫蛩卦趦?nèi),其信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確率由85.64%提升至94.58%,整機(jī)通信綜合效率由迭代算法應(yīng)用前的88.41%優(yōu)化至96.93%,信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)度與效率提升效果明顯。

表3 基于迭代算法應(yīng)用信號(hào)識(shí)別的植保機(jī)性能參數(shù)效果對(duì)比Table 3 Comparison of performance parameters of the plant protection machine based on iterative algorithm and signal recognition

4 結(jié)論

1)通過(guò)選定植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)通信過(guò)程作為研究對(duì)象,應(yīng)用成熟的迭代理論,針對(duì)其無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行特性分析與迭代實(shí)施過(guò)程設(shè)計(jì),形成基于迭代算法支撐的無(wú)線通信系統(tǒng),是數(shù)學(xué)運(yùn)算在無(wú)線通信領(lǐng)域的良好創(chuàng)新思路之一。

2)進(jìn)行整機(jī)的規(guī)劃路徑及作業(yè)信號(hào)監(jiān)測(cè)傳送可行性試驗(yàn)論證,結(jié)果表明:基于迭代算法的科學(xué)應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)有效降低通信識(shí)別過(guò)程中的誤碼,確保提升信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確率,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信綜合效率顯著優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3)以數(shù)值分析的迭代計(jì)算為農(nóng)機(jī)裝備的改進(jìn)基礎(chǔ),進(jìn)行關(guān)聯(lián)思維下的對(duì)比性實(shí)踐,是未來(lái)農(nóng)機(jī)裝備智能化、精準(zhǔn)化發(fā)展的方向,可為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破提供較好的借鑒與指導(dǎo)。