植保無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)探討

蘭玉彬,成勝南,漆海霞,陳盛德

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心/廣東省教育廳農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)航空技術(shù)的發(fā)展,植保無人機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢[1]。植保無人機(jī)克服了傳統(tǒng)植保機(jī)械的弊端,可改善農(nóng)業(yè)病蟲草害化學(xué)防除帶來的弊端,提高農(nóng)業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。研究表明：植保無人機(jī)在噴施效率和噴施安全性方面具有很大的優(yōu)勢,與傳統(tǒng)的人工噴施方式相比,植保無人機(jī)噴施霧滴的沉積效果好、成本低,作業(yè)效率是人工噴施方式的10余倍[2]。

植保無人機(jī)作業(yè)時(shí),有時(shí)會遇到低矮的高壓輸電線及架設(shè)在田間的通信基站等電磁干擾源,高壓輸電線產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場、通信基站發(fā)出的無線電信號都可能導(dǎo)致植保無人機(jī)失控或者墜毀,嚴(yán)重影響了田間植保作業(yè)的安全性。如何保證植保無人機(jī)在靠近電磁干擾源,特別是靠近高壓輸電線路時(shí)仍能正常作業(yè),是件極有價(jià)值的事情。

2018年6月1日,我國頒布實(shí)施的首個(gè)植保無人機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 3213-2018植保無人飛機(jī)質(zhì)量技術(shù)評價(jià)規(guī)范》,針對田間工況通訊系統(tǒng)信號易干擾的問題,規(guī)定了植保無人機(jī)參考的電磁兼容性[3],而現(xiàn)階段學(xué)者對植保無人機(jī)抗電磁干擾的評定及研究鮮有報(bào)道。為此,從無人機(jī)的電磁防護(hù)、余度飛行控制系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈4方面出發(fā),結(jié)合植保無人機(jī)的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境,對植保無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行討論。

1 無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的研究現(xiàn)狀

電磁干擾(簡稱 EMI)并非新問題,是電子電氣設(shè)備固有的問題[4]。電磁干擾本身已經(jīng)成熟,也有規(guī)范,而無人機(jī)領(lǐng)域?qū)儆谔囟ōh(huán)境。無人機(jī)復(fù)雜的電子系統(tǒng)極易受到干擾破壞,盡管前人在無人機(jī)抗電磁干擾方面做了大量研究,也取得了一定進(jìn)展,但依然存在不能有效地應(yīng)對復(fù)雜飛行環(huán)境的問題。

1.1 無人機(jī)電磁防護(hù)研究現(xiàn)狀

無人機(jī)電磁防護(hù)主要通過部件防護(hù)和部件布置兩種方法實(shí)現(xiàn)[5]。整體而言,電磁防護(hù)成本較低、見效較快,故在防干擾設(shè)計(jì)上受到各方的青睞。

盧育中仿真研究了電磁干擾對無人機(jī)機(jī)身孔縫的耦合效應(yīng),并基于傳統(tǒng)的屏蔽、濾波、接地方法,提出了無人機(jī)的電磁防護(hù)方案[6]。鄭生全等針對天線耦合和電路中敏感器件的電磁脈沖干擾,提出了幾種新的電磁脈沖保護(hù)方法,并論述了電磁脈沖場電路的敏感系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體保護(hù)[7]。程二威等仿真分析了無人機(jī)殼體的屏蔽效能,提出了一種基于頻率攪拌混響室的試驗(yàn)測試方法,為無人機(jī)電磁防護(hù)的定量分析提供參考[8]。Wang等研究了復(fù)合材料的無人機(jī)航電系統(tǒng),對影響航電系統(tǒng)電磁兼容性的靜電-放電保護(hù)、復(fù)合材料的結(jié)合,以及布局與布線進(jìn)行了優(yōu)化討論[9]。李鴻祥對無人機(jī)輻射騷擾、輻射抗擾度的檢驗(yàn)進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,可為無人機(jī)的相關(guān)檢驗(yàn)方法和限值規(guī)定的制定提供參考[10]。此外,電力巡檢無人機(jī)在電磁防護(hù)方面也做得比較好,如北京中飛艾維航空科技有限公司推出的固定翼FE-300 無人機(jī)和多旋翼RX-600無人機(jī),機(jī)身采用蜂窩復(fù)合材質(zhì),整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、質(zhì)量輕,可近距離靠近高壓輸電線作業(yè)[11]。

傳統(tǒng)無人機(jī)電磁防護(hù)的研究主要集中在軍用無人機(jī)上,技術(shù)比較成熟但大都比較機(jī)密,且以金屬為代表的屏蔽材料制造,體積大、質(zhì)量大、成本高,不適合無人機(jī)輕質(zhì)飛行的需求,因此新材料、新結(jié)構(gòu)的研發(fā)是當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵和難點(diǎn)問題。目前,高校及科研單位對電磁防護(hù)的研究主要還是通過傳統(tǒng)的防護(hù)辦法進(jìn)行綜合防護(hù),研究手段比較單一,大多只是簡單通過仿真建模進(jìn)行驗(yàn)證,并沒有進(jìn)行具體的試驗(yàn)分析論證。

1.2 無人機(jī)余度飛行控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

多余度飛行控制系統(tǒng),即通過配置多套可同時(shí)運(yùn)行、互為備用的飛控系統(tǒng),從而降低系統(tǒng)受到電磁干擾出錯(cuò)的幾率,有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

1.2.1 余度飛控計(jì)算機(jī)技術(shù)

國外對無人機(jī)余度飛控計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究已經(jīng)成熟,比較典型的有美國 “全球鷹”(Global Hawk)無人機(jī),其配備的雙余度飛控計(jì)算機(jī)同時(shí)工作于熱電狀態(tài),極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,是目前最著名的高空長航時(shí)無人機(jī)之一[13]。國內(nèi)對無人機(jī)余度飛控計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究起步雖晚,但也取得了一定的成果。西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的基于PC104和Vxworks的三余度飛控計(jì)算機(jī)[14-15],可利用通信通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較計(jì)算,并以三取二原則,選擇最佳線路輸出;設(shè)計(jì)的一種無人機(jī)容錯(cuò)飛控系統(tǒng)構(gòu)架,對傳感器子系統(tǒng)、飛控計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)和伺服子系統(tǒng)三大組成部分進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì),并探討了飛控系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制[16];開發(fā)的一種基于微小型無人機(jī)的雙冗余飛控系統(tǒng),融合了硬件冗余和軟件容錯(cuò)技術(shù),有效地提高了系統(tǒng)可靠性和安全性[17-18]。南京航空航天大學(xué)在余度飛控計(jì)算機(jī)技術(shù)方面也有著比較深入的研究,包括對余度飛控系統(tǒng)架構(gòu)、余度同步管理算法、數(shù)據(jù)交叉通信鏈路,以及故障檢測與容錯(cuò)控制的研究,并完成了余度飛控系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)[19-22];開發(fā)的一款基于FlexRay總線的三余度飛控計(jì)算機(jī)成功地應(yīng)用到無人機(jī)上[23]。

1.2.2 傳感器冗余技術(shù)

傳感器冗余技術(shù)主要包括硬件冗余和解析冗余技術(shù)。早期的無人機(jī)多在硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行冗余配置,但受傳感器數(shù)目、體積、質(zhì)量和成本等因素的限制,硬件冗余技術(shù)很難再進(jìn)一步提升傳感器系統(tǒng)的可靠性[24]。國內(nèi)外研究人員基于觀測器、卡爾曼濾波器、等價(jià)空間法、參數(shù)估計(jì)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等方法對傳感器解析冗余技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。Heredia等提出了一種基于觀測器/卡爾曼濾波器的無人機(jī)傳感器故障檢測方法,并通過了小型無人直升機(jī)的飛行測試,該方法不需要對系統(tǒng)矩陣及測量和處理的噪聲協(xié)方差矩陣進(jìn)行估計(jì)[25]。D'Amato等研究了一種基于無跡卡爾曼濾波器(UKF)的故障檢測、故障隔離和故障后系統(tǒng)重構(gòu)的方法,可以替代三余度設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)硬件架構(gòu)方案[26]。Vitanov等實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)陀螺儀和加速度計(jì)的故障檢測和故障隔離,發(fā)現(xiàn)與增強(qiáng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)相比具有一定的競爭力,其濾波產(chǎn)生的故障殘差更平滑、更有規(guī)律[27]。Gururajan等為解決某型無人機(jī)的傳感器失效問題,設(shè)計(jì)了兩種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器解析冗余方法,并對以上方法的未來應(yīng)用進(jìn)行了評估[28]。池程芝等提出了一種序貫概率比的改進(jìn)檢測算法,利用故障警告延遲和相似信息交互的方法可實(shí)現(xiàn)故障傳感器的快速隔離,進(jìn)一步滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需求[29]。包國寧基于擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)設(shè)計(jì)了不同傳感器的信息融合和故障檢測算法[30]。此外,北京零度智控智能科技有限公司(ZEROTECH)開發(fā)的雙子星飛控系統(tǒng)集成了兩套獨(dú)立傳感器,可自動(dòng)無縫切換[31];深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司(DJI)開發(fā)的A3 PRO飛控系統(tǒng)集成了3套IMU和GNSS傳感器模塊,通過配合軟件的解析余度可實(shí)現(xiàn)6路冗余定位導(dǎo)航[32]。

1.2.3 存在的問題

余度飛控系統(tǒng)大多基于傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng),因而存在體積大、質(zhì)量大、成本高的問題,并不適用于多旋翼無人機(jī)平臺。整體配置上,余度飛控系統(tǒng)集成了大量相同或者不同的傳感器,如何科學(xué)配置相同的傳感器才能發(fā)揮出它們最大限度的容錯(cuò)能力、如何巧妙利用不同傳感器的解析冗余能力進(jìn)一步為余度飛控系統(tǒng)提供更安全和更可靠的傳感器輸入信號,以及如何在保證算法的可靠性前提下降低計(jì)算的復(fù)雜度等,都是余度飛控系統(tǒng)需要解決的問題。

1.3 無人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.3.1 組合導(dǎo)航方式

目前已開發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)包括全球衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、圖形匹配導(dǎo)航,以及地磁導(dǎo)航等[33],本節(jié)主要介紹前3種比較常用的導(dǎo)航方式。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由一系列衛(wèi)星進(jìn)行定位導(dǎo)航,是目前發(fā)展最迅速的導(dǎo)航系統(tǒng),主要包括美國的GPS系統(tǒng)、歐洲的GALILEO系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng),以及中國的北斗系統(tǒng)(BDS)。其中,美國的GPS應(yīng)用最成熟、也最廣泛。全球衛(wèi)星導(dǎo)航具有全球性、全天候作業(yè)、高精度和低成本、無時(shí)間累積誤差及實(shí)時(shí)性較好的優(yōu)點(diǎn),但容易受到干擾和控制。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴于外部環(huán)境就能自行導(dǎo)航,具有自主性強(qiáng)、隱蔽性好、短時(shí)間內(nèi)精度較高、可全天候工作的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),但存在誤差隨時(shí)間積累的缺點(diǎn)。無線電導(dǎo)航系統(tǒng)一般包括機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備,利用無線電電波的傳播特性進(jìn)行定位和導(dǎo)航,具有不受時(shí)間和天氣限制、精度較高、可靠性較好及設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn),但容易暴露目標(biāo)、受人工干擾且必須與外設(shè)的地面臺站配合[34]。

每種導(dǎo)航系統(tǒng)都有其針對性的解決優(yōu)勢及存在的不足,實(shí)際應(yīng)用也往往通過取長補(bǔ)短的方式將兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行組合,以提高導(dǎo)航系統(tǒng)的整體精度和可靠性。常見的組合導(dǎo)航系統(tǒng)有GPS/INS、BDS/INS及GPS/DR等。其中,GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用最成熟,也最廣泛,目前導(dǎo)航信息精度要求較高的設(shè)備一般都配有GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.3.2 組合導(dǎo)航信息融合技術(shù)

常用的組合導(dǎo)航信息融合方法主要包括卡爾曼濾波(KF)、擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)、無跡卡爾曼濾波(UKF)、粒子濾波(PF)及自適應(yīng)卡爾曼濾波(AKF)5種基本算法[35],每種算法都有其針對性解決優(yōu)勢及存在的不足,要結(jié)合具體工程環(huán)境進(jìn)行方法選定。

Liang等提出了一種用于組合導(dǎo)航的容錯(cuò)聯(lián)邦卡爾曼濾波器,并對某型無人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明：提出的容錯(cuò)聯(lián)合卡爾曼濾波器在故障存在的情況下仍能提供準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)航結(jié)果[36]。Liu等針對MIMU/GNSS緊組合的慣性導(dǎo)航系統(tǒng),提出了一種協(xié)方差整形自適應(yīng)濾波方法和具有“位置信道”“速度信道”雙通道并行的濾波體系結(jié)構(gòu),經(jīng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)證明,系統(tǒng)精度約提高了32.6%;同時(shí),當(dāng)距離測量噪聲變化劇烈時(shí),自適應(yīng)濾波器依然可以保持較好穩(wěn)定性[37]。Yang等分析了卡爾曼濾波器的解耦過程,提出了一種解耦卡爾曼算法,仿真結(jié)果證明該算法能在不改變高維濾波精度的前提下節(jié)省時(shí)間,對于無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)性能的提高具有重要意義[38]。侯俊等提出了一種結(jié)合Sage-Husa濾波和無跡卡爾曼濾波(UKF)的融合算法,首先通過Sage濾波原理獲取觀測殘差和新息的協(xié)方差矩陣,然后通過隨機(jī)加權(quán)自適應(yīng)因子對觀測殘差和信息進(jìn)行加權(quán)調(diào)節(jié),最后進(jìn)行協(xié)方差矩陣的自適應(yīng)隨機(jī)加權(quán)估計(jì),提高了組合導(dǎo)航的精度[39]。Zhou等為了補(bǔ)償GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中由于GPS信號微弱或中斷而出現(xiàn)故障或失控的問題,提出了一種結(jié)合卡爾曼濾波和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航方法,該方法采用卡爾曼濾波算法融合GPS和INS數(shù)據(jù),將GPS和INS數(shù)據(jù)同時(shí)輸入BPNN進(jìn)行在線訓(xùn)練;在GPS拒絕導(dǎo)航的情況下,可以使用訓(xùn)練有素的BPNN作為GPS的替代,以保證導(dǎo)航的精度,使無人機(jī)能夠持續(xù)導(dǎo)航[40]。唐澤亮提出了一種基于自適應(yīng)卡爾曼濾波(AKF)的GPS/INS模糊組合導(dǎo)航算法,可根據(jù)GPS的數(shù)據(jù)可信度進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,并利用模糊邏輯算法分配GPS的導(dǎo)航權(quán)重,有效提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的抗電磁干擾能力[41]。Zhai等針對高壓輸電線路周圍的電磁場會影響無人機(jī)磁力計(jì)航向的問題,提出了一種基于雙天線的無人機(jī)航向計(jì)算新方法,并通過對比實(shí)驗(yàn),證明雙天線可以替代磁力計(jì)測量航向且不受磁場干擾[42]。Consoli等創(chuàng)新性地介紹了一種利用多天線進(jìn)行無人機(jī)姿態(tài)確定的方法,為導(dǎo)航系統(tǒng)抗電磁干擾提供了新思路[43]。

1.3.3 存在的問題

組合導(dǎo)航系統(tǒng)復(fù)雜,提出的新理論很難應(yīng)用到實(shí)際中。新理論新方法的出現(xiàn)為無人機(jī)導(dǎo)航提供更多的選擇,然而如何滿足無人機(jī)低成本、微小型、輕質(zhì)量的需要是復(fù)雜組合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的難題;其次,輔助導(dǎo)航系統(tǒng)也給無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)增加負(fù)擔(dān),如何實(shí)現(xiàn)多重測量單元的信息同步和融合也是組合導(dǎo)航技術(shù)的難點(diǎn)。

1.4 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾研究現(xiàn)狀

地面操作人員跟無人機(jī)空中平臺保持實(shí)時(shí)的聯(lián)系、無人機(jī)空中平臺將結(jié)果傳送回地面站都需要通過數(shù)據(jù)鏈,包括地面的遠(yuǎn)程遙控遙測以及任務(wù)載荷的雙向鏈路[44]。

為測試無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在復(fù)雜電磁環(huán)境中的抗干擾能力,GUO等提出了一種模擬室內(nèi)無線環(huán)境的動(dòng)態(tài)電磁干擾的方法,可以實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)場動(dòng)態(tài)的模擬室內(nèi)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的電磁干擾信號[45]。張冬曉等通過對無人機(jī)連續(xù)波輻射效應(yīng)的研究,得到了造成無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路通信失效的頻率和靈敏度閾值,并通過電磁仿真和注射法分析了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的失效機(jī)理[46]。Chen等提出了一種測試無人機(jī)對人為電磁干擾敏感性的方法,并給出結(jié)論：當(dāng)人為電磁干擾波的頻率接近無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的頻率時(shí),連續(xù)輻射電磁干擾波可以中斷無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路[47]。現(xiàn)階段民用無人機(jī)采用無線電技術(shù)進(jìn)行定位、遙控、圖像傳輸,容易受到同頻干擾。對于四軸無人機(jī)信號頻段2.4G、5.8G比較常用,遇到信號干擾時(shí),一般的處理方法是采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)避免出現(xiàn)同頻現(xiàn)象,也可以采用多輸入多輸出技術(shù)提高收發(fā)端的信號從而增強(qiáng)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力[48]。

由于數(shù)據(jù)鏈性能檢測的試驗(yàn)周期長,試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取困難且成本很高,因此對于一般的無人機(jī)只研究某條數(shù)據(jù)鏈的頻率從而判定環(huán)境周圍是否存在頻段干擾。

2 植保無人機(jī)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境

2.1 植保無人機(jī)飛行高度多樣

目前,植保無人機(jī)的應(yīng)用幾乎覆蓋了全部農(nóng)作物[49],包括水稻、小麥、棉花等低稈作物,玉米、甘蔗、高粱等高稈作物,橘子、香蕉、蘋果、桃、棗、檳榔等果樹,還包括對部分森林地區(qū)的防護(hù),所以植保無人機(jī)作業(yè)的飛行高度差別很大。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院、河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位利用不同型號的植保無人機(jī)對常見的幾種農(nóng)作物進(jìn)行飛防試驗(yàn),分別得出如下推薦的作業(yè)高度：水稻1.5m,棉花0.5～2m,小麥1.5～2m,玉米2m[40-53]。國內(nèi)首個(gè)植保無人機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)《NY/T3213-2018植保無人飛機(jī)質(zhì)量技術(shù)評價(jià)規(guī)范》明確規(guī)定：若制造商未給出最佳作業(yè)高度,則以2m作業(yè)高度進(jìn)行噴施。結(jié)合以上情況,下面以2m為標(biāo)準(zhǔn),將典型的低稈作物、高稈作物、果樹、森林環(huán)境下植保無人機(jī)的飛行高度進(jìn)行列表,如表1所示。

表1 植保無人機(jī)的各種飛行高度Table 1 Various flight heights of the plant protection UAV m

由表1可以看出：植保無人機(jī)對一般低稈作物作業(yè)的飛行高度為2～4m,此時(shí)飛行比較安全;對高稈作物作業(yè)的飛行高度為4～7m,田間主要電磁干擾源為高壓輸電線,此時(shí)需要注意作業(yè)區(qū)域附近存在的低矮高壓輸電線;對果樹、森林作業(yè)的飛行高度最高可達(dá)17m,此時(shí)需要仔細(xì)觀察作業(yè)區(qū)域附近是否存在高壓輸電線。

2.2 高壓輸電線電壓等級多樣

農(nóng)村電網(wǎng)指主要為農(nóng)、林、牧、副、漁的各類用戶供電的110kV(220kV)及以下各級配電網(wǎng),一般農(nóng)村農(nóng)田的高壓輸電線電壓等級為35kV和10kV,東北農(nóng)村有66kV,少數(shù)城鎮(zhèn)化程度高的農(nóng)村地區(qū)采用110kV(220kV)[54]。農(nóng)網(wǎng)高壓線一般架設(shè)得比較低,特別是交通不發(fā)達(dá)和少人居住的地方,在這些地方進(jìn)行飛防植保往往比較危險(xiǎn)。另外,由于國家“西電東送”政策,在西北、華北地區(qū)的農(nóng)田、山脈上存在經(jīng)過的超高壓(330～750kV)、特高壓(1000kV級以上交流或±800kV及以上直流電)輸電線?？紤]到750kV及以上的電壓等級高壓輸電線不常見,而且架設(shè)高度很高,因此筆者只研究500kV及以下電壓等級高壓輸電線路與地面間的最小距離(在最大計(jì)算導(dǎo)線弧垂情況下),并將其列表,如表2所示[55-56]。

表2 架空高壓輸電導(dǎo)線與地面間的最小距離Table 2 Minimum distance between overhead high-voltage transmission lines and the ground m

由表2可以看出：農(nóng)村電網(wǎng)部分地區(qū)的高壓輸電導(dǎo)線的架設(shè)安全高度較低,在非居民區(qū)和交通困難區(qū),高壓輸電線與地面的最小距離在4～6.5m。結(jié)合表1,如果此時(shí)在高壓輸電線下種植高稈作物或者果樹,甚至是栽種防護(hù)林,那么采用植保無人機(jī)作業(yè)將面臨較強(qiáng)的電磁干擾,影響了無人機(jī)植保作業(yè)的安全性。非居民區(qū)和交通困難區(qū)架設(shè)的超高壓輸電線最小高度在5.5～11.5m,結(jié)合表1,如果在超高壓輸電線下栽種果樹、防護(hù)林,此時(shí)植保無人機(jī)靠近高壓輸電線作業(yè)也將面臨危險(xiǎn)。盡管電力部門規(guī)定,如果必須在已架設(shè)高壓輸電線保護(hù)區(qū)內(nèi)種植農(nóng)作物或者樹木,需征得同意后,方可種植低矮農(nóng)作物或樹種,且必須要保持植物自然生長的最終高度和高壓輸電線之間的安全距離。但是,農(nóng)民往往在這方面缺乏認(rèn)識,也由于自身利益的關(guān)系,近年來“樹線矛盾”依然呈上升趨勢。

3 高壓輸電線下安全距離的仿真分析

戶外高壓輸電線路的電壓等級和架設(shè)高度差別很大,因此對植保無人機(jī)的影響也不一樣。考慮植保無人機(jī)可能受到的最大電磁場強(qiáng)度的影響,把最小安全距離當(dāng)作各電壓等級高壓輸電線的架設(shè)高度,并設(shè)定高壓輸電線路的排列方式為單回三相水平排列。

以常規(guī)500kV高壓輸電線為例,建立如圖1所示的輸電線路橫截面仿真簡化模型。設(shè)定參數(shù)為：水平排列;相間距10m;距地高度11m;四分裂導(dǎo)線,單根導(dǎo)線半徑10.8 mm;電流1154A。

圖1 仿真簡化模型Fig.1 Simplified model of simulation

為便于計(jì)算,需要對高壓輸電線路進(jìn)行理想化處理：將工頻電磁場視為準(zhǔn)靜態(tài)場;將大地視為良導(dǎo)體,電位為0;將分裂導(dǎo)線視為等效半徑大小的圓柱導(dǎo)線來計(jì)算;將避雷線視為接地良好,忽略其對模型的影響;將導(dǎo)線視為無限長且直平行于地面的光滑圓導(dǎo)體,導(dǎo)線表面為等位面;忽略臨近物體的影響,忽略弧垂影響。模型理想化后,輸電線路導(dǎo)線周圍電磁場問題轉(zhuǎn)化為二維交變電磁場計(jì)算問題[57]。

采用模擬電荷法、模擬電流法研究高壓輸電線路模型[58],并在MatLab R2014a軟件上編寫程序進(jìn)行仿真,得到500kV高壓輸電線附近的工頻電磁場分布,如圖2所示。

(a) 工頻電場分布 (b) 工頻磁場分布圖2 工頻電磁場分布Fig.2 Power frequency electromagnetic field distribution

由圖2(a)可以看出：相同高度的空間工頻電場強(qiáng)度在中間相輸電線路的兩側(cè)呈對稱分布,高度由地表逐漸升高,電場強(qiáng)度先由小逐漸增大,在高度為輸電線路水平高度處電場強(qiáng)度達(dá)到最大值。在大地橫坐標(biāo)及高度坐標(biāo)所映射的A、B、C3條輸電線路位置處電場強(qiáng)度值的變化速度分別達(dá)到極大值,且在B相輸電線路處達(dá)到最大值。輸電導(dǎo)線附近產(chǎn)生的電場按等位線分布,所以根據(jù)計(jì)算模型只要知道電場強(qiáng)度就能推算出對應(yīng)的距離等位線。圖2(b)輸電電路附近工頻磁場的分布跟電場分布類似。根據(jù)高壓輸電線路附近的分布情況,只要知道某型植保無人機(jī)的電磁場閾值就能求出其在高壓輸電線下的安全距離。

4 植保無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)展望

植保無人機(jī)屬于特殊用途無人機(jī),跟一般的航拍娛樂無人機(jī)相比,需要滿足高強(qiáng)度、長時(shí)間及大負(fù)荷的設(shè)計(jì)要求。目前,國內(nèi)植保無人機(jī)做得比較好的企業(yè),機(jī)殼一般采用復(fù)合碳纖維材料、飛控進(jìn)行傳感器冗余設(shè)計(jì)、組合導(dǎo)航主要采用RTK測向技術(shù)和GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng),以及數(shù)據(jù)鏈采用2.4G和5.8G通信,使得植保無人機(jī)的整體性能大大提高。但是,不同廠家生產(chǎn)的植保無人機(jī)水平差別很大,且植保無人機(jī)還可能搭載其他的任務(wù)載荷,因此進(jìn)一步研究植保無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)尤為重要。

4.1 實(shí)時(shí)電磁環(huán)境檢測技術(shù)

研究植保無人機(jī)抗電磁干擾問題,最重要的是識別環(huán)境中的電磁干擾源,知道電磁干擾源的類型和強(qiáng)度然后再做進(jìn)一步的防護(hù)或者避開,以降低成本?，F(xiàn)實(shí)植保作業(yè)中,往往是存在電磁干擾源也能正常飛行,但一次飛行遇到強(qiáng)電磁干擾又可能導(dǎo)致植保無人機(jī)完全失去正常作業(yè)的功能。因此,植保無人機(jī)在電磁干擾源附近作業(yè)時(shí),很有必要搭載跟地面站實(shí)時(shí)的電磁場檢測裝置,而且當(dāng)環(huán)境電磁場達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)能做出相應(yīng)的動(dòng)作,如避開或者重新規(guī)劃一條作業(yè)路線,避免植保無人機(jī)受到過大的干擾失控或炸機(jī)。

4.2 智能組合導(dǎo)航技術(shù)

環(huán)境中的電磁場主要影響植保無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng),確定環(huán)境中存在一定強(qiáng)度的電磁場就要進(jìn)一步考慮植保無人機(jī)的導(dǎo)航方式。現(xiàn)階段植保無人機(jī)的組合導(dǎo)航主要采用RTK測向技術(shù)和GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng),可將我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)彌補(bǔ)當(dāng)前植保無人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)存在的不足。未來植保無人機(jī)必然要配置多種方式進(jìn)行導(dǎo)航,通過優(yōu)化濾波算法增加組合導(dǎo)航因子,可使植保無人機(jī)不再依賴于某一導(dǎo)航系統(tǒng),即使其中某個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)不能正常工作,也不會影響植保無人機(jī)的正常導(dǎo)航。同時(shí),通過運(yùn)用多傳感器技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等技術(shù),可使植保無人機(jī)能自動(dòng)切換到與之相適應(yīng)的導(dǎo)航方式,以應(yīng)對復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。智能組合導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將進(jìn)一步提高植保無人機(jī)作業(yè)的可靠性和智能化程度,減少植保無人機(jī)受到的電磁干擾。

4.3 抗電磁干擾評估系統(tǒng)開發(fā)

電磁干擾是個(gè)比較專業(yè)的問題,應(yīng)用場景不一樣研究手段也有差別。檢測常用的4個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn),即靜電放電抗擾度試驗(yàn)、射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)、工頻磁場抗擾度試驗(yàn)及脈沖磁場抗擾度試驗(yàn),除了工頻磁場抗擾度試驗(yàn)可用于研究磁場對植保無人機(jī)的影響,其他都是針對高頻且測試手段單一,并不適用于植保無人機(jī)的應(yīng)用場景。所以,亟需開發(fā)一個(gè)專門評估植保無人機(jī)抗電磁干擾性能的系統(tǒng),包括研究電場、磁場、無線電在內(nèi)的不同電磁干擾對植保無人機(jī)飛行安全的影響。通過系統(tǒng)測試,可以預(yù)測出植保無人機(jī)的安全范圍。在此基礎(chǔ)上,通過抗電磁干擾技術(shù)進(jìn)一步提升植保無人機(jī)的安全可靠性,同時(shí)將改善的植保無人機(jī)再次放到系統(tǒng)中進(jìn)行測試,這樣可進(jìn)一步增大植保無人機(jī)作業(yè)的安全范圍。抗電磁干擾評估系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),將對植保無人機(jī)的安全飛行作業(yè)提供重要參考。

4.4 植保無人機(jī)失效彌補(bǔ)技術(shù)

植保無人機(jī)除了要考慮抗電磁干擾問題,也要考慮無人機(jī)失效后可控的問題。例如,在高壓輸電線附近失控發(fā)生碰撞不僅損壞植保無人機(jī),可能還會造成輸電線路損毀或者大范圍停電,對電網(wǎng)造成的損失將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植保無人機(jī)自身的價(jià)值。對于這種情況可通過發(fā)射一定的電磁干擾信號將失控的植保無人機(jī)引導(dǎo)回安全區(qū)域,防止發(fā)生二次災(zāi)害,這方面國內(nèi)外也有較多研究,但目前民用無人機(jī)還未涉及。植保無人機(jī)失效彌補(bǔ)技術(shù)的實(shí)現(xiàn),將進(jìn)一步減少植保無人機(jī)失效后的破壞程度,有力保障植保作業(yè)附近的人身財(cái)產(chǎn)安全。

5 結(jié)論

目前,與軍用無人機(jī)、電力巡檢無人機(jī)相比,植保無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)十分脆弱。隨著植保無人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用工作的推進(jìn)及田間飛行環(huán)境的日益復(fù)雜化,深入研究植保無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的迫切性不容忽視。加深對無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的理解,將為植保無人機(jī)提供更可靠的設(shè)計(jì)方案,為植保無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的有序發(fā)展提供參考,中國必將在航空植保抗電磁干擾方面取得突破,將有利于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空抗電磁干擾技術(shù)的應(yīng)用,有利于早日實(shí)現(xiàn)安全的農(nóng)業(yè)植保要求。