基于無人機中繼通信的清障機器設計

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。

摘要：隨著無人機設備的量產(chǎn)與無線通信技術的發(fā)展，無人機通信技術成為研究的熱點。無人機的機動性較強，可以實現(xiàn)大規(guī)模的部署，而中繼節(jié)點具有增強網(wǎng)絡頻譜效率的優(yōu)勢，可以有效提升移動通信網(wǎng)絡的應急能力。在無人機與中繼通信的聯(lián)合下，文章針對當前水面環(huán)境的清理與保護問題，設計了一款基于無人機中繼通信的水面清障機器船，所有的清理工作均通過清障機器船完成。船體與無人機的有效結合，綜合了無人機中繼通信技術，實現(xiàn)了水面垃圾清理一體化。

關鍵詞：無人機；中繼通信；清障機器

中圖分類號：TN925 文獻標志碼：A

0 引言

時代的進步讓人們更加注重對水面環(huán)境的清理。水面清障機器船可以實現(xiàn)對水面垃圾的自動化清理，降低人力成本，提高打撈效率。大多數(shù)清障機器船所清理的水域較為寬廣，但是對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備打撈都不太方便，當遇到一些危險的區(qū)域、彎曲河道、小型洞穴時，其清理的效果均會受到一定的限制?；诖耍疚脑O計一款可以在以上特殊情況下進行清理的水面清障機器船，將船體與無人機進行有效結合，利用無人機中繼通信技術進行水面垃圾的清理，實現(xiàn)垃圾清理一體化，以便在更加復雜的水域開展水面垃圾清理工作。

1 無人機中繼通信網(wǎng)絡

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

盡管無人機技術存在的優(yōu)勢居多，但是仍然存在的諸多問題限制了無人機網(wǎng)絡的發(fā)展。如多無人機網(wǎng)絡管理以及無人機的網(wǎng)絡安全問題，由于無人機具有移動性的特點，其通信鏈路變化多樣，因此對無人機的網(wǎng)絡配置要注重鏈路動態(tài)性，尤其是在多無人機系統(tǒng)中，節(jié)點移動性的問題更加突出，因此急需有效的傳輸方案來實現(xiàn)無人機的高效穩(wěn)定傳輸。無人機設備的安全問題和無人機通信網(wǎng)絡的安全問題需要引起重視，未來城市中無人機的數(shù)量會大幅增加，如何合理規(guī)劃防止無人機的碰撞成為當前需要解決的問題。

中繼通信的核心思想就是利用部署中繼站點的方式獲取空間分集的效果，從而增強端與端之間的通信。根據(jù)中繼節(jié)點的工作方式，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］。

無人機中繼輔助通信系統(tǒng)作為5G的重要組成部分，中繼增強的無線通信網(wǎng)絡結構可以有效降低損耗，提高頻譜利用率。自中繼技術的提出，到如今的技術成熟，中繼技術的應用也擴展到更多的場景中， 中繼技術可以降低運營成本，提高通信質(zhì)量，還可以應用在海域管理中，完成水面清障工作。因此，無人機與中繼技術的協(xié)作對于時代的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

2 無人機中繼輔助通信傳輸過程

系統(tǒng)模型設計如圖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)絡設置為單個，次用戶源節(jié)點由于有障礙物，無法直接與目的節(jié)點完成通信，因此，無人機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，無人機中繼采用了DF的轉發(fā)模式，選取了多個無人機中繼中的一個目的節(jié)點D進行信號的發(fā)送，讓無人機進行能量的收集，采用TS與PS的方案收集SU節(jié)點發(fā)送的信號，從而獲取能量，并利用獲取的能量向SU發(fā)送信號［3］。由于受到障礙物的影響，外來者無法獲取SU的信號，但是中繼信號會被竊取。

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間，α則表示系統(tǒng)時間的轉換因子；第二部分則是使用S到中繼節(jié)點的信息傳輸，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)點向中繼節(jié)點發(fā)送能量，中繼節(jié)點利用收集的能量向目的端發(fā)送信號。

將無人機中繼與無線電網(wǎng)絡進行有效結合，在提高頻譜利用率的同時，可以提高無人機中繼輔助的安全級別。利用Nakagami-m信道收集無人機中繼，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。在復雜的網(wǎng)絡環(huán)境下，無人機網(wǎng)絡容易被竊聽、干擾和攻擊，因此使用無人機中繼輔助進行數(shù)據(jù)傳輸，可以增強安全性能，提升無人機的網(wǎng)絡安全性。

3 基于無人機中繼通信的清障機器總體設計

在設計的過程中，利用無人機中繼通信技術，實現(xiàn)船體與無人機的有效結合，讓無人機可以及時發(fā)現(xiàn)障礙，并引導船體進行清理。船體的設計需要根據(jù)水中船體的工作經(jīng)驗，對船體的動力裝置進行升級改造，由水下的螺旋推動改為水面的風力推動，以便更加適應惡劣的水域環(huán)境。整個船體將PE材料作為主體材料，該材料的可靠性較強。船體的下方設置障礙物收納裝置。

3.1 硬件設計

清障機器船的控制分為自動與手動兩種控制方式。手動控制方式主要通過主動力裝置中多個無刷電機為主，連接2.4G天線和航模遙控器完成船體的控制；自動控制方式則是根據(jù)OpenMV和無人機中繼通信完成自動操作，利用OpenMV、舵機驅(qū)動板、Arduino、超聲波完成船體的自動控制，整個控制流程如圖3所示。

3.1.1 OpenMV

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

3.1.2 Arduino

Arduino是一款便捷靈活、易上手的開源電子平臺，包含各種型號的Arduino板和Arduino IDE，被構建于開放原始碼simple I/O界面，可以進行JAVA和C語言的開發(fā)。Arduino能夠通過各種各樣的傳感器進行環(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的編程語言進行程序編寫，Arduino的開發(fā)方式簡單且易實現(xiàn)，輕便的功能縮短了開發(fā)周期。

3.2 軟件設計

系統(tǒng)原理如圖4所示。當無人機發(fā)現(xiàn)水面上存在障礙物時，系統(tǒng)會立即進行無人機的跟隨，讓清障機器船通過無人機發(fā)送無線電信號，發(fā)送信號之后船體開始計時。當無人機接收到電信號后會向船體發(fā)送超聲波，超聲波信號的接收根據(jù)無人機與船體的距離進行。由于無人機與機器船的超聲波接收距離不同，超聲波的信號到達時間也不同。Arduino通過接收器接收的時間進行計算，得出不同的超聲波接收無人機的距離長短，然后根據(jù)超聲波定位算法，計算出無人機的坐標，從而判斷無人機距離船體的具體位置，并通過PWM控制電機實現(xiàn)機器船的目標跟隨。

船體的自動識別設計需要運用OpenMV技術，對物體進行鎖定并打撈，引導無人機進行特征的識別和追蹤，最終鎖定攝像頭的中心位置進行準確打撈。整體設計思路為：首先選中目標，進行色彩格式的調(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，設置像素點與矩形的面積。

4 結語

為了實現(xiàn)對水面清障機器人的控制效果，需要在船體的甲板平臺上進行穩(wěn)定性的設計，讓水面清障機器船可以有效應對復雜的水域環(huán)境，從而提高打撈效率。文章在手動控制的基礎上進行了自動控制，利用無人機中繼通信技術，實現(xiàn)船體與信號的互聯(lián)，讓機器船可以與無人機進行結合，將無人機作為機器船的中繼通信平臺，從而實現(xiàn)對水面垃圾的清除。

參考文獻

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

［2］張?zhí)K新，黃天宇.一種小型水下機器人的設計與實現(xiàn)［J］.河北企業(yè)，2020（2）：159-160.

［3］袁征，薛連莉，武毅.中繼通信無人機天線自動跟蹤平臺設計［J］.現(xiàn)代雷達，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