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(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)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(guó)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(wú)人機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì)[1]。植保無(wú)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(chóng)草害化學(xué)防除帶來(lái)的弊端,提高農(nóng)業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。研究表明：植保無(wú)人機(jī)在噴施效率和噴施安全性方面具有很大的優(yōu)勢(shì),與傳統(tǒng)的人工噴施方式相比,植保無(wú)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(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí),有時(shí)會(huì)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(chǎng)、通信基站發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)都可能導(dǎo)致植保無(wú)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(wú)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(guó)頒布實(shí)施的首個(gè)植保無(wú)人機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 3213-2018植保無(wú)人飛機(jī)質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)規(guī)范》,針對(duì)田間工況通訊系統(tǒng)信號(hào)易干擾的問(wèn)題,規(guī)定了植保無(wú)人機(jī)參考的電磁兼容性[3],而現(xiàn)階段學(xué)者對(duì)植保無(wú)人機(jī)抗電磁干擾的評(píng)定及研究鮮有報(bào)道。為此,從無(wú)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(wú)人機(jī)的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境,對(duì)植保無(wú)人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。

1 無(wú)人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的研究現(xiàn)狀

電磁干擾(簡(jiǎn)稱(chēng) EMI)并非新問(wèn)題,是電子電氣設(shè)備固有的問(wèn)題[4]。電磁干擾本身已經(jīng)成熟,也有規(guī)范,而無(wú)人機(jī)領(lǐng)域?qū)儆谔囟ōh(huán)境。無(wú)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(wú)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(duì)復(fù)雜飛行環(huán)境的問(wèn)題。

1.1 無(wú)人機(jī)電磁防護(hù)研究現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)電磁防護(hù)主要通過(guò)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(jiàn)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(duì)無(wú)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(wú)人機(jī)的電磁防護(hù)方案[6]。鄭生全等針對(duì)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(chǎng)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(wú)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(cè)試方法,為無(wú)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(wú)人機(jī)航電系統(tǒng),對(duì)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(duì)無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)和多旋翼RX-600無(wú)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(wú)人機(jī)電磁防護(hù)的研究主要集中在軍用無(wú)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(wú)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(wèn)題。目前,高校及科研單位對(duì)電磁防護(hù)的研究主要還是通過(guò)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(jiǎn)單通過(guò)仿真建模進(jìn)行驗(yàn)證,并沒(méi)有進(jìn)行具體的試驗(yàn)分析論證。

1.2 無(wú)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(guò)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(guó)外對(duì)無(wú)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(guó) “全球鷹”(Global Hawk)無(wú)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(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)之一[13]。國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)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(kāi)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(wú)人機(jī)容錯(cuò)飛控系統(tǒng)構(gòu)架,對(duì)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(kāi)發(fā)的一種基于微小型無(wú)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(duì)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(cè)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(kāi)發(fā)[19-22];開(kāi)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(wú)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(wú)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(guó)內(nèi)外研究人員基于觀測(cè)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(duì)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(cè)器/卡爾曼濾波器的無(wú)人機(jī)傳感器故障檢測(cè)方法,并通過(guò)了小型無(wú)人直升機(jī)的飛行測(cè)試,該方法不需要對(duì)系統(tǒng)矩陣及測(cè)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(wú)跡卡爾曼濾波器(UKF)的故障檢測(cè)、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(wú)人機(jī)陀螺儀和加速度計(jì)的故障檢測(cè)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(jìng)爭(zhēng)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(wú)人機(jī)的傳感器失效問(wèn)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(duì)以上方法的未來(lái)應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估[28]。池程芝等提出了一種序貫概率比的改進(jìn)檢測(cè)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(guó)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(cè)算法[30]。此外,北京零度智控智能科技有限公司(ZEROTECH)開(kāi)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(wú)縫切換[31];深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司(DJI)開(kāi)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(guò)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(wèn)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(wèn)題,并不適用于多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)。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(hào),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(wèn)題。

1.3 無(wú)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(kāi)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(wú)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(guó)的GPS系統(tǒng)、歐洲的GALILEO系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng),以及中國(guó)的北斗系統(tǒng)(BDS)。其中,美國(guó)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(wú)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(wú)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(wú)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(jiǎn)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(tái)站配合[34]。

每種導(dǎo)航系統(tǒng)都有其針對(duì)性的解決優(yōu)勢(shì)及存在的不足,實(shí)際應(yīng)用也往往通過(guò)取長(zhǎng)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(jiàn)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(wú)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(duì)性解決優(yōu)勢(shì)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(duì)某型無(wú)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(duì)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(cè)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(guò)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(duì)于無(wú)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(wú)跡卡爾曼濾波(UKF)的融合算法,首先通過(guò)Sage濾波原理獲取觀測(cè)殘差和新息的協(xié)方差矩陣,然后通過(guò)隨機(jī)加權(quán)自適應(yīng)因子對(duì)觀測(cè)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(hào)微弱或中斷而出現(xiàn)故障或失控的問(wèn)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(wú)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(duì)高壓輸電線路周?chē)碾姶艌?chǎng)會(huì)影響無(wú)人機(jī)磁力計(jì)航向的問(wèn)題,提出了一種基于雙天線的無(wú)人機(jī)航向計(jì)算新方法,并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),證明雙天線可以替代磁力計(jì)測(cè)量航向且不受磁場(chǎng)干擾[42]。Consoli等創(chuàng)新性地介紹了一種利用多天線進(jìn)行無(wú)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(wèn)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航提供更多的選擇,然而如何滿足無(wú)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)增加負(fù)擔(dān),如何實(shí)現(xiàn)多重測(cè)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(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾研究現(xiàn)狀

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

為測(cè)試無(wú)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(wú)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(chǎng)動(dòng)態(tài)的模擬室內(nèi)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的電磁干擾信號(hào)[45]。張冬曉等通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)連續(xù)波輻射效應(yīng)的研究,得到了造成無(wú)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(guò)電磁仿真和注射法分析了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的失效機(jī)理[46]。Chen等提出了一種測(cè)試無(wú)人機(jī)對(duì)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(wú)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(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路[47]?，F(xiàn)階段民用無(wú)人機(jī)采用無(wú)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(duì)于四軸無(wú)人機(jī)信號(hào)頻段2.4G、5.8G比較常用,遇到信號(hào)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(hào)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(cè)的試驗(yàn)周期長(zhǎng),試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取困難且成本很高,因此對(duì)于一般的無(wú)人機(jī)只研究某條數(shù)據(jù)鏈的頻率從而判定環(huán)境周?chē)欠翊嬖陬l段干擾。

2 植保無(wú)人機(jī)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境

2.1 植保無(wú)人機(jī)飛行高度多樣

目前,植保無(wú)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(píng)果、桃、棗、檳榔等果樹(shù),還包括對(duì)部分森林地區(qū)的防護(hù),所以植保無(wú)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(guó)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(hào)的植保無(wú)人機(jī)對(duì)常見(jiàn)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(guó)內(nèi)首個(gè)植保無(wú)人機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《NY/T3213-2018植保無(wú)人飛機(jī)質(zhì)量技術(shù)評(píng)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(shù)、森林環(huán)境下植保無(wú)人機(jī)的飛行高度進(jìn)行列表,如表1所示。

表1 植保無(wú)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(wú)人機(jī)對(duì)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(duì)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(duì)果樹(shù)、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(jí)多樣

農(nóng)村電網(wǎng)指主要為農(nóng)、林、牧、副、漁的各類(lèi)用戶供電的110kV(220kV)及以下各級(jí)配電網(wǎng),一般農(nóng)村農(nóng)田的高壓輸電線電壓等級(jí)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(guó)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(guò)的超高壓(330～750kV)、特高壓(1000kV級(jí)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(jí)高壓輸電線不常見(jiàn),而且架設(shè)高度很高,因此筆者只研究500kV及以下電壓等級(jí)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(shù),甚至是栽種防護(hù)林,那么采用植保無(wú)人機(jī)作業(yè)將面臨較強(qiáng)的電磁干擾,影響了無(wú)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(shù)、防護(hù)林,此時(shí)植保無(wú)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(mén)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(shù)木,需征得同意后,方可種植低矮農(nóng)作物或樹(shù)種,且必須要保持植物自然生長(zhǎng)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(shí),也由于自身利益的關(guān)系,近年來(lái)“樹(shù)線矛盾”依然呈上升趨勢(shì)。

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(jí)和架設(shè)高度差別很大,因此對(duì)植保無(wú)人機(jī)的影響也不一樣。考慮植保無(wú)人機(jī)可能受到的最大電磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響,把最小安全距離當(dāng)作各電壓等級(jí)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(jiǎn)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(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of simulation

為便于計(jì)算,需要對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行理想化處理：將工頻電磁場(chǎng)視為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng);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(lái)計(jì)算;將避雷線視為接地良好,忽略其對(duì)模型的影響;將導(dǎo)線視為無(wú)限長(zhǎng)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?chē)姶艌?chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維交變電磁場(chǎng)計(jì)算問(wèn)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(xiě)程序進(jìn)行仿真,得到500kV高壓輸電線附近的工頻電磁場(chǎng)分布,如圖2所示。

(a) 工頻電場(chǎng)分布 (b) 工頻磁場(chǎng)分布圖2 工頻電磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度在中間相輸電線路的兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)分布,高度由地表逐漸升高,電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)按等位線分布,所以根據(jù)計(jì)算模型只要知道電場(chǎng)強(qiáng)度就能推算出對(duì)應(yīng)的距離等位線。圖2(b)輸電電路附近工頻磁場(chǎng)的分布跟電場(chǎng)分布類(lèi)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(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)閾值就能求出其在高壓輸電線下的安全距離。

4 植保無(wú)人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)展望

植保無(wú)人機(jī)屬于特殊用途無(wú)人機(jī),跟一般的航拍娛樂(lè)無(wú)人機(jī)相比,需要滿足高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間及大負(fù)荷的設(shè)計(jì)要求。目前,國(guó)內(nèi)植保無(wú)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(cè)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(wú)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(wú)人機(jī)水平差別很大,且植保無(wú)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(wú)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(cè)技術(shù)

研究植保無(wú)人機(jī)抗電磁干擾問(wèn)題,最重要的是識(shí)別環(huán)境中的電磁干擾源,知道電磁干擾源的類(lèi)型和強(qiáng)度然后再做進(jìn)一步的防護(hù)或者避開(kāi),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(wú)人機(jī)完全失去正常作業(yè)的功能。因此,植保無(wú)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(chǎng)檢測(cè)裝置,而且當(dāng)環(huán)境電磁場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)能做出相應(yīng)的動(dòng)作,如避開(kāi)或者重新規(guī)劃一條作業(yè)路線,避免植保無(wú)人機(jī)受到過(guò)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(chǎng)主要影響植保無(wú)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(chǎng)就要進(jìn)一步考慮植保無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航方式?，F(xiàn)階段植保無(wú)人機(jī)的組合導(dǎo)航主要采用RTK測(cè)向技術(shù)和GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng),可將我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)彌補(bǔ)當(dāng)前植保無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)存在的不足。未來(lái)植保無(wú)人機(jī)必然要配置多種方式進(jìn)行導(dǎo)航,通過(guò)優(yōu)化濾波算法增加組合導(dǎo)航因子,可使植保無(wú)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(huì)影響植保無(wú)人機(jī)的正常導(dǎo)航。同時(shí),通過(guò)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(wú)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(duì)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(wú)人機(jī)作業(yè)的可靠性和智能化程度,減少植保無(wú)人機(jī)受到的電磁干擾。

4.3 抗電磁干擾評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

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

4.4 植保無(wú)人機(jī)失效彌補(bǔ)技術(shù)

植保無(wú)人機(jī)除了要考慮抗電磁干擾問(wèn)題,也要考慮無(wú)人機(jī)失效后可控的問(wèn)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(wú)人機(jī),可能還會(huì)造成輸電線路損毀或者大范圍停電,對(duì)電網(wǎng)造成的損失將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植保無(wú)人機(jī)自身的價(jià)值。對(duì)于這種情況可通過(guò)發(fā)射一定的電磁干擾信號(hào)將失控的植保無(wú)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(guó)內(nèi)外也有較多研究,但目前民用無(wú)人機(jī)還未涉及。植保無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)、電力巡檢無(wú)人機(jī)相比,植保無(wú)人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)十分脆弱。隨著植保無(wú)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(wú)人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的迫切性不容忽視。加深對(duì)無(wú)人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的理解,將為植保無(wú)人機(jī)提供更可靠的設(shè)計(jì)方案,為植保無(wú)人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)的有序發(fā)展提供參考,中國(guó)必將在航空植?？闺姶鸥蓴_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。