基于PX4构建高可靠农用微小型无人机数据链的实现方法

樊　超,胡小安,伟利国,张小超

(中国农业机械化科学研究院 土壤植物机器国家重点实验室，北京　100083)



基于PX4构建高可靠农用微小型无人机数据链的实现方法

樊超,胡小安,伟利国,张小超

(中国农业机械化科学研究院 土壤植物机器国家重点实验室，北京100083)

摘要：农用微小型无人机在精准农业中的作用日益重要，正在成为农机行业新的亮点和热点。农用微小型无人机数据链的可靠性是影响其稳定运行的关键因素，本文针对农用微小型无人机数据链，选用PX4开源飞控，以3DR电台和QGroundControl地面站搭建的数据链设备为平台，设计了数传电台冗余切换系统及相应的电台联机质量测试系统，分别来提高和检测数据链的可靠性。同时，主要介绍了冗余切换系统的结构和原理及电台联机质量测试系统的结构和原理，并进行了相应的测试。测试结果表明：该方法能有效地提高农用微小型无人机数据链的可靠性。

关键词：农用微小型无人机；数据链；冗余；抗干扰

0引言

目前，国际无人机系统协会[简称AUVSI(Association for Unmanned Vehicle Systems International)]已将无人机在农业上的应用列为无人机系统3个重点开发的民用领域之一。农用微小型无人机在精准农业中的重要作用使它正在成为农机行业新的亮点和热点[1]。农用微小型无人机主要用于执行农业生产和监测任务，因而要求具有高可靠性。

数据链是农用微小型无人机系统的重要组成部分，其可靠性是影响其稳定运行的关键因素。按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路：上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送和接收；下行链路主要完成无人机至地面终端的遥测数据，用于传送无人机的姿态、位置、机载设备的工作状态及当前遥控指令等[2]。

本项目选用PX4开源飞控为研究平台，主要由QGroundControl地面站软件和3DR电台组成。选用的3DR电台载波频率段为433MHz。当受到433MHz附近的某一固定频率干扰时，3DR电台可以凭借自身的跳频技术(FHSS)，达到抗干扰的效果。然而，跳频系统本身也存在着一些缺点和局限，如信号隐蔽性差、抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限等[3]。当3DR电台所有信道都被干扰，即受到多频干扰或跟踪式干扰时，电台的联机质量将受到很大影响，甚至无法正常工作。为了构建高可靠数据链，本文提出了一种建立数传电台冗余切换系统的方法。

1数传电台冗余切换系统

当选用的433MHz的3DR电台所有信道都被干扰，即受到多频干扰或跟踪式干扰时，可以采用扩展电台频率带宽的方式来实现抗干扰。所设计的数传电台冗余切换系统的结构图，如图1所示。

图1　冗余切换系统结构图

冗余切换装置是以无线继电器为核心，实现电台之间的切换。其主要思路是：当433MHz电台所有信道受到干扰而无法正常工作时，无人机数据链将通过868MHz电台正常工作。系统的原理图，如图2所示。

PX4飞控由PX4FMU和PX4IO组装而成。数传电台的连接端口在PX4IO上，名称为“FMU USART2”。为了尽量不破坏原系统的构成，采用了只对该接口进行扩展的硬件处理方法。

无线继电器默认状态为电源关闭状态。电源通断受远程遥控开关控制。遥控开关由单独的电池供电，供电通断可以控制。遥控开关的信号载波频率为315MHz，工作距离最远可达1 000m。

数传电台共有两组：一组为433MHz，另一组为868MHz。每组电台都由1个远程电台和1个本地电台构成。远程电台的连接如图2所示，本地电台连接在拥有地面站的PC机上。

图2　冗余切换系统原理图

无线继电器默认状态为电源关闭状态，此时433MHz 远程电台实现了供电，868MHz远程电台断电，所以只有433MHz电台可以正常工作。在QGroundControl地面站上选择433MHz电台所在的端口进行连接。当433MHz电台受到强烈干扰时，通过以下步骤可以实现电台切换：

1)打开遥控开关的电源，实现遥控开关的供电；

2)在地面站关闭433MHz电台的连接；

3)遥控开关按下“开”按钮，实现无线继电器的电源接通，此时868MHz远程电台实现供电，433MHz远程电台断电；

4)关闭遥控开关的电源；

5)在地面站选择868MHz的电台端口，进行连接。

若要实现由868MHz的电台切换成433MHz的电台，只需打开遥控开关的电源，按下“关”按钮，实现无线继电器的电源断开；此时433MHz远程电台实现供电，868MHz远程电台断电。

2冗余切换系统性能评测

2.1　测试硬件

测试硬件是一个干扰源系统，主要包括射频信号源、射频功率放大器及全向天线3部分，如图3所示。

通过查找参数得知，3DR电台的发射功率为20dBm，即100mW。根据此参数选择了相应的硬件设备：射频信号源最大输出为-10dBm；功率放大器输入为-10dBm时，最大输出为2.8W。

图3　干扰源系统的组成框图

2.1.1射频信号源

以高性能DDS芯片AD9910为核心，以单片机STC15L2K60S2为控制器，设计了该射频信号源[4]，系统整体结构图如图4所示。

图4　系统整体结构图

AD9910是一款内置14位DAC的直接数字频率合成器(DDS)，支持高达1GSPS的采样速率。AD9910采用高级DDS专利技术，在不牺牲性能的前提下可极大降低功耗。DDS/DAC组合构成数字可编程的高频模拟输出频率合成器，能够在高达400MHz的频率下生成频率捷变正弦波形。AD9910提供3个用于控制DDS的信号控制参数，包括频率、相位与振幅。该DDS利用32位累加器提供快速调频和频率调谐分辨率，还实现了快速相位与幅度切换功能。通过串行I/O端口对AD9910的内部控制寄存器进行编程，可以实现对AD9910的控制，集成了静态RAM，可支持频率、相位或振幅调制的多种组合，还支持自定义的数控数字斜坡工作模式。在该模式下，频率、相位或振幅随时间呈线性变化。AD9910内置的高速并行数据输入端口能实现直接频率、相位、振幅或极化调制，以支持更高级的调制功能。

单片机是整个系统的控制核心。通过编程使得该系统输出有两种模式：一是点频输出模式，即固定为433MHz；二是扫频输出模式，需要设置好两个频率F1和F2，由F1至F2再由F2至F1，循环进行。在单片机的控制下，按照预设好的频率步进和每个频点的驻留时间产生线性或非线性的频率变化。根据目标电台的相应参数，设置F1=433 050kHz，F2=434 790kHz，频率步进为1KHz。

2.1.2射频功率放大器

在干扰源系统的前级，射频信号源产生的射频信号功率很小，为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

所选用的功率放大器可以将400~470MHz范围内的信号进行功率放大，其结构如图5所示。

图5　射频功率放大器结构简图

该射频功率放大器属于AB类功率放大器，由输出电压为12V、额定输出电流为1A的开关电源供电。输入端信号主要经过电调衰减器、两级小信号放大和MOS管放大3部分，从而到达输出端。其中，电调衰减器是为了实现输出功率的可调节性，两级小信号和MOS管实现输入信号的功率放大。

2.2　测试软件

测试软件为QGroundControl地面站软件。由于3DR电台及选用的868MHz电台均支持MAVLink协议，PX4飞控在和地面站通信时，电台会自动在每次通信结束前，按照MAVLink协议，加入自己的信噪数据(信号强度、背景噪声强度)。所以，QGroundControl地面站可以收到远程电台和本地电台的两组信噪数据。

监控电台联机质量，有以下4个关键参数：

①RADIO_STATUS.rssi。本地端接收电台的信号强度。②RADIO_STATUS.remrssi。远程端接收电台的信号强度。③RADIO_STATUS.noise。本地端的噪声信号强度。④RADIO_STATUS.remnoise。远程端的噪声信号强度。

2.3　测试环境

为了更好地检测出干扰及抗干扰的效果。电台之间的距离及电台与天线的距离不宜过远，否则会直接无法正常工作。当距离较近时，可以在正常工作的前提下，通过信噪比的变化，检测出干扰及抗干扰的效果。具体测试环境如下：①载机F450四旋翼；②模式稳定模式；③本地电台与天线距离1m；④远程电台与天线距离5m；⑤本地电台与远程电台距离4m。

2.4　测试方式

1)关闭干扰源系统电源，分别测试433MHz电台和868MHz电台工作时的信噪数据；

2)打开干扰源系统电源，选择点频输出模式，测试433MHz电台工作时的信噪数据；

3)打开干扰源系统电源，选择扫频输出模式，分别测试433MHz电台和868MHz电台工作时的信噪数据。

2.5　测试结果

1)第1组：关闭干扰源电源，433MHz电台的信噪数据，如图6所示。

图6　关闭干扰源433MHz电台信噪数据

2)第2组：关闭干扰源电源，868MHz电台的信噪数据，如图7所示。

图7　关闭干扰源868MHz电台信噪数据

3)第3组：打开干扰源系统电源，点频输出模式下，433MHz电台的信噪数据，如图8所示。

图8　点频模式433MHz电台信噪数据

4)第4组：打开干扰源系统电源，扫频输出模式下，433MHz电台的信噪数据，如图9所示。

图9　扫频模式433MHz电台信噪数据

5)第5组：打开干扰源系统电源，扫频输出模式下，868MHz电台的信噪数据，如图10所示。

图6~图10中横轴为时间，宽度为2min；纵轴为信号强度。每两个数据点之间间隔1s，得到的数据点用直线平滑连接形成整体图像。

图10　扫频模式868MHz电台信噪数据

信噪比，英文名称叫做SNR或S/N(SIGNAL-NOISE RATIO)，又称为讯噪比，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号(或信息)，并且该种信号并不随原信号的变化而变化。

信噪比是度量通信系统通信质量可靠性的一个主要技术指标。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声相对越小，系统的通信质量越高。当信噪比低到一定程度时，系统的通信质量将无法满足要求，即通信失效。

设定RSSI、Noise分别代表信号与噪声在图中的纵坐标数值，若要换算成以dBm为单位的相应数值，根据Si1000(3DR电台的无线微控制器)的数据表，可使用如下近似公式

Signal(dBm)=(RSSI/1.9)-127

Noise(dBm)=(Noise/1.9)-127

根据信噪比的定义，有

SNR(dB)=10lg(PS/PN)

=10lg[(PS/1mW)/(PN/1mW)]

=10lg(PS/1mW)-10lg(PN/1Mw)

=Signal(dBm)-Noise(dBm);

所以，SNR(dB)=(RSSI-Noise)/1.9。

计算出各组数据在横轴的2min宽度内的平均值，就可以根据信噪比公式计算出信噪比的平均值。

比较第1组和第3组数据可知：信号强度略微减弱，噪声强度基本不变。所以，信噪比略微减小，点频输出模式对433MHz电台联机质量有较小的影响。

比较第1组和第4组数据可知：信号强度变化剧烈，明显减弱，噪声强度略微加强。所以，信噪比明显减小，扫频输出模式对433MHz电台联机质量有较大的影响。

比较第2组和第5组数据可知：信号强度略微加强，噪声强度略微加强。所以，信噪比变化不大，扫频输出模式对868MHz电台联机质量基本没有影响。

比较第4组和第5组数据可知：信号强度有明显加强，噪声强度减弱明显且减弱幅度基本保持稳定。所以，信噪比明显增大，扫频输出模式下，切换电台后，电台联机质量明显提高。

3结论

随着农用微小型无人机的应用越来越广泛，提升可靠性成为了农用微小型无人机迫切需要考虑的问题。本文即通过高可靠数据链(数传电台冗余切换系统)，替代现有的单一频段的数传电台设备，提升了微小型无人机的电台联机质量，保障了数据链的高可靠性。

当前农用微小型无人机应对多频干扰，也有许多其他的方式。本文只是提出一种新的解决思路。今后，也可以将本系统与其他方式进行融合，达到更好的抗干扰效果，进一步提高微小型无人机数据链的可靠性。

参考文献：

[1]胡承键.加速宁夏农用无人机开发应用促进精准农业发展[J].宁夏农林科技，2014(5)：8-10.

[2]魏端轩，李学仁．无人机系统及作战使用[M]．北京：国防工业出版社，2009．

[3]李文仲．短距离无线数据通信入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4]熊慎伟．基于DDS的宽带雷达信号产生系统[J ]．电子工程信息，2005(1)：35-37．

Implementation of Constructing High Reliability Data Link for Agricultural Mini-UAV Based on PX4

Fan Chao， Hu Xiaoan， Wei Liguo， Zhang Xiaochao

(National Key Laboratory of Soil-plant-machine System, Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science,Beijing, 100083, China)

Abstract：Agricultural Mini-UAV is playing a greater role in precision agriculture and is becoming the new focus of the agricultural machinery industry. The reliability of the agricultural Mini-UAV data link is the key factor that affects its stability. The redundancy switching system of radio modem and the quality testing system of radio communication are designed in this paper to improve and test the reliability of the agricultural Mini-UAV data link. The two systems are based on PX4 project on data link platform constructed by 3DR and Q Ground Control. This paper mainly introduced the structure and principle of the two systems. The redundancy switching system of radio modem has passed tests to improve the reliability of the agricultural Mini-UAV data link.

Key words：agricultural mini-UAV； data link； redundancy； anti-jamming

中图分类号：S24

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0224-05

作者简介：樊超(1992-)，男，山西永济人，硕士研究生，(E-mail)1195295109@qq.com。

基金项目：“十二五”国家“863计划”项目(2013AA102303)

收稿日期：2015-09-06