王帥凡, 曾國輝, 吳 迪, 趙 威, 黃 勃, 韋 鈺

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201600)

0 引 言

微小型無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)在航拍、電力監(jiān)測等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]，其主任務(wù)之一是獲取圖像信息并傳輸[2]。目前微小型無人機存在一個亟待解決的問題,即續(xù)航時間短[3，4]。對此，國內(nèi)外許多研究主要集中在總體參數(shù)優(yōu)化和動力系統(tǒng)優(yōu)化兩方面。如文獻(xiàn)[5]中利用遺傳算法對無人機總體參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[6]通過建模分析對無人機動力系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

隨著圖像質(zhì)量和傳輸距離上升，無人機圖像傳輸系統(tǒng)能耗相應(yīng)上升，文獻(xiàn)[3]指出航拍無人機用于圖像傳輸?shù)碾娔苷紵o人機總電能的20 %。因此,由圖傳系統(tǒng)對無人機進(jìn)行節(jié)能具有研究價值?，F(xiàn)有產(chǎn)品中，無人機圖傳發(fā)射機的發(fā)射功率多為恒定，文獻(xiàn)[7，8]提出利用發(fā)射功率自適應(yīng)方法可有效降低發(fā)射機能耗，發(fā)射功率自適應(yīng)也符合無人機情景感知和智能控制的發(fā)展要求[9，10]。本文據(jù)此提出利用發(fā)射功率自適應(yīng)方法對無人機圖傳系統(tǒng)進(jìn)行能耗優(yōu)化。

1 數(shù)學(xué)建模

無人機圖傳系統(tǒng)一般由發(fā)射機和接收機兩部分組成，發(fā)射機固定于無人機，由無人機供電，接收機用于地面接收，由地面電源供電。從無人機能耗角度出發(fā)，無人機圖傳系統(tǒng)單指圖傳系統(tǒng)的發(fā)射機部分。發(fā)射機的能量消耗主要來自于兩部分：基礎(chǔ)工作電路和射頻放大電路，基礎(chǔ)工作電路用于前期的信號處理，工作功率相對穩(wěn)定；射頻放大電路將前期信號轉(zhuǎn)換為射頻信號并放大發(fā)射，主要由射頻功率放大器組成，原理是將直流輸入功率轉(zhuǎn)換為射頻輸出功率。本文所述發(fā)射功率指射頻輸出功率。在轉(zhuǎn)換效率固定時，射頻輸出功率的變化會引發(fā)直流輸入功率的變化，使無人機圖傳系統(tǒng)的整體工作功率發(fā)生變化。因此，圖傳系統(tǒng)的發(fā)射功率若能根據(jù)工作情境自適應(yīng)調(diào)節(jié)，就能適時改變直流電源的輸入功率，從而幫助圖傳系統(tǒng)進(jìn)行能耗優(yōu)化。

目前關(guān)于無人機圖傳發(fā)射功率的數(shù)學(xué)模型不多，本文優(yōu)先建立一個關(guān)于發(fā)射功率的數(shù)學(xué)模型。發(fā)射功率由路徑損耗和接收靈敏度決定，在靈敏度確定的情況下，路徑損耗決定了最佳發(fā)射功率，亦即本文發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的理想值。故本文從路徑損耗、接收靈敏度模型入手建立理想發(fā)射功率模型。

1.1 路徑損耗模型

選取Okumura-Hata模型[11]作為發(fā)射功率模型的參考模型之一，其標(biāo)準(zhǔn)公式為

(1)

式中PN為信號的路徑損耗，dB；fc為傳輸頻率,MHz，范圍150～1 500 MHz；hf為天線有效高度,m，在無人機上可近似表示為飛行高度，范圍20～200 m；hs為接收天線有效高度m，范圍1～10 m；α(hs)為接收天線修正因子；D(范圍1～20 km)為發(fā)射端到接收端的距離,km。

1.2 接收靈敏度模型

接收靈敏度模型主要參考文獻(xiàn)[12]中的公式

(2)

式中Sr為接收靈敏度，dBm；B(Hz)為傳輸帶寬,范圍為1×106～8×106Hz；NFf為射頻前端噪聲系數(shù)；G為射頻前端增益;δ為監(jiān)測信噪比；NFAD為A/D的噪聲系數(shù)

NFAD=174+PFS(dBm)-SNR(dBFS)-10lg(Fs/2)

(3)

式中PFS(dBm)為 A/D 滿量程輸入功率，SNR(dBFS)為A/D 信噪比，F(xiàn)s為采樣頻率。

由式(2)、式(3)可以看出,影響接收靈敏度的因素中與接收機選擇的具體芯片有較大關(guān)聯(lián)，一旦芯片選定，大部分參數(shù)值即確定。參考文獻(xiàn)[12]中的典型芯片取值，NFAD取45 dB；NFf取3.1 dB；G取45 dB；δ取0，從而簡化接收靈敏度模型為Sr=-169.23+10lgB。

1.3 理想發(fā)射功率模型

Pf=-99.72+26.16 lgfc-13.82 lghf+10 lgB+

(4)

2 自適應(yīng)方案分析

由式(4)可以看出，影響圖傳發(fā)射功率的主要自變量有fc,hf,B,L。為確定功率自適應(yīng)參考標(biāo)準(zhǔn)，本文采用控制變量法分別計算4個變量對發(fā)射功率的影響程度。

1)當(dāng)fc為自變量，取hf=100 m，B=6×106Hz，L=10 m，關(guān)系如圖1(a)所示；

2)當(dāng)hf為自變量，取fc=300 MHz，B=6×106Hz，L=10 m，關(guān)系如圖1(b)所示；

3)當(dāng)B為自變量，取fc=300 MHz，hf=100 m，L=10 m，關(guān)系如圖1(c)所示；

4)當(dāng)L為自變量，取fc=300 MHz，hf=100 m，B=6×106Hz，關(guān)系如圖1(d)所示。

圖1 各變量與發(fā)射功率關(guān)系

由圖1可以看出，在取值范圍內(nèi)，水平傳輸距離L影響力最大，且在工程中的頻率、帶寬往往被客戶直接要求，自身變化范圍有限；水平距離和飛行高度多為連續(xù)變化，但飛行高度受國家政策和動力系統(tǒng)等條件限制，同時影響力低于水平距離，所以,選取水平傳輸距離L作為發(fā)射功率自適應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)。即確定本文的功率自適應(yīng)方案為以水平傳輸距離作為參考標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)發(fā)射功率，使兩者合理匹配，在傳輸距離變小(變大)時降低(增大)發(fā)射功率，達(dá)到節(jié)約能量的目的。

3 算例分析

3.1 計算原理

射頻功率放大器的本質(zhì)是將直流功率轉(zhuǎn)換為射頻功率[13]，其自身功率主要由效率和輸出功率決定，其效率為η=Po/Pdc，Po為射頻功放輸出功率，對應(yīng)上文所述發(fā)射功率Pf,Pdc為直流功率，對應(yīng)無人機電池的輸出功率?？芍?，在射頻功放效率一定的情況下，Pdc會隨Po變化而相應(yīng)變化，這是功率自適應(yīng)節(jié)約電能的關(guān)鍵。

計算圖傳系統(tǒng)能耗需要計算射頻功放能耗，在輸出功率(發(fā)射功率)已知的情況下，功放效率尤為重要，但功放效率會隨器件變化。經(jīng)過對現(xiàn)有圖傳發(fā)射終端功放效率調(diào)研，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)并通過最小二乘法擬合得到輸出功率與功放效率間近似關(guān)系為

ηc=0.004PF+12.48

(5)

式中ηc為通過擬合函數(shù)計算得出的功放效率，%；PF(nW)為輸出功率，對應(yīng)上文中的Pf。

至此，基本模型建立完成，開始進(jìn)行自適應(yīng)節(jié)能效果計算。由于以水平傳輸距離L作為發(fā)射功率自適應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，在計算中仍舊取頻率fc=300 MHz，飛行高度hf=100 m，傳輸帶寬B=6×106Hz。由不同的L經(jīng)式(4)可以求得不同的發(fā)射功率Pf，由式(5)，求得對應(yīng)的功放效率，根據(jù)工作時長便可計算出圖傳系統(tǒng)發(fā)射端的電能消耗量Ez(W·h)

Ez=(Pf/ηs+600)/1 000×t

(6)

式中ηs為對應(yīng)的功放效率；600為發(fā)射電路板基礎(chǔ)功率，mW；t為工作時長，h；Pf需要格外注意，由式(4)計算出的Pf單位為dBm，要轉(zhuǎn)換為mW單位，轉(zhuǎn)換公式為Pf(mW)=10Pf/10。

3.2 結(jié)果分析

參考文獻(xiàn)[14]制定兩種無人機航拍方式，并分別計算自適應(yīng)圖傳發(fā)射系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1)假設(shè)飛行最遠(yuǎn)水平距離為3 km，分別在距接收點水平距離1，2，3 km處設(shè)置3個固定拍攝點，每個拍攝點規(guī)定3 min的懸停拍攝時長，其他飛行時段圖傳系統(tǒng)不工作。

a.非自適應(yīng)模式下，為保證最遠(yuǎn)傳輸距離時能接收到信號，通常按照最遠(yuǎn)距離3 km來設(shè)置發(fā)射功率，即以3 km時的發(fā)射功率工作9 min，經(jīng)計算電能消耗量為0.222 W·h。

b.自適應(yīng)模式下，分別在1,2,3 km處以不同的發(fā)射功率工作，經(jīng)計算1，2，3 km處的電能消耗量相加，計算結(jié)果如表1所示。

表1 方式(1)下自適應(yīng)發(fā)射系統(tǒng)耗電量數(shù)據(jù)表

由結(jié)果可以算出，此種航拍方式下，采用發(fā)射功率自適應(yīng)以后，完成相同任務(wù)，節(jié)約了原電能的35 %。

2)假設(shè)無人機飛行全程均在拍攝，拍攝時長 30 min，最遠(yuǎn)水平距離5 km。

a.非自適應(yīng)模式下，按照最遠(yuǎn)距離5 km來設(shè)置發(fā)射功率，即以5 km時的發(fā)射功率工作30 min，經(jīng)計算電能消耗量為2.2 W·h。

b.自適應(yīng)模式下，先將5 km以1 km為步長分為5個梯度進(jìn)行功率自適應(yīng)(較低精度的自適應(yīng)方式)，按照無人機勻速飛行計算，每6 min飛行1 km，每1 km內(nèi)以同一發(fā)射功率工作，計算每1 km的電能消耗量相加，計算結(jié)果如表2。

表2 方式(2)下低自適應(yīng)精度發(fā)射系統(tǒng)耗電量數(shù)據(jù)

由結(jié)果可以算出，在此種工作方式下，采用較低精度的發(fā)射功率自適應(yīng)后，完成相同任務(wù)，節(jié)約了原電能的54.5 %。同時，對比表1和表2可發(fā)現(xiàn)，隨著最遠(yuǎn)傳輸距離的上升，節(jié)電量比例也在上升。

同樣在方式(2)下，考慮增加自適應(yīng)精度，將5 km以0.5 km為步長分為10個梯度進(jìn)行功率自適應(yīng)，每3 min飛行0.5km，每0.5 km內(nèi)以同一發(fā)射功率工作，其他假設(shè)不變。計算結(jié)果為0.894 W·h。(說明，由于0.5 km不適用于式(4)，所以0.5 km處仍然以1 km計算)。

由結(jié)果看出，采用較高精度的發(fā)射功率自適應(yīng)后，節(jié)約了原電能的59.5 %；相較于較低精度的發(fā)射功率自適應(yīng)方式，也節(jié)約了約10.6 %的電能。

4 結(jié) 論

結(jié)合Okumura-Hata傳播模型和接收靈敏度模型可以建立一個無人機圖傳系統(tǒng)的理想發(fā)射功率模型。以傳輸距離作為參考標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射功率自適應(yīng)方案可以有效降低無人機圖傳系統(tǒng)的能耗。3～5 km內(nèi)的功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可節(jié)省原發(fā)射系統(tǒng)30 %以上的能量，且伴隨自適應(yīng)精度和最遠(yuǎn)傳輸距離的增加，節(jié)能效果提升。但本文中發(fā)射功率模型是在Hata模型的基礎(chǔ)上建立，覆蓋范圍不足；同時，在接收靈敏度模型和可調(diào)參數(shù)上進(jìn)行了一定程度的簡化，模型精度有待完善。在后期研究中，圖傳系統(tǒng)的能耗優(yōu)化模型應(yīng)結(jié)合無人機動力系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究。