閔小翠，朱 君，李 鵬,2，周益全

(1.廣州華立科技職業(yè)學院 計算機信息工程學院，廣州 511325;2.華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣州 511325)

0 引言

無人機作為無線信息通信技術(shù)、遠程控制技術(shù)、空氣動力學技術(shù)等多學科快速發(fā)展應用下的綜合性產(chǎn)物，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探以及國防安保等多個領(lǐng)域。其主要應用價值在于無人操控的精準性。無人操控解決了作業(yè)環(huán)境條件對人員的限制，通過高精度控制，完成目標任務的操作。其中，無人機飛行軌跡的循跡功能，能夠使無人機根據(jù)環(huán)境變量關(guān)系[1]，自主學習、分析環(huán)境物體關(guān)系[2]，自行尋找最優(yōu)飛行線路。在循跡過程中，圖像。坐標等數(shù)據(jù)的識別精度是決定循跡效果的關(guān)鍵。

根據(jù)對現(xiàn)有不同旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)的作業(yè)日志分析發(fā)現(xiàn)，隨著旋翼數(shù)量的增加，傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)的循跡數(shù)據(jù)開放聚合程度越高。不同傳感器異步數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的不對稱數(shù)據(jù)，在很大程度上降低了循跡檢測系統(tǒng)的檢測效率，導致無人機在空中懸停時間過長，電量判斷異常無法成功返航等循跡相關(guān)問題。為了解決開放聚合方案在傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)上出現(xiàn)的問題，有必要提出一種新的多旋翼循跡檢測系統(tǒng)，從根源上解決上述問題。

1 基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)總框架設(shè)計

基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)總框架設(shè)計如圖1所示，總共分為兩個部分：

圖1 基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)總框架設(shè)計示意圖

1)基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡數(shù)據(jù)變換算力支持硬件，主要通過多路傳感器信息采集控制主控，對多旋翼無人機軌跡進行數(shù)據(jù)綜合分析，利用基于傅里葉變換計算架構(gòu)設(shè)計處理器，配合多路數(shù)據(jù)離散電路，對開環(huán)數(shù)據(jù)進行閉環(huán)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。其中主要依托外部接入的遠端大型云服務器提供數(shù)據(jù)離散轉(zhuǎn)換過程中需要的浮點計算能力。設(shè)計硬件功能側(cè)重點在于數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換過程中計算數(shù)據(jù)的本地數(shù)據(jù)化處理。為軟件算法以及程序代碼運行提供硬件平臺。

2)基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡數(shù)據(jù)變換計算程序，即設(shè)計系統(tǒng)的算法執(zhí)行軟件。根據(jù)設(shè)計軟件程序的作用面，可分為數(shù)據(jù)離散處理程序與循跡數(shù)據(jù)傅里葉變換輸出程序兩部分。通過兩組程序的功能設(shè)計，實現(xiàn)在硬件數(shù)據(jù)資源與算力的支持下，將多旋翼無人機循跡數(shù)據(jù)相關(guān)參量由聚合形態(tài)，經(jīng)離散傅里葉變換計算，轉(zhuǎn)換為閉環(huán)數(shù)據(jù)處理形態(tài)[3-4]，從而優(yōu)化循跡數(shù)據(jù)識別精準度，提升系統(tǒng)對循跡任務的整體效果。

2 基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

多旋翼無人機循跡數(shù)據(jù)采集硬件包括：數(shù)據(jù)傳感器、數(shù)據(jù)邏輯變阻器與信號分量控制器；在功能實現(xiàn)過程中，首先通過RX5403數(shù)據(jù)傳感器對多旋翼無人機多路傳感器數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)接口鏈路對接，然后由AD4431數(shù)據(jù)采集控制器通過對接鏈路采集無人機軌跡數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)邏輯變阻器進行離散前的信號電路值變換，以此完成離散處理設(shè)備工作，最后由信號分量控制器調(diào)制輸出。多旋翼無人機循跡數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 多旋翼無人機循跡數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)傳感器

通過RX5403數(shù)據(jù)傳感器對多旋翼無人機多路傳感器數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)接口鏈路對接，RX5403數(shù)據(jù)傳感器包括采集系統(tǒng)、檢測元件、轉(zhuǎn)換電路。檢測元件可分為光柵尺和直線感應同步器。這種檢測元件具有很強的無線傳輸能力。RX5403數(shù)據(jù)傳感器的傳輸速率可以達到3 Mbps。設(shè)定輸出功率和頻率后，就可以很好地完成信號的發(fā)送和無線交互收發(fā)。

2.2 數(shù)據(jù)邏輯變阻器

選用B722 系列變阻器作為系統(tǒng)硬件的數(shù)據(jù)邏輯變阻器。它具有允許工作溫度較高，寬額定電壓范圍較大的特點，過數(shù)據(jù)邏輯變阻器進行離散前信號電路值變換，包含一組信號差量運算，算式如下所示:

(1)

其中:Δζ代表設(shè)計硬件的離散數(shù)據(jù)采集變量，L1、L2、L3分別是控制量、采集量、離散量的硬件預置系數(shù)，上述參數(shù)為B722 系列變阻器的系統(tǒng)預制參數(shù)。

2.3 信號分量控制器

在大多數(shù)情況下，信號適調(diào)是由具有一種或多種信號適調(diào)功能的獨立儀器單元及其組合完成的。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，一部分信號適調(diào)功能并入傳感器中，而另一部分信號適調(diào)功能并入數(shù)據(jù)記錄儀器或數(shù)據(jù)采集與記錄儀器系統(tǒng)。信號適調(diào)器主要采用兩種前置放大器：電壓放大器和電荷放大器。在多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中，信號GL827L適調(diào)器是檢測系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器的輸出信號均需要經(jīng)過適調(diào)，以系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。信號適調(diào)器主要包括信號變換器、放大器、濾波器、微分器和積分器及電源。

3 基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)離散處理程序設(shè)計

考慮到多旋翼無人機不同傳感器信號同步存在一定量的誤差，因此在循跡過程中需要與不同旋翼數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)對稱，以此提升循跡數(shù)據(jù)識別處理的精準度。基于上述思想，需要對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)進行離散處理，利用設(shè)計硬件的算力基礎(chǔ)條件，配合數(shù)據(jù)離散處理程序，完成對多旋翼無人機循跡數(shù)據(jù)的離散處理。設(shè)計程序原理與實現(xiàn)過程如下：

首先對無人機不同傳感器反饋的軌跡數(shù)據(jù)信息進行權(quán)值與閾值關(guān)系梳理優(yōu)化。通過梳理將多旋翼無人機反饋數(shù)據(jù)的權(quán)值與閾值轉(zhuǎn)換為實數(shù)量值，并對其量值的賦予，賦予值范圍定義為0～1[5]之間的任意數(shù)。然后，通過離散算法來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的離散轉(zhuǎn)換輸出。在此之前，需要將無人機循跡數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對應的函數(shù)進行離散激活，使其滿足S型函數(shù)條件[6]，然后通過離散數(shù)據(jù)構(gòu)成與數(shù)據(jù)特征，獲得不同類型數(shù)據(jù)所對應的最佳循跡特征，從而減小不同傳感器反饋循跡數(shù)據(jù)之間的均方差。程序功能實現(xiàn)的函數(shù)表達方式如下：

(2)

式中，yz,w，代表第w個傳感器反饋的第z個循跡數(shù)據(jù)量；Uz,w代表第w個傳感器反饋的第z個離散值；f代表載入旋翼反饋數(shù)據(jù)總量；d代表程序調(diào)用算法的總線程數(shù)量。下面是數(shù)據(jù)離散處理程序算法實現(xiàn)的偽代碼示例:

category.msgbus=WARN/Win32DbgAppender, ConsoleAppender//離散/open

log4j/.categor/TBarBiz=WARN/

Win32DbgAppender/ConsoleAppender/TBarBizFileAppender*

log4j.category/TBarMsgMgr=WARN

Win32DbgAppender//ConsoleAppender/ TBarMsgMgrFileAppender

log4j.category.IMWebBridge=INFO/

/

Win32DbgAppender/ConsoleAppender*

IMWebBridgeFileAppender

log4j.additivity.SdkRender=FALSE

#log4j.additivity.msgbus=5

#log4j.additivity.TBarBiz=FALSE

#log4j.additivity.TBarMsgMgr=1

log4j.additivity/ChatMsgMgr=FALSE

log4j.additivity/IMWebBridge=0

#log4j/additivity/Http=FALSE

Log5/appender.Win32DbgAppender=org.apache/log4j/Win32DebugAppender

log4j.appender.Win32DbgAppender.layout.ConversionPattern=%d{} %p %c %m%n

log4j.appender.ConsoleAppender.layout.ConversionPattern=%d{} %p %c %m%n

數(shù)據(jù)離散處理程序功能實現(xiàn)流程，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)離散處理程序功能實現(xiàn)流程

通過上述對不同旋翼反饋循跡數(shù)據(jù)的離散計算后，程序?qū)⒌玫揭唤M循跡軌跡的IMF分量數(shù)據(jù)[7]，通常情況下，分量數(shù)據(jù)由6階函數(shù)構(gòu)成[8]，因此將其定義為6階IMF分量數(shù)據(jù)。根據(jù)分量數(shù)據(jù)可得到不同分量對旋翼移動軌跡的坐標、高度、氣壓等循跡相關(guān)指數(shù)信息，為了保證設(shè)計系統(tǒng)最終循跡輸出結(jié)果的精準滿足0.5 m級精度，將獲得分量定義為下級傅里葉變換計算的樣本數(shù)據(jù)。具體定義實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 離散分量樣本化轉(zhuǎn)換實現(xiàn)過程

3.2 循跡數(shù)據(jù)傅里葉變換輸出程序設(shè)計

完成對多旋翼無人機循跡數(shù)據(jù)的離散程序設(shè)計后，對系統(tǒng)循跡數(shù)據(jù)傅里葉變換程序進行設(shè)計。程序設(shè)計主要目的在于對離散數(shù)據(jù)傳輸通道內(nèi)的回路進行閉環(huán)轉(zhuǎn)換，防止開環(huán)通道的聚合特性[9-11]引入冗余數(shù)據(jù)，干擾精準數(shù)據(jù)離散循跡特征的對比識別。從而保證輸出的循跡檢測結(jié)果的精準度[12-14]。

ty代表離散循跡信號。離散后的信號隸屬于正弦零均值信號，對其進行變換權(quán)值系數(shù)的賦予權(quán)限并輸出。

循跡數(shù)據(jù)傅里葉變換輸出程序閉環(huán)變換功能實現(xiàn)分為以下 3 個步驟：

1)對載入的離散循跡信號o0進行傅里葉信號振蕩，振蕩后得到傅里葉變換信號o0g，對載入離散循跡信號的振蕩頻率與幅值進行計算[15-18]。

(3)

式中，s0、sl、ml代表傅里葉系數(shù)，ξ代表程序變換過程中載入的預置角頻率。

2)在計算環(huán)境中釋放一個小幅值、頻率一致的測試信號tv，利用測試信號獲得循跡信號測試載入接口與識別輸出接口之間的數(shù)據(jù)精度相位差與優(yōu)化比[19-21]。

tv=Svsin(ξy+φv)

(4)

式中，對幅值Sv取值范圍設(shè)置為15%～25%；最大化匹配相近的循跡數(shù)據(jù)相位φv，保證振蕩信號在變換過程中的精度損失最小。將變換后的數(shù)據(jù)信號進行輸出前的二次傅里葉變換，可得到：

(5)

od=Sdsin(ξy+φs)

(6)

由此程序可通過變換計算獲得相位差φdv=φd-φv與增益比i=Sd/Sv兩組變換核心數(shù)據(jù)量。

3)進一步，程序可通過相位差計算，獲得優(yōu)化后的循跡數(shù)據(jù)識別輸出信號為：

(7)

4 對比實驗

對設(shè)計的基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)多旋翼無人機循跡效率進行對比實驗。

4.1 實驗設(shè)計

實驗采用對比方式來進行，實驗共分為兩個部分，分別為多旋翼無人機循跡檢測精度對比實驗與多旋翼無人機循跡檢測響應對比實驗，然后通過多旋翼無人機循跡效率公式計算得出實驗系統(tǒng)的循跡效率，根據(jù)效率值得出實驗結(jié)論。

具體實驗步驟如下：

1)利用X86架構(gòu)計算與Windows平臺構(gòu)建測試環(huán)境，并將設(shè)計系統(tǒng)接入測試環(huán)境，同時引入傳統(tǒng)無人機循跡檢測系統(tǒng)作為對比實驗系統(tǒng)；

2)在測試環(huán)境中導入一組常規(guī)型多旋翼無人機飛行數(shù)據(jù)；

3)分別由設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)進行循跡數(shù)據(jù)的精度檢測，數(shù)據(jù)采用隨機抽取的方式獲得。抽取樣本數(shù)據(jù)量為10；

4)對比數(shù)據(jù)得出小結(jié)實驗結(jié)論；

5)在相同環(huán)境條件下，分別獲取設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)循跡數(shù)據(jù)的響應數(shù)據(jù)；

6)對比數(shù)據(jù)得出小結(jié)實驗結(jié)論；

7)根據(jù)無人機循跡效率公式計算得出實驗系統(tǒng)的循跡效率；

對比效率值，得出最終實驗結(jié)論。

4.2 設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)循跡檢測精度對比實驗

根據(jù)上述4.1實驗步驟，得到設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)循跡檢測精度對比結(jié)果，如表1所示。

表1 設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)

通過對比表1中的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提出設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)o人機軌跡數(shù)據(jù)檢測識別誤差控制在0.010～0.090 m范圍內(nèi)，在循跡檢測誤差實量轉(zhuǎn)換下的誤差控制范圍小于0.1 m；相比之下，傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)的無人機國際數(shù)據(jù)檢測識別誤差范圍較大，且不穩(wěn)定；基于上述數(shù)據(jù)對比，可證明設(shè)計系統(tǒng)具有改善循跡檢測精度的效果。

4.3 設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)循跡檢測響應對比實驗

根據(jù)上述4.1實驗步驟，得到設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)循跡檢測響應對比結(jié)果，如表2所示。

表2 設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)

通過表2實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，提出設(shè)計的基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)，在循跡檢測響應時間上，明顯快于傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)，且響應時間毫秒值提升效果明顯，由此可證，在此次實驗中，設(shè)計的基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)通過了多旋翼無人機循跡檢測響應測試。

4.4 循跡檢測效率數(shù)據(jù)計算

對上述兩組實驗中表1、表2的結(jié)果數(shù)據(jù)進行多旋翼無人機循跡檢測效率計算，通過計算獲得設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)的檢測效率，計算公式如下：

(8)

式中，F(xiàn)代表多旋翼無人機循跡檢測效率；Q代表多旋翼無人機循跡檢測精度；T代表多旋翼無人機循跡檢測響應系數(shù)。根據(jù)公式得到計算后的設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)的檢測效率，如表3所示。

表3 設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡

4.5 綜合實驗結(jié)論

綜上所述，根據(jù)表3計算結(jié)果可以看出，提出設(shè)計基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)，循跡檢測整體效率較傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測效率提升效果明顯。由此可以證明，提出設(shè)計的基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)，滿足設(shè)計與實際應用要求，具有較高的推廣性與應用性。

5 結(jié)束語

文章對傳統(tǒng)多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)存在的問題進行了深入研究，針對性提出了基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)設(shè)計，并對設(shè)計系統(tǒng)的硬件與軟件功能、結(jié)構(gòu)進行了詳細描述。通過對比實驗數(shù)據(jù)證明了提出設(shè)計的有效性?；陔x散傅里葉變換的多旋翼無人機循跡檢測系統(tǒng)設(shè)計的提出與完成，為無人機循跡研究與應用，提供了新的研究思路與應用解決方案。