楊 倩，王艷娥，梁 艷，司海峰

(西安思源學(xué)院 理工學(xué)院，西安 710038)

0 引言

移動群智感知是一種新型的數(shù)據(jù)信息感知作用機制，它利用廣泛存在的智能傳感設(shè)備對采集到的感知數(shù)據(jù)進行處理。移動群智感知系統(tǒng)具有部署成本低、運行速率快、感知準(zhǔn)確性高、覆蓋面積大等多項應(yīng)用優(yōu)勢。常規(guī)的移動群智感知系統(tǒng)同時包含數(shù)據(jù)采集者、任務(wù)發(fā)布者、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺三類結(jié)構(gòu)[1]。其中，數(shù)據(jù)采集者負責(zé)接收已發(fā)布的任務(wù)指令，并根據(jù)服務(wù)需求收集待處理感知數(shù)據(jù)，以供服務(wù)平臺主機的調(diào)取與利用；任務(wù)發(fā)布者負責(zé)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺中發(fā)布執(zhí)行任務(wù)，并可以按照具體實踐情況，修改已發(fā)布任務(wù)的執(zhí)行進程[2]；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺作為數(shù)據(jù)采集者與任務(wù)發(fā)布者之間的過渡結(jié)構(gòu)，負責(zé)對感知數(shù)據(jù)進行處理，并可以借助傳輸信道，將這些信息文件反饋給執(zhí)行主機。

多旋翼無人機是具有三個或三個以上獨立旋翼軸的無人駕駛型直升機飛行器，依靠軸電動機的轉(zhuǎn)動帶動獨立旋翼進行旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生向上的升推力。由于旋翼軸間距始終固定，所以改變旋翼之間的相對轉(zhuǎn)速水平，就可以改變軸向推進力的數(shù)值大小，進而調(diào)節(jié)無人機飛行器的實際運行軌跡[3]。在多旋翼無人機運動過程中，蒙皮結(jié)構(gòu)、加筋板結(jié)構(gòu)、典型壁板結(jié)構(gòu)內(nèi)部噪聲信號的布局形式總是保持不斷變化的狀態(tài)，易使噪聲信號波動幅值持續(xù)增大，對多旋翼無人機的穩(wěn)定運動能力造成影響。傳統(tǒng)模糊邏輯控制方法采用一種模型概率的非線性映射處理方法實時篩選模型子集，剔除無用模型，增加有用模型的權(quán)重，并通過模糊推理機制自動調(diào)整過程噪聲水平，以此實現(xiàn)噪聲控制。但是在該方法應(yīng)用后，多旋翼無人機噪聲幅值依舊保持在較高水平，實際應(yīng)用效果并不好[4]。為解決上述問題，以移動群智感知作用機制為基礎(chǔ)，設(shè)計一種新型的多旋翼無人機噪聲控制方法。

1 噪聲信號布局分析

由于多旋翼無人機噪聲信號的傳輸行為規(guī)律性不明顯，為了更好地獲取噪聲信號位置，還應(yīng)分析信號參量在蒙皮結(jié)構(gòu)、加筋板結(jié)構(gòu)、典型壁板結(jié)構(gòu)內(nèi)的布局形式。

1.1 無人機蒙皮結(jié)構(gòu)

多旋翼無人機蒙皮結(jié)構(gòu)(如圖1所示)是一塊完整的薄板，其外表面為獨立絕緣層(圖1中的虛線框架)，因此不具備傳導(dǎo)噪聲信號的能力，故而噪聲信號傳導(dǎo)行為只發(fā)生在蒙皮結(jié)構(gòu)內(nèi)表面(圖1中的實線框架)[5]?？紤]到移動群智感知機制對噪聲信號傳輸行為的影響，規(guī)定由左至右的方向為信號傳輸正方向，且整個無人機蒙皮結(jié)構(gòu)內(nèi)部不存在噪聲信號的負向傳輸行為。

圖1 蒙皮結(jié)構(gòu)內(nèi)的噪聲信號布局

若多旋翼無人機的行進運動方向發(fā)生改變，則X、Y、Z三個空間坐標(biāo)軸的定義方向也會隨著出現(xiàn)變化，為避免噪聲信號在蒙皮結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳輸方向發(fā)生改變，默認在運動過程中，只有獨立絕緣層的存在方向會出現(xiàn)變化，而內(nèi)表面存在方向始終保持不變[6]。

1.2 無人機加筋板結(jié)構(gòu)

如圖2所示,多旋翼無人機加筋板結(jié)構(gòu)包含完整的蒙皮結(jié)構(gòu)和兩根平行筋條，可以在維持噪聲信號正向傳輸行為的同時，避免噪聲波幅值出現(xiàn)明顯增大的變化，一方面為無人機飛行器提供一個相對穩(wěn)定的運動環(huán)境，另一方面也可以將蒙皮結(jié)構(gòu)內(nèi)暫存的噪聲信號提取出來，使得主機元件可對這些信號參量進行按需分配與處理[7-8]。

圖2 加筋板結(jié)構(gòu)內(nèi)的噪聲信號布局

在實際傳輸過程中，加筋板結(jié)構(gòu)內(nèi)噪聲信號傳輸正方向與X坐標(biāo)軸、Y坐標(biāo)軸、Z坐標(biāo)軸之間的夾角數(shù)值完全相等。

1.3 無人機典型壁板結(jié)構(gòu)

如圖3所示,多旋翼無人機典型壁板結(jié)構(gòu)采取平行筋條并列連接的方式，可以將整個蒙皮結(jié)構(gòu)分割成多個完全獨立的空間，從而使得噪聲信號在傳輸過程中的波長值水平能夠得到有效控制[9]。典型壁板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的噪聲信號始終保持首尾交替相連的傳輸形式，隨著信號傳輸時間的延遲，其波動幅值水平則呈現(xiàn)出不斷下降的變化狀態(tài)。

圖3 典型壁板結(jié)構(gòu)內(nèi)的噪聲信號布局

為實現(xiàn)對多旋翼無人機噪聲信號的準(zhǔn)確控制，信號參量在典型壁板結(jié)構(gòu)第一個獨立空間與最后一個獨立空間內(nèi)的傳輸方向必須保持一致[10]。

在分析多旋翼無人機噪聲信號在無人機蒙皮結(jié)構(gòu)、加筋板結(jié)構(gòu)、典型壁板結(jié)構(gòu)內(nèi)的布局形式為基礎(chǔ)上，提取無人機板狀結(jié)構(gòu)的振動特性，以期為后續(xù)的噪聲控制奠定堅實的基礎(chǔ)。

1.4 板狀結(jié)構(gòu)振動特性

板狀結(jié)構(gòu)作為多旋翼無人機的核心組成裝置，具有過濾噪聲信號的作用。在電感元件的作用下，入射噪聲信號波段會經(jīng)過多次折射，當(dāng)直接反射輸出量與結(jié)構(gòu)元件自身的信號感應(yīng)能力相匹配時，板狀結(jié)構(gòu)對于噪聲信號的吸收能力最強，輸出噪聲信號也就不會對多旋翼無人機的穩(wěn)定飛行能力造成影響[11-12]。詳細的多旋翼無人機噪聲信號傳播原理如圖4所示。

圖4 多旋翼無人機噪聲信號傳播示意圖

在移動群智感知機制的作用下，可將板狀結(jié)構(gòu)振動特性表達式定義為：

(1)

2 多旋翼無人機噪聲控制原理

為實現(xiàn)對多旋翼無人機噪聲信號的有效控制，需要根據(jù)板狀結(jié)構(gòu)的振動特性，研究同步開關(guān)阻尼、短路開關(guān)阻尼、電感開關(guān)阻尼、外加電壓源開關(guān)阻尼的定義表達式，以此為后續(xù)的控制任務(wù)調(diào)度奠定堅實的基礎(chǔ)。

2.1 同步開關(guān)阻尼

多旋翼無人機噪聲信號的傳輸能力會因同步開關(guān)阻尼行為的變化而發(fā)生改變，故而求解同步開關(guān)阻尼表達式，能夠確定噪聲信號在單位波動區(qū)間內(nèi)的幅值水平，從而實現(xiàn)對噪聲波動行為的有效控制。同步開關(guān)阻尼以同步控制思想作為切入點，可以根據(jù)多旋翼無人機噪聲信號的波動特征，判斷板狀結(jié)構(gòu)振動特性的合理性[13]。若將多旋翼無人機板狀結(jié)構(gòu)振動特性視為已知條件，則可認為改變同步開關(guān)阻尼條件既可以控制噪聲信號的傳輸頻率，也能夠有效壓縮波動幅值。

無人機噪聲信號同步開關(guān)阻尼定義式為：

(2)

其中:λ1表示噪聲信號的振動系數(shù)，s1表示振幅基向量，κ1表示噪聲信號的波動系數(shù)，d1表示波動傳輸基向量，ι表示波幅參量的初始賦值，lι表示基于系數(shù)ι的噪聲信號波動特征。對于多旋翼無人機噪聲信號而言，同步開關(guān)阻尼表達式的計算數(shù)值受到板狀結(jié)構(gòu)振動特性的直接影響。

2.2 短路開關(guān)阻尼

受到移動群智感知機制的影響，在多旋翼無人機行進過程中，噪聲信號傳輸耗能與電能累積量始終保持持平，因此通過局部短路的方式，促使電能累積量持續(xù)增大，可以提高噪聲信號的傳輸耗能水平，從而使得主機元件能夠準(zhǔn)確掌握噪聲信號傳輸行為，并對其進行針對性控制。與同步開關(guān)阻尼思想相比，根據(jù)短路開關(guān)阻尼表達式所制定的噪聲控制方法目的性更強，因此其實際控制效果也就更為明顯[14-15]。用λ2表示局部短路系數(shù)，s2表示噪聲信號的具備感應(yīng)特征，f表示短路情況下的噪聲信號累積系數(shù)，θ表示直流噪聲信號與短路噪聲信號的傳輸交角，cosθ表示角θ的余弦值。

無人機噪聲信號短路開關(guān)阻尼定義式為：

(3)

由于多旋翼無人機的行進速率始終保持變化狀態(tài)，所以傳輸交角數(shù)值也不能保持穩(wěn)定，但其變化范圍始終保持在(15°，105°)的數(shù)值區(qū)間內(nèi)。

2.3 電感開關(guān)阻尼

(4)

受到無人機板狀結(jié)構(gòu)振動特性的影響，電感開關(guān)阻尼表達式的計算取值始終小于同步開關(guān)阻尼與短路開關(guān)阻尼。

2.4 外加電壓源開關(guān)阻尼

無人機噪聲信號外加電壓源開關(guān)阻尼定義式為：

(5)

為控制外加電壓源開關(guān)阻尼表達式取值為負，要求s4系數(shù)的取值也必須小于“0”。

根據(jù)同步開關(guān)阻尼、短路開關(guān)阻尼、電感開關(guān)阻尼與外加電壓源開關(guān)阻尼計算結(jié)果，構(gòu)建多旋翼無人機噪聲控制模型，該模型的具體描述如下：

W=KP(w1a1-w2a2)+KIw3a3+KDw4a4

(6)

其中:KP、KI、KD分別表示PID控制器不同的參數(shù)，w1、w2、w3、w4分別表示同步開關(guān)阻尼、短路開關(guān)阻尼、電感開關(guān)阻尼與外加電壓源開關(guān)阻尼權(quán)重。

3 基于移動群智感知的噪聲控制任務(wù)調(diào)度

為實現(xiàn)對多旋翼無人機噪聲的有效控制，應(yīng)綜合考慮同步開關(guān)阻尼、短路開關(guān)阻尼、電感開關(guān)阻尼與外加電壓源開關(guān)阻尼計算結(jié)果，生成多旋翼無人機噪聲控制任務(wù)，利用移動群智感知對噪聲控制任務(wù)進行調(diào)度，保證噪聲控制質(zhì)量與效率。移動群智感知算法的作用下，無人機噪聲控制任務(wù)的調(diào)度處理由群節(jié)點定義、感知任務(wù)分配、調(diào)度性能指標(biāo)計算三個環(huán)節(jié)共同組成，本節(jié)將針對上述內(nèi)容展開研究。

3.1 群節(jié)點定義

在移動群智感知機制中，群節(jié)點部署形式與待調(diào)度任務(wù)指令的排列形式完全一致，一般來說，除去輸入節(jié)點“0”、輸出節(jié)點“e”之外，整個樹狀群節(jié)點組織(如圖5所示)至少還需包含三個層級連接結(jié)構(gòu)?！?”輸入節(jié)點與第一層節(jié)點群組相連，前者負責(zé)接收主機元件輸出的調(diào)度任務(wù)執(zhí)行指令，后者負責(zé)分類儲存這些數(shù)據(jù)信息參量；第一層節(jié)點群組與第二層節(jié)點群組相連，兩者共同組成了樹狀群節(jié)點組織的中間過渡結(jié)構(gòu)[20-21]；第三層節(jié)點群組的個數(shù)值是第二層節(jié)點群組的二倍，兩者相結(jié)合能夠準(zhǔn)確描述出任務(wù)調(diào)度指令所處的實際執(zhí)行狀態(tài)；“e” 輸出節(jié)點存在于樹狀群節(jié)點組織的最末端，可以根據(jù)移動群智感知機制的作用形式，對任務(wù)調(diào)度指令數(shù)據(jù)進行重排處理。

圖5 移動群智感知節(jié)點部署

α表示過渡節(jié)點個數(shù)的初始值，n表示系數(shù)α的最大取值，qo表示“0”輸入節(jié)點編碼系數(shù)，qe表示“e”輸出節(jié)點編碼系數(shù)，χ0表示系數(shù)qo的譯碼特征，χe表示系數(shù)qe的譯碼特征。聯(lián)立上述物理量，得到移動群智感知機制的群節(jié)點定義條件W如下：

(7)

為保證樹狀群節(jié)點組織的穩(wěn)定性，要求系數(shù)n的取值必須大于已連接層級結(jié)構(gòu)的個數(shù)值。

3.2 感知任務(wù)分配

(8)

在移動群智感知機制的認知中，只有擴大感知任務(wù)分配條件對于數(shù)據(jù)信息參量的容納能力，才能實現(xiàn)對多旋翼無人機噪聲信號傳輸行為的有效控制。

3.3 調(diào)度性能指標(biāo)

對于多旋翼無人機噪聲信號而言，任務(wù)調(diào)度思想的主要目的就是約束移動群智感知機制的作用能力，由于噪聲信號的傳輸行為與存儲形式并不唯一，故而在定義調(diào)度性能指標(biāo)時，要求所選取數(shù)據(jù)的信息參量必須具有較強的容錯性[24-25]。用ε、γ分別表示兩個隨機選取的調(diào)度任務(wù)規(guī)劃向量，且ε≠γ的不等式條件恒成立，uε表示基于向量ε的噪聲信號感知系數(shù)，uγ表示基于向量γ的噪聲信號感知系數(shù)，φ表示基于移動群智感知的噪聲信號容錯參量，φ表示既定的調(diào)度任務(wù)數(shù)據(jù)規(guī)劃殘差值，聯(lián)立公式(8)，可將調(diào)度性能指標(biāo)求解表達式定義為：

(9)

若將多旋翼無人機噪聲信號作為唯一的參考變量，則可認為在移動群智感知機制的作用下，聯(lián)合感知任務(wù)分配條件，對調(diào)度性能指標(biāo)進行提取處理，就可以準(zhǔn)確定義任務(wù)數(shù)據(jù)信息的實際傳輸形式，從而避免對單一噪聲信號進行重復(fù)標(biāo)記。

通過上述過程實現(xiàn)多旋翼無人機控制任務(wù)調(diào)度，保證多旋翼無人機噪聲控制效果，提升多旋翼無人機工作質(zhì)量與效率。

4 實例分析

4.1 器材選用

選擇Phantom 4 Pro V2.0型多旋翼無人機飛行器作為實驗對象。飛行器實物圖與實際飛行圖如圖6與圖7所示。

圖6 飛行器實物圖

圖7 實際飛行圖

將MicW——i437L傳聲器放置在所選取的無人機飛行器之上，調(diào)節(jié)各項飛行示數(shù)，使得無人機保持相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)。表1反映了實驗過程中的相關(guān)實驗參量的設(shè)置數(shù)值。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

出于公平性考慮，基于移動群智感知的多旋翼無人機噪聲控制技術(shù)、模糊邏輯控制方法參量指標(biāo)數(shù)值始終保持一致。

4.2 飛行軌跡規(guī)劃

通過遙控器設(shè)備調(diào)節(jié)多旋翼無人機的飛行高度，忽略外界風(fēng)力等干擾性因素的影響，認定無人機飛行器在噪聲監(jiān)測過程中始終保持絕對穩(wěn)定的運動狀態(tài)。在飛行場地上選取一個節(jié)點作為測量基站，以基站節(jié)點為源點，選取固定空間區(qū)域作為噪聲信號接收區(qū)，記錄當(dāng)多旋翼無人機路過該區(qū)域時，其噪聲波動幅值分別在X軸、Y軸、Z軸方向上的數(shù)值變化情況，如圖8所示。

圖8 多旋翼無人機的飛行軌跡

由于外部噪聲干擾行為的作用方向并不固定，所以測量所得噪聲信號波動幅值在X軸、Y軸、Z軸方向上都會出現(xiàn)變化。

4.3 測試案例

存在外部噪聲干擾的情況下，基站節(jié)點所檢測到的無人機噪聲信號波動幅值可以用來描述多旋翼無人機飛行器的運動穩(wěn)定性。一般來說，基站節(jié)點所檢測到的無人機噪聲信號波動幅值越小，就表示多旋翼無人機飛行器的運動穩(wěn)定性越強；反之，若基站節(jié)點所檢測到的無人機噪聲信號波動幅值相對較大，則表示多旋翼無人機飛行器的運動穩(wěn)定性也就較弱。

首先，令基站主機按照實驗組控制方法檢測無人機噪聲信號幅值；然后，再令基站主機按照模糊邏輯控制控制方法檢測無人機噪聲信號幅值；最后，對比實驗組、模糊邏輯控制檢測數(shù)值，總結(jié)實驗規(guī)律。

非干擾情況下的無人機噪聲信號幅值如圖9所示。

圖9 非干擾情況下的無人機噪聲信號幅值

分析圖9可知，非干擾情況下無人機噪聲信號幅值在X軸方向上的均值水平最高、在Z軸方向上的均值水平最低，但明顯Z軸方向上噪聲信號幅值的數(shù)值變化態(tài)勢更為平穩(wěn)。

不同方法的無人機噪聲信號幅值的實驗數(shù)值如表2所示。

表2 無人機噪聲信號幅值的實驗數(shù)值

實驗組：在實驗過程中，移動群智感知方法應(yīng)用后，無人機噪聲信號幅值的變化態(tài)勢始終與非干擾情況下的信號幅值變化態(tài)勢保持一致，但很明顯移動群智感知方法的均值水平更低。實驗組X軸最大值90.5 dB、Y軸最大值69.3 dB、Z軸最大值30.2 dB，遠小于非干擾情況下的X軸最大值108.3 dB、Y軸最大值88.2 dB、Z軸最大值51.8 dB。

模糊邏輯方法應(yīng)用后的無人機噪聲信號幅值的變化態(tài)勢也與非干擾情況下的信號幅值變化態(tài)勢保持一致，但其均值水平卻相對較高。模糊邏輯方法的X軸最大值160.6 dB、Y軸最大值91.7 dB、Z軸最大值66.4 dB，高于非干擾情況下的X軸最大值108.3 dB、Y軸最大值88.2 dB、Z軸最大值51.8 dB，更遠高于實驗組數(shù)值水平。

綜上可知，本次實驗結(jié)論為：

1)模糊邏輯控制方法并不能有效控制無人機噪聲信號幅值在X軸、Y軸、Z軸方向上的數(shù)值水平，在維持多旋翼無人機穩(wěn)定運動方面的實際應(yīng)用能力相對較弱；

2)移動群智感知方法在有效控制無人機噪聲信號幅值方面的應(yīng)用能力較強，可以保證X軸、Y軸、Z軸方向上噪聲信號波動幅值始終處于較低水平，符合保障多旋翼無人機穩(wěn)定運動的實際應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

與模糊邏輯控制方法相比，新型多旋翼無人機噪聲控制方法在移動群智感知機制的基礎(chǔ)上，通過改變調(diào)度性能指標(biāo)取值的方式，并根據(jù)板狀結(jié)構(gòu)振動特性，確定同步開關(guān)阻尼、短路開關(guān)阻尼、電感開關(guān)阻尼、外加電壓源開關(guān)阻尼的計算表達式，又以蒙皮結(jié)構(gòu)、加筋板結(jié)構(gòu)、典型壁板結(jié)構(gòu)為例，規(guī)劃了噪聲信號的實時布局形式。在實際應(yīng)用方面，這種新型控制方法可以保證無人機噪聲信號波動幅值在各個傳輸方向上始終處于相對較低的數(shù)值狀態(tài)，對于維持多旋翼無人機的穩(wěn)定運動能力起到較強的促進性作用。