基于發射功率自適應的無人機圖傳系統節能方法*

王帥凡, 曾國輝, 吳 迪, 趙 威, 黃 勃, 韋 鈺

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201600)

0 引 言

微小型無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)在航拍、電力監測等諸多領域廣泛應用[1]，其主任務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,即續航時間短[3，4]。對此，國內外許多研究主要集中在總體參數優化和動力系統優化兩方面。如文獻[5]中利用遺傳算法對無人機總體參數進行了優化；文獻[6]通過建模分析對無人機動力系統進行了優化。

隨著圖像質量和傳輸距離上升，無人機圖像傳輸系統能耗相應上升，文獻[3]指出航拍無人機用于圖像傳輸的電能占無人機總電能的20 %。因此,由圖傳系統對無人機進行節能具有研究價值。現有產品中，無人機圖傳發射機的發射功率多為恒定，文獻[7，8]提出利用發射功率自適應方法可有效降低發射機能耗，發射功率自適應也符合無人機情景感知和智能控制的發展要求[9，10]。本文據此提出利用發射功率自適應方法對無人機圖傳系統進行能耗優化。

1 數學建模

無人機圖傳系統一般由發射機和接收機兩部分組成，發射機固定于無人機，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，無人機圖傳系統單指圖傳系統的發射機部分。發射機的能量消耗主要來自于兩部分：基礎工作電路和射頻放大電路，基礎工作電路用于前期的信號處理，工作功率相對穩定；射頻放大電路將前期信號轉換為射頻信號并放大發射，主要由射頻功率放大器組成，原理是將直流輸入功率轉換為射頻輸出功率。本文所述發射功率指射頻輸出功率。在轉換效率固定時，射頻輸出功率的變化會引發直流輸入功率的變化，使無人機圖傳系統的整體工作功率發生變化。因此，圖傳系統的發射功率若能根據工作情境自適應調節，就能適時改變直流電源的輸入功率，從而幫助圖傳系統進行能耗優化。

目前關于無人機圖傳發射功率的數學模型不多，本文優先建立一個關于發射功率的數學模型。發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射功率，亦即本文發射功率自適應調節的理想值。故本文從路徑損耗、接收靈敏度模型入手建立理想發射功率模型。

1.1 路徑損耗模型

選取Okumura-Hata模型[11]作為發射功率模型的參考模型之一，其標準公式為

(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[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；G為射頻前端增益;δ為監測信噪比；NFAD為A/D的噪聲系數

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，Fs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聯，一旦芯片選定，大部分參數值即確定。參考文獻[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 理想發射功率模型

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

(4)

2 自適應方案分析

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

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

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

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

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

圖1 各變量與發射功率關系

由圖1可以看出，在取值范圍內，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變化，但飛行高度受國家政策和動力系統等條件限制，同時影響力低于水平距離，所以,選取水平傳輸距離L作為發射功率自適應的參考標準。即確定本文的功率自適應方案為以水平傳輸距離作為參考標準，調節發射功率，使兩者合理匹配，在傳輸距離變小(變大)時降低(增大)發射功率，達到節約能量的目的。

3 算例分析

3.1 計算原理

射頻功率放大器的本質是將直流功率轉換為射頻功率[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，對應上文所述發射功率Pf,Pdc為直流功率，對應無人機電池的輸出功率。可知，在射頻功放效率一定的情況下，Pdc會隨Po變化而相應變化，這是功率自適應節約電能的關鍵。

計算圖傳系統能耗需要計算射頻功放能耗，在輸出功率(發射功率)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。經過對現有圖傳發射終端功放效率調研，獲得相應數據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系為

ηc=0.004PF+12.48

(5)

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

至此，基本模型建立完成，開始進行自適應節能效果計算。由于以水平傳輸距離L作為發射功率自適應的參考標準，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經式(4)可以求得不同的發射功率Pf，由式(5)，求得對應的功放效率，根據工作時長便可計算出圖傳系統發射端的電能消耗量Ez(W·h)

Ez=(Pf/ηs+600)/1 000×t

(6)

式中ηs為對應的功放效率；600為發射電路板基礎功率，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，要轉換為mW單位，轉換公式為Pf(mW)=10Pf/10。

3.2 結果分析

參考文獻[14]制定兩種無人機航拍方式，并分別計算自適應圖傳發射系統的節能效果。

1)假設飛行最遠水平距離為3 km，分別在距接收點水平距離1，2，3 km處設置3個固定拍攝點，每個拍攝點規定3 min的懸停拍攝時長，其他飛行時段圖傳系統不工作。

a.非自適應模式下，為保證最遠傳輸距離時能接收到信號，通常按照最遠距離3 km來設置發射功率，即以3 km時的發射功率工作9 min，經計算電能消耗量為0.222 W·h。

b.自適應模式下，分別在1,2,3 km處以不同的發射功率工作，經計算1，2，3 km處的電能消耗量相加，計算結果如表1所示。

表1 方式(1)下自適應發射系統耗電量數據表

由結果可以算出，此種航拍方式下，采用發射功率自適應以后，完成相同任務，節約了原電能的35 %。

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

a.非自適應模式下，按照最遠距離5 km來設置發射功率，即以5 km時的發射功率工作30 min，經計算電能消耗量為2.2 W·h。

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

表2 方式(2)下低自適應精度發射系統耗電量數據

由結果可以算出，在此種工作方式下，采用較低精度的發射功率自適應后，完成相同任務，節約了原電能的54.5 %。同時，對比表1和表2可發現，隨著最遠傳輸距離的上升，節電量比例也在上升。

同樣在方式(2)下，考慮增加自適應精度，將5 km以0.5 km為步長分為10個梯度進行功率自適應，每3 min飛行0.5km，每0.5 km內以同一發射功率工作，其他假設不變。計算結果為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)。

由結果看出，采用較高精度的發射功率自適應后，節約了原電能的59.5 %；相較于較低精度的發射功率自適應方式，也節約了約10.6 %的電能。

4 結 論

結合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的理想發射功率模型。以傳輸距離作為參考標準的發射功率自適應方案可以有效降低無人機圖傳系統的能耗。3～5 km內的功率自適應調節，可節省原發射系統30 %以上的能量，且伴隨自適應精度和最遠傳輸距離的增加，節能效果提升。但本文中發射功率模型是在Hata模型的基礎上建立，覆蓋范圍不足；同時，在接收靈敏度模型和可調參數上進行了一定程度的簡化，模型精度有待完善。在后期研究中，圖傳系統的能耗優化模型應結合無人機動力系統進行更深入的研究。