基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閔小翠，朱 君，李 鵬,2，周益全

(1.廣州華立科技職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，廣州 511325;2.華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 511325)

0 引言

無人機(jī)作為無線信息通信技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、空氣動力學(xué)技術(shù)等多學(xué)科快速發(fā)展應(yīng)用下的綜合性產(chǎn)物，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(yīng)用價值在于無人操控的精準(zhǔn)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(biāo)任務(wù)的操作。其中，無人機(jī)飛行軌跡的循跡功能，能夠使無人機(jī)根據(jù)環(huán)境變量關(guān)系[1]，自主學(xué)習(xí)、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(biāo)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(jī)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(jī)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(dǎo)致無人機(jī)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(jī)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(jī)循跡檢測系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

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

1)基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機(jī)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(jī)軌跡進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析，利用基于傅里葉變換計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)處理器，配合多路數(shù)據(jù)離散電路，對開環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yuǎn)端大型云服務(wù)器提供數(shù)據(jù)離散轉(zhuǎn)換過程中需要的浮點(diǎn)計(jì)算能力。設(shè)計(jì)硬件功能側(cè)重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換過程中計(jì)算數(shù)據(jù)的本地?cái)?shù)據(jù)化處理。為軟件算法以及程序代碼運(yùn)行提供硬件平臺。

2)基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機(jī)循跡數(shù)據(jù)變換計(jì)算程序，即設(shè)計(jì)系統(tǒng)的算法執(zhí)行軟件。根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)，實(shí)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(jī)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(jì)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(zhǔn)度，提升系統(tǒng)對循跡任務(wù)的整體效果。

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

多旋翼無人機(jī)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(shí)現(xiàn)過程中，首先通過RX5403數(shù)據(jù)傳感器對多旋翼無人機(jī)多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)循跡數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 多旋翼無人機(jī)循跡數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)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(jī)多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)同步器。這種檢測元件具有很強(qiáng)的無線傳輸能力。RX5403數(shù)據(jù)傳感器的傳輸速率可以達(dá)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(diǎn)，過數(shù)據(jù)邏輯變阻器進(jìn)行離散前信號電路值變換，包含一組信號差量運(yùn)算，算式如下所示:

(1)

其中:Δζ代表設(shè)計(jì)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(yù)置系數(shù)，上述參數(shù)為B722 系列變阻器的系統(tǒng)預(yù)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(dú)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(jī)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蟆Ｐ盘栠m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(jī)循跡檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)離散處理程序設(shè)計(jì)

考慮到多旋翼無人機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)對稱，以此提升循跡數(shù)據(jù)識別處理的精準(zhǔn)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(jìn)行離散處理，利用設(shè)計(jì)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(jī)循跡數(shù)據(jù)的離散處理。設(shè)計(jì)程序原理與實(shí)現(xiàn)過程如下：

首先對無人機(jī)不同傳感器反饋的軌跡數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(jī)反饋數(shù)據(jù)的權(quán)值與閾值轉(zhuǎn)換為實(shí)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(shí)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(jī)循跡數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的函數(shù)進(jìn)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(yīng)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(shí)現(xiàn)的函數(shù)表達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)流程，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)離散處理程序功能實(shí)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(jì)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(biāo)、高度、氣壓等循跡相關(guān)指數(shù)信息，為了保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)最終循跡輸出結(jié)果的精準(zhǔn)滿足0.5 m級精度，將獲得分量定義為下級傅里葉變換計(jì)算的樣本數(shù)據(jù)。具體定義實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 離散分量樣本化轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)過程

3.2 循跡數(shù)據(jù)傅里葉變換輸出程序設(shè)計(jì)

完成對多旋翼無人機(jī)循跡數(shù)據(jù)的離散程序設(shè)計(jì)后，對系統(tǒng)循跡數(shù)據(jù)傅里葉變換程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)主要目的在于對離散數(shù)據(jù)傳輸通道內(nèi)的回路進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)分為以下 3 個步驟：

1)對載入的離散循跡信號o0進(jìn)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(jìn)行計(jì)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(yù)置角頻率。

2)在計(jì)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(jìn)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(jì)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(jìn)一步，程序可通過相位差計(jì)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(shí)驗(yàn)

對設(shè)計(jì)的基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡效率進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用對比方式來進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)共分為兩個部分，分別為多旋翼無人機(jī)循跡檢測精度對比實(shí)驗(yàn)與多旋翼無人機(jī)循跡檢測響應(yīng)對比實(shí)驗(yàn)，然后通過多旋翼無人機(jī)循跡效率公式計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的循跡效率，根據(jù)效率值得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)利用X86架構(gòu)計(jì)算與Windows平臺構(gòu)建測試環(huán)境，并將設(shè)計(jì)系統(tǒng)接入測試環(huán)境，同時引入傳統(tǒng)無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)作為對比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

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

3)分別由設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)進(jìn)行循跡數(shù)據(jù)的精度檢測，數(shù)據(jù)采用隨機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)論；

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

6)對比數(shù)據(jù)得出小結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論；

7)根據(jù)無人機(jī)循跡效率公式計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的循跡效率；

對比效率值，得出最終實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)循跡檢測精度對比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述4.1實(shí)驗(yàn)步驟，得到設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)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(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)

通過對比表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提出設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)o人機(jī)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(shí)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(jī)循跡檢測系統(tǒng)的無人機(jī)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(jì)系統(tǒng)具有改善循跡檢測精度的效果。

4.3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)循跡檢測響應(yīng)對比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述4.1實(shí)驗(yàn)步驟，得到設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)循跡檢測響應(yīng)對比結(jié)果，如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)

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

4.4 循跡檢測效率數(shù)據(jù)計(jì)算

對上述兩組實(shí)驗(yàn)中表1、表2的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行多旋翼無人機(jī)循跡檢測效率計(jì)算，通過計(jì)算獲得設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)的檢測效率，計(jì)算公式如下：

(8)

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

表3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡

4.5 綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜上所述，根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果可以看出，提出設(shè)計(jì)基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機(jī)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(jī)循跡檢測效率提升效果明顯。由此可以證明，提出設(shè)計(jì)的基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)，滿足設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用要求，具有較高的推廣性與應(yīng)用性。

5 結(jié)束語

文章對傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)存在的問題進(jìn)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(jī)循跡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件與軟件功能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)描述。通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了提出設(shè)計(jì)的有效性。基于離散傅里葉變換的多旋翼無人機(jī)循跡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的提出與完成，為無人機(jī)循跡研究與應(yīng)用，提供了新的研究思路與應(yīng)用解決方案。