基于移動群智感知的多旋翼無人機噪聲控制技術

楊 倩，王艷娥，梁 艷，司海峰

(西安思源學院 理工學院，西安 710038)

0 引言

移動群智感知是一種新型的數據信息感知作用機制，它利用廣泛存在的智能傳感設備對采集到的感知數據進行處理。移動群智感知系統具有部署成本低、運行速率快、感知準確性高、覆蓋面積大等多項應用優勢。常規的移動群智感知系統同時包含數據采集者、任務發布者、網絡服務平臺三類結構[1]。其中，數據采集者負責接收已發布的任務指令，并根據服務需求收集待處理感知數據，以供服務平臺主機的調取與利用；任務發布者負責在網絡服務平臺中發布執行任務，并可以按照具體實踐情況，修改已發布任務的執行進程[2]；網絡服務平臺作為數據采集者與任務發布者之間的過渡結構，負責對感知數據進行處理，并可以借助傳輸信道，將這些信息文件反饋給執行主機。

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，依靠軸電動機的轉動帶動獨立旋翼進行旋轉，從而產生向上的升推力。由于旋翼軸間距始終固定，所以改變旋翼之間的相對轉速水平，就可以改變軸向推進力的數值大小，進而調節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，蒙皮結構、加筋板結構、典型壁板結構內部噪聲信號的布局形式總是保持不斷變化的狀態，易使噪聲信號波動幅值持續增大，對多旋翼無人機的穩定運動能力造成影響。傳統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，增加有用模型的權重，并通過模糊推理機制自動調整過程噪聲水平，以此實現噪聲控制。但是在該方法應用后，多旋翼無人機噪聲幅值依舊保持在較高水平，實際應用效果并不好[4]。為解決上述問題，以移動群智感知作用機制為基礎，設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律性不明顯，為了更好地獲取噪聲信號位置，還應分析信號參量在蒙皮結構、加筋板結構、典型壁板結構內的布局形式。

1.1 無人機蒙皮結構

多旋翼無人機蒙皮結構(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)，因此不具備傳導噪聲信號的能力，故而噪聲信號傳導行為只發生在蒙皮結構內表面(圖1中的實線框架)[5]。考慮到移動群智感知機制對噪聲信號傳輸行為的影響，規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構內部不存在噪聲信號的負向傳輸行為。

圖1 蒙皮結構內的噪聲信號布局

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

1.2 無人機加筋板結構

如圖2所示,多旋翼無人機加筋板結構包含完整的蒙皮結構和兩根平行筋條，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明顯增大的變化，一方面為無人機飛行器提供一個相對穩定的運動環境，另一方面也可以將蒙皮結構內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 加筋板結構內的噪聲信號布局

在實際傳輸過程中，加筋板結構內噪聲信號傳輸正方向與X坐標軸、Y坐標軸、Z坐標軸之間的夾角數值完全相等。

1.3 無人機典型壁板結構

如圖3所示,多旋翼無人機典型壁板結構采取平行筋條并列連接的方式，可以將整個蒙皮結構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]。典型壁板結構內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出不斷下降的變化狀態。

圖3 典型壁板結構內的噪聲信號布局

為實現對多旋翼無人機噪聲信號的準確控制，信號參量在典型壁板結構第一個獨立空間與最后一個獨立空間內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構、加筋板結構、典型壁板結構內的布局形式為基礎上，提取無人機板狀結構的振動特性，以期為后續的噪聲控制奠定堅實的基礎。

1.4 板狀結構振動特性

板狀結構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過多次折射，當直接反射輸出量與結構元件自身的信號感應能力相匹配時，板狀結構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，可將板狀結構振動特性表達式定義為：

(1)

2 多旋翼無人機噪聲控制原理

為實現對多旋翼無人機噪聲信號的有效控制，需要根據板狀結構的振動特性，研究同步開關阻尼、短路開關阻尼、電感開關阻尼、外加電壓源開關阻尼的定義表達式，以此為后續的控制任務調度奠定堅實的基礎。

2.1 同步開關阻尼

多旋翼無人機噪聲信號的傳輸能力會因同步開關阻尼行為的變化而發生改變，故而求解同步開關阻尼表達式，能夠確定噪聲信號在單位波動區間內的幅值水平，從而實現對噪聲波動行為的有效控制。同步開關阻尼以同步控制思想作為切入點，可以根據多旋翼無人機噪聲信號的波動特征，判斷板狀結構振動特性的合理性[13]。若將多旋翼無人機板狀結構振動特性視為已知條件，則可認為改變同步開關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阻尼定義式為：

(2)

其中:λ1表示噪聲信號的振動系數，s1表示振幅基向量，κ1表示噪聲信號的波動系數，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，同步開關阻尼表達式的計算數值受到板狀結構振動特性的直接影響。

2.2 短路開關阻尼

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。與同步開關阻尼思想相比，根據短路開關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，s2表示噪聲信號的具備感應特征，f表示短路情況下的噪聲信號累積系數，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，所以傳輸交角數值也不能保持穩定，但其變化范圍始終保持在(15°，105°)的數值區間內。

2.3 電感開關阻尼

(4)

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

2.4 外加電壓源開關阻尼

無人機噪聲信號外加電壓源開關阻尼定義式為：

(5)

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

根據同步開關阻尼、短路開關阻尼、電感開關阻尼與外加電壓源開關阻尼計算結果，構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，w1、w2、w3、w4分別表示同步開關阻尼、短路開關阻尼、電感開關阻尼與外加電壓源開關阻尼權重。

3 基于移動群智感知的噪聲控制任務調度

為實現對多旋翼無人機噪聲的有效控制，應綜合考慮同步開關阻尼、短路開關阻尼、電感開關阻尼與外加電壓源開關阻尼計算結果，生成多旋翼無人機噪聲控制任務，利用移動群智感知對噪聲控制任務進行調度，保證噪聲控制質量與效率。移動群智感知算法的作用下，無人機噪聲控制任務的調度處理由群節點定義、感知任務分配、調度性能指標計算三個環節共同組成，本節將針對上述內容展開研究。

3.1 群節點定義

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

圖5 移動群智感知節點部署

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

(7)

為保證樹狀群節點組織的穩定性，要求系數n的取值必須大于已連接層級結構的個數值。

3.2 感知任務分配

(8)

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

3.3 調度性能指標

對于多旋翼無人機噪聲信號而言，任務調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，故而在定義調度性能指標時，要求所選取數據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度任務規劃向量，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，uγ表示基于向量γ的噪聲信號感知系數，φ表示基于移動群智感知的噪聲信號容錯參量，φ表示既定的調度任務數據規劃殘差值，聯立公式(8)，可將調度性能指標求解表達式定義為：

(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，聯合感知任務分配條件，對調度性能指標進行提取處理，就可以準確定義任務數據信息的實際傳輸形式，從而避免對單一噪聲信號進行重復標記。

通過上述過程實現多旋翼無人機控制任務調度，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，調節各項飛行示數，使得無人機保持相對穩定的運行狀態。表1反映了實驗過程中的相關實驗參量的設置數值。

表1 實驗參數設置

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、模糊邏輯控制方法參量指標數值始終保持一致。

4.2 飛行軌跡規劃

通過遙控器設備調節多旋翼無人機的飛行高度，忽略外界風力等干擾性因素的影響，認定無人機飛行器在噪聲監測過程中始終保持絕對穩定的運動狀態。在飛行場地上選取一個節點作為測量基站，以基站節點為源點，選取固定空間區域作為噪聲信號接收區，記錄當多旋翼無人機路過該區域時，其噪聲波動幅值分別在X軸、Y軸、Z軸方向上的數值變化情況，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軸方向上都會出現變化。

4.3 測試案例

存在外部噪聲干擾的情況下，基站節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定性。一般來說，基站節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定性越強；反之，若基站節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值，總結實驗規律。

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值變化態勢更為平穩。

不同方法的無人機噪聲信號幅值的實驗數值如表2所示。

表2 無人機噪聲信號幅值的實驗數值

實驗組：在實驗過程中，移動群智感知方法應用后，無人機噪聲信號幅值的變化態勢始終與非干擾情況下的信號幅值變化態勢保持一致，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。

模糊邏輯方法應用后的無人機噪聲信號幅值的變化態勢也與非干擾情況下的信號幅值變化態勢保持一致，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，更遠高于實驗組數值水平。

綜上可知，本次實驗結論為：

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軸方向上的數值水平，在維持多旋翼無人機穩定運動方面的實際應用能力相對較弱；

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定運動的實際應用需求。

5 結束語

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上，通過改變調度性能指標取值的方式，并根據板狀結構振動特性，確定同步開關阻尼、短路開關阻尼、電感開關阻尼、外加電壓源開關阻尼的計算表達式，又以蒙皮結構、加筋板結構、典型壁板結構為例，規劃了噪聲信號的實時布局形式。在實際應用方面，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值狀態，對于維持多旋翼無人機的穩定運動能力起到較強的促進性作用。