基于迭代算法分析的無線通信信號識別研究

張慶松

(重慶科創職業學院,重慶 402160)

0 引言

當前,隨著智慧農業的不斷推動與發展,對農機裝備的監控測量精度要求不斷提高。用于我國大面積農作物培養管理的植保無人機技術逐步被推廣,減少了人工成本和勞動強度,還可以達到現代農業數字化、智能化的發展要求。隨著植保無人機的大面積應用,噴灑作業過程中發現整機的通信方面存在遲滯及通信報錯頻繁、不可預測等多種現象。為此,根據大量的農業實踐調研,結合關于通信技術領域的研究成果發現,數學分支的迭代算法是一種對目標函數通過重復遞推式計算可實現精確化地逼近或達到目標的過程。本文擬從迭代理論角度入手,對通信系統進行信號的高效處理研究。

1 植保機通信概述

植保無人機可作為自動噴灑農藥的首選農作物培育管理裝備,具有操作方便、噴灑范圍廣、多樣田地適用的優勢。其主要噴施過程是通過遠程智能操作,將載箱中的化學農藥均勻、有效地噴灑在作物表面,確保農藥噴灑的可達度與均勻性。由植保機的通信路徑原理構成(見圖1)可知:整機的通信系統及路徑確定由植保目視距離路徑和植保地面實測路徑兩大部分組成,涉及角度、距離、時延等核心信號參數數據,經通信信道模型的準確識別與迅速處理,完成通信路徑的指令輸出。

圖1 植保機的通信路徑原理構成簡圖Fig.1 Schematic diagram of the communication path principle of the plant protection machine

2 迭代算法分析應用

2.1 模型建立

以植保機通信系統功能及要求為出發點,以迭代算法處理為核心,進行植保機通信模型的信號識別分析,并著重從通信信道的資源識別、功率最優等角度出發,將獲取數據與飛行軌跡進行充分的耦合比較,以實現迭代功能的最大能效發揮。首先,從函數范值定義入手,以迭代隱射為次考慮條件,進行迭代規律的收斂意義探討。為此,搭建能夠在最小包容誤差范圍內得到的最快收斂,選定L的二次空間,建立基于函數Q(x,t)在一定區間內的模與范數之間的關系,即

(1)

式中Q(x,t) -為用于迭代模型的函數;

T-迭代運行時刻;

Rn-實數R的n維陣列;

L2-用于迭代模型的空間;

‖‖2-迭代模型函數的2范數;

‖‖L2-迭代模型函數的模;

t-迭代總時間。

根據此迭代運算關系,進行通信系統的信道頻率衰落方程建立?？紤]時延、功率及帶寬之間的關系,建立信道識別處理模型如下為

(2)

式中Bc-系統信道帶寬;

στ-系統信號的時延擴展;

τ-系統信號的瞬時時延;

τave-系統信號的平均時延;

P(τ)-系統瞬時時延功率。

在迭代模型基礎上,為了對信道信號做出精準識別,給出植保機的無線通信模型迭代算法規劃流程,如圖2所示。此過程在于將機體實際作業過程的位置與角度測量數據進行實時輸入,與基于迭代算法的通信模型中的路徑條件相比較后,做出最優通信路徑的識別決策,從而進入后續的迭代算法與控制程序環節。

圖2 植保機的無線通信模型迭代算法規劃流程簡圖Fig.2 Flow chart of iterative algorithm planning for the wireless communication model of the plant protection machine

2.2 植保機通信特性分析

考慮通信路徑的損耗影響,在進行無線通信信號識別過程中應進行一定的方法確認。圖3為基于迭代算法的無線通信信道選擇方法執行簡圖,即以植保機通信系統為對象,優化信道參數、信道質量等信號識別的主要因素,將發送端信號功率與待識別信道經原理傳輸模型與迭代算法模型相連,并由相關度信道關聯構成閉環,從而以正確、高效的信道將信號發出。

圖3 基于迭代算法的無線通信信道選擇方法執行簡圖Fig.3 Execution diagram of wireless communication channel selection method based on the iterative algorithm

為提高無線通信信號識別的準確度,以最大限度降低各信號/因素的干擾因素為目標,給出基于迭代算法的信號識別轉換設計簡圖(見圖4);同時,將迭代算法植入調制載波,經并串轉換后的信號,進入無線信道識別,其干擾信號已經被有效過濾,再次經串并轉換,各基帶顯示下的頻域執行均衡操作后可得到最佳的輸出信號。

圖4 基于迭代算法的信號識別轉換設計簡圖Fig.4 Design diagram of the signal recognition and conversion based on the iterative algorithm

2.3 植保機通信迭代設計

經無線通信信號的關鍵特性分析后,進行深入的迭代設計過程實現。選定基于迭代算法的植保機通信模塊核心參數配置列表(見表1),以KINTex-7芯片作為通信底板,選定恰當的通信路徑,針對信號的邊界獲取,結合飛行高度的漸變特性,遠程信號接收端與控制端考慮濾波與迭代的兼容性,在最大傳送路徑與備選傳送路徑中交互式進行,這對于信號識別的預處理可起到增強信道功率作用。

表1 基于迭代算法的植保機通信模塊核心參數配置列表Table 1 Configuration list of core parameters of the plant protection machine communication module based on iterative algorithm

以實現各信號識別的深度處理為目標,給出無線通信迭代的硬件布置設計,如圖5所示。此布置以內部信道輸入輸出作為體狀考慮,輸入處理的迭代計算信號與CPU處理的信號參數數據在信道參數模塊下不斷迭代,計算角度參數與功率參數,涵蓋兩次迭代計算識別,確保各信號處理的有效性、準確性,進而指導整機的信號運行穩定,實現整機作業無線控制。

圖5 植保機無線通信迭代硬件布置設計簡圖Fig.5 Hardware layout design diagram of the wireless communication iteration of the plant protection machine

3 整機通信作業

3.1 前置條件

基于上述迭代算法,進行無線通信信號識別設計。選定蔥郁密度具有代表性的一般待噴施農田,天氣與風速等條件良好,進行整機作業條件下的驗證試驗。同時,設定低空作業有效噴幅,給定主要前置條件:①整機試飛10min,各功能模塊運行正常;②通信數據顯示與輸出正常;③承載藥液量充足,確保試驗過程的連續性。

3.2 過程分析

設定以逆時針方向為正,整機作業角度的飛行角度變化為[-25°,25°],匹配相應的信道衰減頻率,得到迭代算法下的植保無人機作業試驗通信系統關鍵監測數據統計,如表2所示。由表2可以看出:由于迭代算法的融入,干擾因素降低,可實現信道誤碼率控制在2.00%以下的良好指標。其中,當作業角度為15°時,信道衰減頻率為18.44,信道誤碼率為1.93%;當作業角度為-25°時,信道衰減頻率為18.61,信道誤碼率為1.96%。兩個角度對應的信道誤碼率最大,且不超過2.00%,充分表明無線通信信號識別的準確性得到提升。

表2 迭代算法下的植保機作業試驗通信系統關鍵監測數據統計Table 2 Statistics of key monitoring data of plant protection machine operation test communication system under the iterative algorithm

進行各通信信號參數的輸出轉換,選定時延率、信道誤碼率、傳輸穩定率、識別準確率及通信綜合效率作為衡量參數,從而形成基于迭代算法應用信號識別的植保機性能參數效果對比,如表3所示。由表3可知:經過對通信信號進行精細化識別操作和迭代算法的合理導入,實現了信號時延率由3.50%降低至2.78%的良好效果,平均信道誤碼率由2.79%降低至1.87%,系統信號傳輸穩定率由91.00%提升至95.60%;考慮信道路徑、功率傳輸等因素在內,其信號識別準確率由85.64%提升至94.58%,整機通信綜合效率由迭代算法應用前的88.41%優化至96.93%,信號識別準度與效率提升效果明顯。

表3 基于迭代算法應用信號識別的植保機性能參數效果對比Table 3 Comparison of performance parameters of the plant protection machine based on iterative algorithm and signal recognition

4 結論

1)通過選定植保無人機的作業通信過程作為研究對象,應用成熟的迭代理論,針對其無線通信系統進行特性分析與迭代實施過程設計,形成基于迭代算法支撐的無線通信系統,是數學運算在無線通信領域的良好創新思路之一。

2)進行整機的規劃路徑及作業信號監測傳送可行性試驗論證,結果表明:基于迭代算法的科學應用,可實現有效降低通信識別過程中的誤碼,確保提升信號識別的準確率,實現無線通信綜合效率顯著優化的設計目標。

3)以數值分析的迭代計算為農機裝備的改進基礎,進行關聯思維下的對比性實踐,是未來農機裝備智能化、精準化發展的方向,可為相關領域的技術突破提供較好的借鑒與指導。