CN108549098A - 一种室内变电站巡检无人机定位方法 - Google Patents

一种室内变电站巡检无人机定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种室内变电站巡检无人机定位方法，包括以下步骤：构建室内变电站真实三维坐标系统；构建基于UWB技术的室内定位系统；构建基于伪卫星技术的室内定位系统；利用基于UWB技术的室内定位系统对无人机进行测距，对获得的测距信息进行解算，获取无人机当前的位置信息；5）根据获取的位置信息，生成并播发模拟卫星信号，实现自身定位。本发明利用基于UWB的室内定位系统来获取无人机在室内变电站环境下的当前位置信息，基于伪卫星的室内定位系统根据当前位置信息生成并播发模拟卫星信号，实现自身位置定位，解决了无人机室内变电站巡检无法接收GPS信号问题，实现了无人机室内室外无缝定位。

Description

一种室内变电站巡检无人机定位方法
技术领域
本发明涉及一种室内变电站巡检无人机定位方法。
背景技术
随着城市建设的快速发展，变电站数目不断增多、变压线路更加复杂，这导致人工巡检工作量快速增加以及安全问题更加紧张。传统的人工巡检主要依靠变电站工作人员主动巡视变电站设备区，通过感官观察并手动记录设备的运行状态，来保障变电站的安全运行。然而，巨大的工作量给巡检人员造成很大的负担，从而会导致部分巡检人员消极怠工，存在漏检、误检等现象，这带来严重的安全隐患；另外变电站环境复杂，设备众多，高压区域较多，很难保证巡检人员安全。
另外一方面，随着国家电网建设坚强智能电网的步伐不断迈进，高电压、大容量、大电网的迅速发展，使得变电站智能化、数字化、信息化的建设也越来越迫切。因此，从变电站安全运行、变电站巡检工作效率以及巡检人员安全隐患方面考虑，以巡检无人机替代人工进行变电站的巡检任务，不仅能够降低工作人员的工作量、保障工作人员的人身安全，而且先进检测设备和数字化的信息采集、处理技术极大地提高了巡检的质量，解决人工巡检的大量弊端，也加速了智能变电站无人值守化或少人值守化进程。
而目前，针对室内变电站无人机巡检的应用并不广泛，原由GPS信号无法穿透墙壁，导致传统的微型无人机在室内飞行接收不到室外GPS信号，无法实现自身定位，进而无法完成巡检工作。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种操作方便、工作稳定可靠的室内变电站巡检无人机定位方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种室内变电站巡检无人机定位方法，包括以下步骤：
1)选取某一个室内变电站，利用卫星导航接收机构建室内变电站真实三维坐标系统，提供无人机飞行所需地图；
2)构建基于UWB技术的室内定位系统；
3)构建基于伪卫星技术的室内定位系统；
4)将定位标签装载在无人机上，利用基于UWB技术的室内定位系统对无人机进行测距，利用定位算法对获得的测距信息进行解算，获取无人机当前的位置信息；
5)基于伪卫星技术的室内定位系统根据获取的无人机当前位置信息，生成并播发当前位置坐标所需的模拟卫星信号，无人机卫星信号接收单元接收模拟卫星信号，实现自身定位。
上述室内变电站巡检无人机定位方法，所述步骤1)具体包括以下步骤：
1-1)选取某一个室内变电站，将卫星导航接收机放置于此室内变电站外地面某点，卫星导航接收机接收室外真实卫星解算出来的位置信号，得到室内变电站外地面该点的位置；
1-2)坐标转换：卫星导航接收机接收的位置信息表现为大地坐标，利用坐标转换算法将大地坐标转换为空间直角坐标，再将该点的空间直角坐标平移至室内变电站内；
1-3)构建室内真实三维空间直角坐标环境：采用激光测距仪依据该点在室内变电站内的对应坐标标定室内变电站各个角落的坐标，即构建室内真实三维空间直角坐标环境。
上述室内变电站巡检无人机定位方法，所述步骤2)中，根据三维定位算法要求，构建基于UWB技术的室内定位系统，基于UWB技术的室内定位系统包括4个定位基站、1个定位标签和定位服务器；4个定位基站分布于室内各个墙角且4个定位基站不在同一平面。
上述室内变电站巡检无人机定位方法，所述步骤2)中，每个定位基站均包括控制器模块、无线收发模块、接口模块、外围被控制电路，控制器模块分别与无线收发模块、接口模块、外围被控制电路相连，无线收发模块接收无人机上定位标签发出的定位信号并送入控制器模块，控制器模块将接收到的信号打包成定位数据包并通过接口模块送入定位服务器。
上述室内变电站巡检无人机定位方法，所述步骤2)中的定位服务器包括数据库、数据访问层、业务逻辑层、表示层，数据库用于当基于UWB技术的室内定位系统运行后，完成对定位数据包的接收与存储，同时数据库也存储了定位基站在各个墙角的坐标信息；数据访问层用于当数据包接收完成后对数据包进行解析，得到定位标签到达定位基站节点之间的TOA信息；，业务逻辑层用于在数据访问层完成对数据包的解析后，利用TDOA计算线程调用定位算法函数进行标签位置计算；表示层用于完成标签坐标显示与输出、定位基站状态显示、以及系统配置管理。
上述室内变电站巡检无人机定位方法，所述步骤3)具体步骤为：
3-1)构建基于伪卫星技术的室内定位系统，基于伪卫星技术的室内定位系统包括模拟信号数学仿真模块、控制模块、模拟信号生成及发射模块、模拟卫星；
3-2)确定模拟卫星在室内变电站的几何布局；
3-3)完成模拟卫星的选择，采用螺旋天线或者微带线构成的天线。
上述室内变电站巡检无人机定位方法，所述模拟信号数学仿真模块接收室内变电站无人机当前位置信号，用于仿真试验无人机在不同位置下导航天线接收到的导航观测数据，包括对卫星星座仿真、用户轨迹仿真及观测数据仿真，为导航模拟信号生成提供仿真数据源，并送入模拟信号生成及发射模块；
控制模块将模拟信号数学仿真模块用于对基于伪卫星技术的室内定位系统的流程进行控制，以及实现各种参数的自定义修改，包括对接口配置的控制、数据仿真的控制、信号模拟源的控制；
模拟信号生成及发射模块包括模拟信号生成系统和模拟信号发射系统，模拟信号生成系统包括信号生成模块、信号处理模块，信号生成模块依据控制模块录入的模拟卫星坐标信息、数据仿真完成的卫星星座、导航观测数据生成相对应的信号，信号处理模块即对各个通道基带信号的上变频、功率衰减控制以及自校射频信号合路下变频；模拟信号发射系统包括时钟模块和射频调制模块，用于将信号生成模块生成的信号发送到模拟卫星中。
上述室内变电站巡检无人机定位方法，所述步骤4)具体步骤为：将定位标签装载在无人机上，将定位服务器连接其中一个定位基站，利用该定位基站将解算数据包通过数据传输通道发送至定位服务器，定位服务器将完成无人机内置定位标签的原始数据获取，并利用TDOA算法进行坐标解算，得到无人机当前的位置信息。
上述室内变电站巡检无人机定位方法，所述步骤5)具体步骤为：
5-1)模拟信号数学仿真模块接收室内变电站无人机当前位置信号，仿真试验无人机在不同位置下导航天线接收到的导航观测数据，包括对卫星星座仿真、用户轨迹仿真及观测数据仿真，为导航模拟信号生成提供仿真数据源，并送入模拟信号生成及发射模块；
5-2)信号生成模块依据控制模块录入的模拟卫星坐标信息、数据仿真完成的卫星星座、导航观测数据生成相对应的信号；
5-3)信号处理模块对信号生成模块生成的信号进行处理并发送至模拟信号发射系统；
5-4)模拟信号发射系统将处理后的信号生成模块生成的信号发送到模拟卫星中，由模拟卫星发出，无人机卫星信号接收单元接收该模拟的卫星信号，并根据该卫星信号解算出自身位置信息，从而实现无人机在室内变电站中的定位。
本发明的有益效果在于：本发明利用基于UWB的室内定位系统来获取无人机在室内变电站环境下当前位置信息，基于伪卫星的室内定位系统根据当前位置信息生成并播发模拟卫星信号，无人机卫星信号接收单元接收模拟卫星信号，实现自身位置定位。此方法将解决无人机室内变电站巡检无法接收GPS信号问题，最终将实现无人机室内室外无缝定位。
附图说明
图1本发明的工作流程图。
图2本发明的整体定位系统图。
图3为本发明的定位基站的结构框图。
图4本发明的定位服务器的结构框图。
图5本发明基于伪卫星技术的室内定位系统的结构框图。
图6为室内变电站定位基站、标签、模拟卫星的布局示意图。
图7为室内变电站模拟卫星的最佳布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种室内变电站巡检无人机定位方法，包括以下步骤：
1)选取某一个室内变电站，利用卫星导航接收机构建室内变电站真实三维坐标系统，提供无人机飞行所需地图。
所述步骤1)具体包括以下步骤：
1-1)选取某一个室内变电站，将卫星导航接收机放置于此室内变电站外地面某点，卫星导航接收机接收室外真实卫星解算出来的位置信号，得到室内变电站外地面该点的位置；
1-2)坐标转换：另外因卫星导航接收机接收的导航电文，解算出的位置信息一般表现为WGS-84的大地坐标，为便于计算，利用坐标转换算法将大地坐标转换为空间直角坐标，再将该点的空间直角坐标平移至室内变电站内；
1-3)构建室内真实三维空间直角坐标环境：采用激光测距仪依据该点在室内变电站内的对应坐标标定室内变电站各个角落的坐标，即构建室内真实三维空间直角坐标环境。
2)根据三维定位算法要求，构建基于UWB技术的室内定位系统，基于UWB技术的室内定位系统包括4个定位基站、1个定位标签和定位服务器。
如图3所示，每个定位基站均包括控制器模块、无线收发模块、接口模块、外围被控制电路，控制器模块分别与无线收发模块、接口模块、外围被控制电路相连，无线收发模块接收无人机上定位标签发出的定位信号并送入控制器模块，控制器模块将接收到的信号打包成定位数据包并通过接口模块送入定位服务器。控制器模块以STM32F103系列芯片为MCU，通过SPI连接DW1000芯片，完成对DW1000芯片内部寄存器的读写操作并发送命令。因STM32F103自带有FSMC(可配置的静态存储器控制器)，接口模块可依托具有完善的TCP/IP协议即集成的W5100芯片与MCU连接，通过RJ45可作为以太网接口，用于数据上传到PC端，该芯片也可以存储定位基站节点MAC地址、PHY地址。外围被控制电路模块主要通过I2C总线(数据线SDA和时钟线SCL构成)实现各种被控制的电路都并联在这条总线上，完成器件间信息传递。设计有电源模块，采用AMS1117稳压芯片用于提供3.3V电源。
如图4所示，定位服务器包括数据库、数据访问层、业务逻辑层、表示层，其中各层之间的通信利用UDP端口协议完成。数据库用于当基于UWB技术的室内定位系统运行后，完成对定位数据包的接收与存储，同时数据库也存储了定位基站在各个墙角的坐标信息；数据访问层用于当数据包接收完成后对数据包进行解析，得到定位标签到达定位基站节点之间的TOA信息；，业务逻辑层用于在数据访问层完成对数据包的解析后，利用TDOA计算线程调用定位算法函数进行标签位置计算，如图6所示，针对TDOA算法的三维定位中，4个定位基站不在同一平面，其中一个定位基站将测出标签高度，实现三维定位效果，为防标签产生多径效应，确保定位基站距离最近墙面或任何其他物体大于15cm，并且定位基站应分布于室内各个墙角，有利于信号覆盖范围最大；表示层用于完成标签坐标显示与输出、定位基站状态显示、以及系统配置管理。
3)构建基于伪卫星技术的室内定位系统。具体步骤为：
3-1)构建基于伪卫星技术的室内定位系统，基于伪卫星技术的室内定位系统包括模拟信号数学仿真模块、控制模块、模拟信号生成及发射模块、模拟卫星。
所述模拟信号数学仿真模块接收室内变电站无人机当前位置信号，用于仿真试验无人机在不同位置下导航天线接收到的导航观测数据，包括对卫星星座仿真、用户轨迹仿真及观测数据仿真，为导航模拟信号生成提供仿真数据源，并送入模拟信号生成及发射模块。
控制模块将模拟信号数学仿真模块用于对基于伪卫星技术的室内定位系统的流程进行控制，以及实现各种参数的自定义修改，包括对接口配置的控制、数据仿真的控制、信号模拟源的控制。接口配置的控制部分：对无人机卫星信号接收单元和模拟信号生成系统的接口的底层功能做模式配置，主要为无人机卫星信号接收单元的串口号、波特率、数据位等；模拟信号生成系统的IP地址，发送端口号、通信方式等；数学仿真控制部分：主要为实现对数据仿真文件生成控制、仿真文件的读取等。信号模拟源控制部分：实现对卫星信号模拟源所送信号的频点、星号、功率、IQ支路等信号参数配置，也对数仿发送起始时间、信号源开始、闪烁、结束等流程进行控制。其中基于UWB技术的室内定位系统中的定位服务器和基于伪卫星技术的室内定位系统中的控制模块集成在一个计算机中，计算机位于室内变电站中。
模拟信号生成及发射模块包括模拟信号生成系统和模拟信号发射系统，模拟信号生成系统包括信号生成模块、信号处理模块，信号生成模块依据控制模块录入的模拟卫星坐标信息、数据仿真完成的卫星星座、导航观测数据生成相对应的信号，信号处理模块即对各个通道基带信号的上变频、功率衰减控制以及自校射频信号合路下变频；模拟信号发射系统包括时钟模块和射频调制模块，用于将信号生成模块生成的信号发送到模拟卫星中。
3-2)确定模拟卫星在室内变电站的几何布局。通过对GPS卫星信号静态定位所产生误差的影响因素分析，可知主要源于以下两个方面：
(1)由码相关伪距测量的精度、卫星星历精度等许多影响因素确定的单位权中误差σ0
(2)由卫星几何分布确定的位置参数协因数矩阵如果几何分布过差则会造成伪距测量误差的扩大化，导致最终的定位结果误差的增加。
而在测量中，一种评价定位结果的几何精度因子(DOP)被提出，其实质是卫星因在几何空间中的不同布局而将产生不同定位精度影响，一般当DOP值越小，其定位误差也将越小，因此可知影响DOP数值的主要因素为卫星数量以及卫星在室内的几何分布图形。
关于位置参数的协因素矩阵的公式为：
平面位置精度衰减因子：
高程精度衰减因子：
空间位置精度衰减因子：
接收机卫星钟差精度衰减因子：
几何精度衰减因子：
其中q1j(j＝1,2,3,4)：纬度误差平方；q2j(j＝1,2,3,4)：经度误差平方；q3j(j＝1,2,3,4)：高程误差平方；q4j(j＝1,2,3,4)：卫星钟差平方。
也有文献曾证明出：多面体体积越大，精度因子越好，反之精度因子越差。因此在伪卫星室内几何布局时，根据此结论可更为有效地完成对伪卫星室内位置的摆放。
如图7所示，将四颗伪卫星分别安置于室内墙面交线处，将待测点安置于室内地面的中心点处，可使其构成的多面体体积接近最大，则精度因子越小，结果将越好。
3-3)完成模拟卫星的选择，采用螺旋天线或者微带线构成的天线。
4)将定位标签装载在无人机上，利用基于UWB技术的室内定位系统对无人机进行测距，利用定位算法对获得的测距信息进行解算，获取无人机当前的位置信息。具体步骤为：将定位标签装载在无人机上，将定位服务器连接其中一个定位基站，利用该定位基站将解算数据包通过数据传输通道发送至定位服务器，定位服务器将完成无人机内置定位标签的原始数据获取，并利用TDOA算法进行坐标解算，得到无人机当前的位置信息。
5)基于伪卫星技术的室内定位系统根据获取的无人机当前位置信息，生成并播发当前位置坐标所需的模拟卫星信号，无人机卫星信号接收单元接收模拟卫星信号，实现自身定位。具体步骤为：
5-1)模拟信号数学仿真模块接收室内变电站无人机当前位置信号，仿真试验无人机在不同位置下导航天线接收到的导航观测数据，包括对卫星星座仿真、用户轨迹仿真及观测数据仿真，为导航模拟信号生成提供仿真数据源，并送入模拟信号生成及发射模块；
5-2)信号生成模块依据控制模块录入的模拟卫星坐标信息、数据仿真完成的卫星星座、导航观测数据生成相对应的模拟信号；
5-3)信号处理模块对信号生成模块生成的模拟信号进行处理并发送至模拟信号发射系统；
5-4)模拟信号发射系统将处理后的信号生成模块生成的信号发送到模拟卫星中发出，无人机卫星信号接收单元接收该模拟的卫星信号，接收单元并根据该卫星信号解算出自身位置信息，从而可实现其在室内变电站中的定位，进而能够通过导航信号模拟器产生GPS等导航信号，来控制无人机的工作状态。

Claims (9)

1.一种室内变电站巡检无人机定位方法，包括以下步骤：
1）选取某一个室内变电站，利用卫星导航接收机构建室内变电站真实三维坐标系统，提供无人机飞行所需地图；
2）构建基于UWB技术的室内定位系统；
3）构建基于伪卫星技术的室内定位系统；
4）将定位标签装载在无人机上，利用基于UWB技术的室内定位系统对无人机进行测距，利用定位算法对获得的测距信息进行解算，获取无人机当前的位置信息；
5）基于伪卫星技术的室内定位系统根据获取的无人机当前位置信息，生成并播发当前位置坐标所需的模拟卫星信号，无人机卫星信号接收单元接收模拟卫星信号，实现自身定位。
2.根据权利要求1所述的室内变电站巡检无人机定位方法，其特征在于：所述步骤1）具体包括以下步骤：
1-1）选取某一个室内变电站，将卫星导航接收机放置于此室内变电站外地面某点，卫星导航接收机接收室外真实卫星解算出来的位置信号，得到室内变电站外地面该点的位置；
1-2）坐标转换：卫星导航接收机接收的位置信息表现为大地坐标，利用坐标转换算法将大地坐标转换为空间直角坐标，再将该点的空间直角坐标平移至室内变电站内；
1-3）构建室内真实三维空间直角坐标环境：采用激光测距仪依据该点在室内变电站内的对应坐标标定室内变电站各个角落的坐标，即构建室内真实三维空间直角坐标环境。
3.根据权利要求1所述的室内变电站巡检无人机定位方法，其特征在于：所述步骤2）中，根据三维定位算法要求，构建基于UWB技术的室内定位系统，基于UWB技术的室内定位系统包括4个定位基站、1个定位标签和定位服务器；4个定位基站分布于室内各个墙角且4个定位基站不在同一平面。
4.根据权利要求3所述的室内变电站巡检无人机定位方法，其特征在于：所述步骤2）中，每个定位基站均包括控制器模块、无线收发模块、接口模块、外围被控制电路，控制器模块分别与无线收发模块、接口模块、外围被控制电路相连，无线收发模块接收无人机上定位标签发出的定位信号并送入控制器模块，控制器模块将接收到的信号打包成定位数据包并通过接口模块送入定位服务器。
5.根据权利要求4所述的室内变电站巡检无人机定位方法，其特征在于：所述步骤2）中的定位服务器包括数据库、数据访问层、业务逻辑层、表示层，数据库用于当基于UWB技术的室内定位系统运行后，完成对定位数据包的接收与存储，同时数据库也存储了定位基站在各个墙角的坐标信息；数据访问层用于当数据包接收完成后对数据包进行解析，得到定位标签到达定位基站节点之间的TOA信息；业务逻辑层用于在数据访问层完成对数据包的解析后，利用TDOA计算线程调用定位算法函数进行标签位置计算；表示层用于完成标签坐标显示与输出、定位基站状态显示、以及系统配置管理。
6.根据权利要求1所述的室内变电站巡检无人机定位方法，其特征在于，所述步骤3）具体步骤为：
3-1）构建基于伪卫星技术的室内定位系统，基于伪卫星技术的室内定位系统包括模拟信号数学仿真模块、控制模块、模拟信号生成及发射模块、模拟卫星；
3-2）确定模拟卫星在室内变电站的几何布局；
3-3) 完成模拟卫星的选择，采用螺旋天线或者微带线构成的天线。
7.根据权利要求6所述的室内变电站巡检无人机定位方法，其特征在于：所述模拟信号数学仿真模块接收室内变电站无人机当前位置信号，用于仿真试验无人机在不同位置下导航天线接收到的导航观测数据，包括对卫星星座仿真、用户轨迹仿真及观测数据仿真，为导航模拟信号生成提供仿真数据源，并送入模拟信号生成及发射模块；
控制模块将模拟信号数学仿真模块用于对基于伪卫星技术的室内定位系统的流程进行控制，以及实现各种参数的自定义修改，包括对接口配置的控制、数据仿真的控制、信号模拟源的控制；
模拟信号生成及发射模块包括模拟信号生成系统和模拟信号发射系统，模拟信号生成系统包括信号生成模块、信号处理模块，信号生成模块依据控制模块录入的模拟卫星坐标信息、数据仿真完成的卫星星座、导航观测数据生成相对应的信号，信号处理模块即对各个通道基带信号的上变频、功率衰减控制以及自校射频信号合路下变频；模拟信号发射系统包括时钟模块和射频调制模块，用于将信号生成模块生成的信号发送到模拟卫星中。
8.根据权利要求1所述的室内变电站巡检无人机定位方法，其特征在于，所述步骤4）具体步骤为：将定位标签装载在无人机上，将定位服务器连接其中一个定位基站，利用该定位基站将解算数据包通过数据传输通道发送至定位服务器，定位服务器将完成无人机内置定位标签的原始数据获取，并利用TDOA算法进行坐标解算，得到无人机当前的位置信息。
9.根据权利要求1所述的室内变电站巡检无人机定位方法，其特征在于：所述步骤5）具体步骤为：
5-1）模拟信号数学仿真模块接收室内变电站无人机当前位置信号，仿真试验无人机在不同位置下导航天线接收到的导航观测数据，包括对卫星星座仿真、用户轨迹仿真及观测数据仿真，为导航模拟信号生成提供仿真数据源，并送入模拟信号生成及发射模块；
5-2）信号生成模块依据控制模块录入的模拟卫星坐标信息、数据仿真完成的卫星星座、导航观测数据生成相对应的信号；
5-3）信号处理模块对信号生成模块生成的信号进行处理并发送至模拟信号发射系统；
5-4）模拟信号发射系统将处理后的信号生成模块生成的信号发送到模拟卫星中，由模拟卫星发出，无人机卫星信号接收单元接收该模拟的卫星信号，并根据该卫星信号解算出自身位置信息，从而实现无人机在室内变电站中的定位。
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