CN109151721A

CN109151721A - 用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法

Info

Publication number: CN109151721A
Application number: CN201811228639.XA
Authority: CN
Inventors: 于修和; 施登宇; 于梓洋
Original assignee: Shanghai Yi Yan Mdt Infotech Ltd
Current assignee: Shanghai Yi Yan Mdt Infotech Ltd
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-01-04

Abstract

一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法，包括：无人机通过导航系统导航将多个节点传感器分别空投至相应的预设空投区域；以所述无人机自身作为锚节点对空投的每个节点传感器进行定位。本发明定位精度高，所形成的无线传感网无需再设置锚节点和进行定位，节省了成本和功耗。

Description

用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法

技术领域

本发明属于无人机巡检技术领域，尤其涉及一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法。

背景技术

无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器，具有低成本、低损耗、可重复使用且风险小等诸多优势，具有广阔的应用前景。近些年来，无人机在环境监测中的应用一般分为三类。第一类利用无人机进行低空遥感来感知环境变化，第二类在无人机上直接安装专门的传感器来实现环境的感知，第三类利用无人机进行测量设备的空投。

针对以上三类关于无人机无线传感器网络节点定位的研究已经有很多算法，可以将定位算法分为基于测距(Range-based)的定位算法和非测距(Range-free)的定位算法。常用的基于测距的定位算法包括RSSI，TOA，TDOA和AOA，质心法、DV-Hop、Amorphous、APIT、凸规划和MDS-MAP是目前较常见的非测距定位方法。基于测距定位机制虽然总体上能够获得较好的定位精度，但是会受限于硬件成本和功耗；非测距的定位方法虽然是一种低成本的解决方法，但其定位的精度虽低于基于测距的定位方法。现有的定位算法多为基于二维平面，实际应用时，由于山区、森林、湖泊等地形和环境的限制，传感器节点必须部署在立体的空间中，传统的二维定位显然满足不了，因此对三维空间节点定位的研究至关重要。

发明内容

基于此，针对上述技术问题，提供一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法，其特征在于，包括：

无人机通过导航系统导航将多个节点传感器分别空投至相应的预设空投区域；

以所述无人机自身作为锚节点对空投的每个节点传感器进行定位：

无人机通过导航系统导航，飞行至四个不同位置作为四个锚节点，所述四个锚节点不共面，四者的坐标分别为A_a(x_a,y_a,z_a)，A_b(x_b,y_b,z_b)，A_c(x_c,y_c,z_c)以及A_d(x_d,y_d,z_d)；

检测所述锚节点与节点传感器的距离d_a,d_b,d_c以及d_d；

根据三维空间距离计算公式，可以得到如下非线性方程组：

采用线性化方法求解，可以得到节点传感器的坐标(x，y，z)：

所述检测所述锚节点与节点传感器的距离d_a,d_b,d_c以及d_d包括：

所述无人机向所述节点传感器发送固定长度的定位数据包并开始计时，所述节点传感器收到所述定位数据包后回送一个应答数据包给所述无人机，该无人机收到应答数据包时停止计时；所述节点传感器在收到所述无人机发过来的定位数据包时开始计时，到其回送应答数据包时停止计时，无人机的计时为T1，节点传感器的计时为T2；

所述节点传感器向所述无人机发送固定长度的定位数据包并开始计时，所述无人机收到所述定位数据包后回送一个应答数据包给所述节点传感器，该节点传感器收到应答数据包时停止计时；所述无人机在收到所述节点传感器发过来的定位数据包时开始计时，到其回送应答数据包时停止计时，节点传感器的计时为T3，无人机的计时为T4；

通过如下公式计算所述锚节点与节点传感器的距离d：

其中C＝3×10⁸m/s。

所述无人机包括MCU模块、北斗模块、惯性导航器件、动力伺服系统、传感器空投装置以及与所述节点传感器无线通讯的定位模块，所述北斗模块、惯性导航器件、动力伺服系统、传感器空投装置以及定位模块均与所述MCU模块连接。

所述无人机还包括用于与地面站进行数据通信的数传电台模块、用于实时采集图像的摄像头以及用于将图像数据传输给地面站的视频无线传输模块，所述数传电台模块、摄像头以及视频无线传输模块均与所述MCU模块连接，所述摄像头与所述视频无线传输模块连接。

所述导航系统以惯性导航作为基准导航系统，并与北斗卫星导航系统进行组合。

本发明通过无人机对节点传感器进行空投，以无人机自身作为锚节点对空投的每个节点传感器进行定位，定位精度高，所形成的无线传感网无需再设置锚节点和进行定位，节省了成本和功耗；此外，由于无人机的机动能力强，利用该系统可以在山区、沟壑等人员不易进入的场合进行传感器节点的快速部署，为人员不易到达区域采集节点的布置提供一种快速有效的解决方案。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式本发明进行详细说明：

图1为本发明的无人机的结构示意图；

图2为本发明的四边测量法的模型示意图；

图3为本发明的双边测距算法的示意图。

图4为本发明的传感器空投装置的示意图。

具体实施方式

一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法，包括：

一、无人机110通过导航系统导航，将多个节点传感器120分别空投至相应的预设空投区域。

二、采用四边测量法，以无人机110自身作为锚节点对空投的每个节点传感器120进行定位：

1、无人机通过导航系统导航，飞行至四个不同位置作为四个锚节点，四个锚节点不共面，四者的坐标分别为A_a(x_a,y_a,z_a)，A_b(x_b,y_b,z_b)，A_c(x_c,y_c,z_c)以及A_d(x_d,y_d,z_d)，参见图2，图中O代表节点传感器，锚节点的坐标由北斗定位系统提供；

2、检测锚节点与节点传感器120的距离d_a,d_b,d_c以及d_d，传统的TOA算法对时间精度的要求比较高，微小的时间误差可引起相当大的测距误差，为了保证定位数据精确，如图3所示，本实施例采用异步的双边测距算法：

A、无人机110向节点传感器120发送固定长度的定位数据包并开始计时，节点传感器120收到定位数据包后回送一个应答数据包给无人机110，该无人机110收到应答数据包时停止计时；节点传感器120在收到无人机110发过来的定位数据包时开始计时，到其回送应答数据包时停止计时，无人机的计时为T1，节点传感器的计时为T2。

B、节点传感器120向无人机110发送固定长度的定位数据包并开始计时，无人机110收到定位数据包后回送一个应答数据包给节点传感器120，该节点传感器120收到应答数据包时停止计时；无人机110在收到节点传感器120发过来的定位数据包时开始计时，到其回送应答数据包时停止计时，节点传感器120的计时为T3，无人机110的计时为T4；

C、通过如下公式计算锚节点与节点传感器120的距离d：

其中C＝3×10⁸m/s。

3、根据三维空间距离计算公式，可以得到如下非线性方程组：

4、采用线性化方法求解，可以得到节点传感器120的坐标(x，y，z)：

具体地，本发明的无人机110为小型旋翼无人机，翼式无人机是以高速旋转的机翼作为动力源，可实现垂直起降、悬停、横飞、倒飞，以及超低空飞行等多种飞行方式的无人机，适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用，其良好的灵活性是它的主要特点，其电气结构包括MCU模块111、北斗模块112、惯性导航器件113、动力伺服系统114、传感器空投装置115以及与节点传感器120通讯的定位模块116，参见图1。

北斗模块112、惯性导航器件113、动力伺服系统114、传感器空投装置115以及定位模块116均与MCU模块111连接。

MCU模块111采用飞思卡尔K60系列32位微处理器，北斗模块112以及惯性导航器件113负责无人机的导航，动力伺服系统114完成无人机的飞行姿态控制，传感器空投装置115完成节点传感器120的空投，定位模块116与节点传感器120进行通信实现节点的定位。

其中，节点传感器120中同样具有定位模块。

如图4所示，传感器空投装置115采用电动脱钩器的方式设计，固定销115a可在支架115b内做平行移动，通过舵机带动连杆机构115c完成固定销115a的打开和闭锁。节点传感器120带有起吊环，可通过固定销闭锁后吊起，到达投放区域后，控制舵机旋转打开固定销115a完成投放过程。

较佳地，无人机110还配备了用于与地面站130进行数据通信的数传电台模块117、用于实时采集图像的摄像头118以及用于将图像数据传输给地面站130的视频无线传输模块119，数传电台模块117、摄像头118以及视频无线传输模块119均与MCU模块111连接，摄像头118与视频无线传输模块119连接。

在无人机导航中，一般采用两种或者两种以上的导航方式进行组合导航，在本实施例中，导航系统以惯性导航作为基准导航系统，并与北斗卫星导航系统进行组合,利用多重信息构成一个多功能、高精度的冗余系统。

惯性导航系统不仅可以连续、实时地提供位置、速度和姿态等多种导航信息，而且具有快速、动态性能好、短期精度高等特性。北斗是我国独立研发的能全天候提供卫星导航信息的卫星导航系统，可提供快速定位、简单数字报文通信和授时服务而无需其他通信系统支持。与GPS导航相比，北斗不仅具有定位功能，还有双向通信能力，作为备用的测控通信技术手段,可保证在测控链路出现问题时，提供关键测控数据的传输。

地面站130负责对无人机110下达各种任务，跟踪监视无人机110的动作情况，获得各种信息参数(包括无人机的飞行数据，以及完成定位后的节点传感器120的位置信息、实时的航拍图像等)。

但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims

1.一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法，其特征在于，包括：

检测所述锚节点与节点传感器的距离d_a,d_b,d_c以及d_d；

根据三维空间距离计算公式，可以得到如下非线性方程组：

2.根据权利要求1所述的一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法，其特征在于，所述检测所述锚节点与节点传感器的距离d_a,d_b,d_c以及d_d包括：

通过如下公式计算所述锚节点与节点传感器的距离d：

其中C＝3×10⁸m/s。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法，其特征在于，所述无人机包括MCU模块、北斗模块、惯性导航器件、动力伺服系统、传感器空投装置以及与所述节点传感器无线通讯的定位模块，所述北斗模块、惯性导航器件、动力伺服系统、传感器空投装置以及定位模块均与所述MCU模块连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法，其特征在于，所述无人机还包括用于与地面站进行数据通信的数传电台模块、用于实时采集图像的摄像头以及用于将图像数据传输给地面站的视频无线传输模块，所述数传电台模块、摄像头以及视频无线传输模块均与所述MCU模块连接，所述摄像头与所述视频无线传输模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于生态环境无人机巡检的节点部署定位方法，其特征在于，所述导航系统以惯性导航作为基准导航系统，并与北斗卫星导航系统进行组合。