CN109959923B - 一种基于wi-vi的信道分配技术的无人机追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于WI‑VI的信道分配技术的无人机追踪方法。相比于传统的无人机追踪技术而言，本发明的优势在于实施过程中不需要额外的无人机追踪设备，仅需要对现有的WIFI设备进行改装，具有易实施，易维护的特点；并且，基于当前WIFI设备带宽在大部分时间都有空闲而本发明低带宽需求的特点，不需要为本发明提供额外的带宽，这一特征将在5G技术普及之后更为明显。

Description

一种基于WI-VI的信道分配技术的无人机追踪方法

技术领域

本发明涉及的技术领域为无线通信技术与无人机追踪技术，特别是涉及一种基于WI-VI的信道分配技术的无人机追踪方法。

背景技术

WI-VI系统是是美国麻省理工学院研发出的一个监测系统，这个系统可以利用WIFI信号监测墙壁背后移动的物体。WI-VI设备一般由两组发送天线阵列与一个接收天线构成。发送天线阵列有三个作用：一是产生信号；二是增强信号；三是使发送的信号在指定的位置强度为0，进而起到对其他信号干扰的屏蔽作用。在物体接收到WIFI信号后，会产生反射信号，这个信号由反射天线进行捕捉。对于传统的信号接收装置，是通过一系列的天线阵列来监听一个移动的物体。

但现有的WI-VI技术主要用于感知移动的低速物体，比如移动中的人，对于速度较快的物体，其感知精度不尽人意，这已成了急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种基于WI-VI的信道分配技术与无人机追踪方法，以提高闲置WIFI带宽利用率。

本申请是通过如下技术方案实现的：

一种基于WI-VI的信道分配技术的无人机追踪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，设置WI-VI设备的初始信道；

步骤2，判断无人机是否在WI-VI设备的探测范围以内，若是，则执行步骤3，若否则记录本次追踪的参数，并返回步骤1；

步骤3，调整发送天线阵列信道估值；

步骤4，计算WI-VI设备在时刻n的空间间隔Δn；

步骤5，计算评估值A(n，θ)，并记录使A(n，θ)值最大的θ和测距值s；

步骤6，完成本次无人机追踪，返回步骤2。

进一步的，所述WI-VI设备的初始信道的设置具体包括：

步骤101，发送信号x，获得接收信号y₁与y₂；

步骤102，计算初始信道估值

与

所述初始信道估值

与

通过如下公式计算：

步骤103，计算接收天线的信道估值h₀，所述接收天线的信道估值h₀通过如下公式计算：

h₀＝h₁+p₀·h₂

其中，第一组与第二组发送天线阵列的信道估值分别为h₁与h₂；

参数p₀通过上述公式计算。

进一步的，所述调整发送天线阵列信道估值具体包括：

设n次调整后的发送天线阵列的信号估值分别为

与

所述

与

通过如下公式计算：

则n次调整后的接收天线的信号估值通过如下公式计算：

其中，第一组与第二组发送天线阵列的信道估值分别为h₁与h₂。

进一步的，所述计算WI-VI设备在时刻n的空间间隔Δn具体包括：

Δn通过下述公式计算：

Δ_n＝v_n·T

其中，T为采样周期，该采样周期T是由设备决定的定值，v是无人机的运动速度，v_n指示时刻n时的无人机的运行速度。

进一步的，所述时刻n时的无人机的运行速度v_n通过如下公式计算：

其中，θ_n与v_n分别对应时刻n的方向与速度，s为测距值，

为时刻n的速度估值。

进一步的，所述计算评估值A(n，θ)，并记录使A(n，θ)值最大的θ和测距值s具体包括：

其中，λ是波长，Δ_n是阵列中连续天线之间的空间间隔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)根据运动的相对性，我们把移动中的物体当作天线阵列，而接受天线当作移动中的物体。由于仅有一根天线作为接收端，其响应的物体即为我们追踪的物体。WI-VI设备具有低带宽且无需额外带宽、不需接触、照明条件与遮挡条件高适应性等优点，可以用于无人机的追踪。

2)当前的无人机硬件技术已经近乎完备，其材质可以与周围环境具有较大的差异，可以对各种类型的信号具有较好的识别性能。即能够保证能较为精确地确认无人机体与周围环境，使得信号在反射处地衰减远小于由于障碍物的阻挡导致的衰减。即无人机本身有足够的条件可以被WIFI信号所监控。

3)相比于传统的无人机追踪技术而言，本技术的优势在于实施过程中不需要额外的无人机追踪设备，仅需要对现有的WI-VI设备进行改装，具有易实施，易维护的特点；并且，基于当前WI-VI设备带宽在大部分时间都有空闲而本发明低带宽需求的特点，不需要为本发明提供额外的带宽，这一特征将在5G技术普及之后更为明显。

附图说明

图1是本发明提供的无人机追踪方法的流程示意图；

图2是本发明的无人机追踪示意图；

图3是本发明的速度估算方法的几何原理图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的所述设备为WI-VI设备，由两组信号发送天线阵列与一个接收天线组成。无人机追踪方法的流程示意图如图1所示，具体说明如下：

步骤1，设置WI-VI设备的初始信道；

上述WI-VI设备的初始信道的设置主要包括如下几个步骤：

步骤101，发送信号x，获得接收信号y₁与y₂；

设定n＝0为初始时刻，在初始时刻通过第一组与第二组发送天线阵列发送相同的信号x，接收天线收到的信号分别为y₁与y₂。

步骤102，计算初始信道估值

与

上述初始信道估值

与

通过如下公式(1)计算：

步骤103，计算接收天线的信道估值h₀；

接收天线的信道估值h₀通过下述公式(2)计算：

h₀＝h₁+p₀·h₂

其中，第一组与第二组发送天线阵列的初始信道估值分别为

与

参数p₀通过如下公式(3)计算：

理想情况下，信号接收器处的信道为0。但由于其它信号的干扰，或者设备带宽的暂时负荷波动等情况，会使得实际情况与理想情况有所误差。

步骤2，判断无人机是否在WI-VI设备的探测范围以内，若是，则执行步骤3，若否则记录本次追踪的参数，并返回步骤1；

步骤3，调整发送天线阵列信道估值；

理想情况下，信号接收器处的信道为0，而实际情况与理想情况有所误差。为了将这种误差最大限度的减少至0，我们不断的实现调整两组信号发送天线阵列的信号估值，设n次调整后的发送天线阵列的信号估值分别为

与

与

通过如下公式(4)计算：

则n次调整后的接收天线的信号估值通过如下公式(5)计算：

步骤4，计算WI-VI设备在时刻n的空间间隔Δn；

Δn通过下述公式(7)计算：

Δ_n＝v_n·T

其中，T为采样周期，该采样周期T是由设备决定的定值，v是无人机的运动速度，v_n指示时刻n时的无人机的运行速度。我们无法仅通过WI-VI设备确定无人机速度，解决这个问题的一个方法是无人机配备与WI-VI设备匹配的信号接收器与信号发送装置，使得无人机能够在接收到WI-VI设备所发送的WIFI信号时，能够广播可以被WI-VI设备所识别的速度信息。

这在无人机负荷不太大的情况下可以使用，本发明提供了一种对无人机速度v的实时估算方法，速度估算方法几何原理图的几何原理图如图3所示。其中，θ_n与v_n分别对应时刻n的方向与速度，s为测距值，

为时刻n的速度估值。

则对于时刻n的速度估值

通过如下公式(10)计算：

考虑到时间T较小，可认为在相邻时刻内无人机在一个垂直平面内做圆周运动，从图3所示的几何关系可以得到如下公式(8)：

α＝θ_n-1-θ_n

进一步可以推出如下公式(9)：

步骤5，计算评估值A(n，θ)，并记录使A(n，θ)值最大的θ和测距值s；

我们给予时刻n，角度为的θ的信道情况一个评估值A(n，θ)。根据已有的研究，评估值A(n，θ)通过如下公式(6)计算：

其中，λ是波长，Δ_n是阵列中连续天线之间的空间间隔。

在时刻n的任何点上，评估值A(n，θ)取到最大值时的角度θ的值将对应于无人机移动的方向。

步骤6，完成本次无人机追踪，返回步骤2。

下面再次描述本发明中无人机的追踪方法：

在部署好测试无人机与WI-VI设备后，首先应当检测设备的连接，待连接稳定后在初始时刻通过两组发送天线阵列发送相同的信号x，设收到的信号分别为y₁与y₂，根据式(1)、(2)和(3)确定初始发送天线阵列的信道

与

并根据无人机的经验速度设置v₀。

初始化完成后，对于之后任何的一次发送信号的时刻n，首先读取接收器的信道估值h，之后根据式(4)和(5)计算两组发送天线

与

并由此计算在此条件下的接收器的信道h_n。

接下来，利用式(7)、(8)、(9)和(10)计算时刻n的空间间隔Δn，并由此根据式(6)计算评估函数A(n，θ)，取使A(n，θ)的值最大的方向作为无人机的方位，并记录使A(n，θ)值最大的θ和测距值s。之后，若探测到无人机在追踪半径内，则开始下一次的追踪，反之则生成并记录本次无人机的运动数据。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于WI-VI的信道分配技术的无人机追踪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，设置WI-VI设备的初始信道；

步骤2，判断无人机是否在WI-VI设备的探测范围以内，若是，则执行步骤3，若否则记录本次追踪的参数，并返回步骤1；

步骤3，调整发送天线阵列信道估值；

步骤4，计算WI-VI设备在时刻n的空间间隔Δ_n；

步骤5，计算评估值A(n，θ)，并记录使A(n，θ)值最大的θ和测距值s；

步骤6，完成本次无人机追踪，返回步骤2；

所述调整发送天线阵列信道估值具体包括：

设n次调整后的发送天线阵列的信号估值分别为

与

所述

与

通过如下公式计算：

其中，h为接收天线的信号估值；

则n次调整后的接收天线的信号估值通过如下公式计算：

其中，第一组与第二组发送天线阵列的信道估值分别为h₁与h₂；

所述计算评估值A(n，θ)，并记录使A(n，θ)值最大的θ和测距值s具体包括：

其中，λ是波长，Δ_n是阵列中连续天线之间的空间间隔。

2.根据权利要求1所述的所述无人机追踪方法，其特征在于，所述WI-VI设备的初始信道的设置具体包括：

步骤101，发送信号x，获得接收信号y₁与y₂；

步骤102，计算初始信道估值

与

所述初始信道估值

与

通过如下公式计算：

步骤103，计算接收天线的信道估值h₀，所述接收天线的信道估值h₀通过如下公式计算：

h₀＝h₁+p₀·h₂

其中，第一组与第二组发送天线阵列的信道估值分别为h₁与h₂；

参数p₀通过上述公式计算。

3.根据权利要求1所述的所述无人机追踪方法，其特征在于，所述计算WI-VI设备在时刻n的空间间隔Δ_n具体包括：

Δ_n通过下述公式计算：

Δ_n＝v_n·T

其中，T为采样周期，该采样周期T是由设备决定的定值，v_n指示时刻n时的无人机的运行速度。

4.根据权利要求3所述的所述无人机追踪方法，其特征在于，所述时刻n时的无人机的运行速度v_n通过如下公式计算：

其中，θ_n与v_n分别对应时刻n的方向与运行速度，s为测距值，

为时刻n的速度估值。

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