CN111856392A - 基于uwb测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法 - Google Patents

基于uwb测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于UWB测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法，包括以下步骤：(1)规范化待覆盖区域为包含待定位区域的最小正方形。(2)构造悬停点，使用特定大小的小正方形覆盖整个待定位区域，每个小正方形的顶点为无人机的悬停点。(3)根据悬停点的行数和列数构造无人机的飞行路径，该路径经过所有的悬停点，且飞行距离最短。(4)无人机按路径飞行，并在悬停点释放UWB信号，地面节点在观测到三组及以上测距数据时，使用多边定位法定位。本发明可以保证，任意处于待覆盖区域内的节点至少可以观测到三个悬停点，从而能够获得至少三组测距信息实现精确定位。

Description

基于UWB测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法
技术领域
本发明属于定位领域。
背景技术
已有的定位方法主要分为两大类：基于测距的定位方法和基于非测距的定位方法。基于测距的方法需要特殊的硬件提供测距服务，其优点在于精度较高。基于测距的方法包括使用RSSI、到达时间差、声波、到达角度等。超宽带(UWB)技术具有较强的抗干扰能力和抗多径能力，可以有效减小测距和定位误差，从而在定位领域引起了广泛地关注。在获得测距信息后，使用多边定位或者多角度定位获得位置。当前基于测距的方法主要应用于地面节点之间互相测距，根据测距信息定位，其难点在于地面障碍物较多，遮挡信号地传播，导致测距信息不准，从而定位不准确。基于非测距的方法对硬件要求较低，但其定位精度同样较低。
利用无人机对地面目标定位可以避免障碍物对测距信息地干扰，因为无人机在空中飞行，其与地面节点之间的传播路径一般无障碍物。当前利用无人机对地面定位的方法有两类，一类利用摄像头拍照，通过分析图像对地面目标定位，其缺点在于当地面目标较小或者光照不足时，地面目标难以捕获在图像中。另一类采用接收信号强度，即RSSI，估算无人机与地面目标的相对距离，其缺点在于RSSI受噪音影响较大，导致距离估计误差较大，造成较大的定位误差，此外，这种方法需要的无人机飞行长度较长。
发明内容
发明目的：为了克服现有定位技术中存在收环境影响大、定位误差大等问题，本发明提供了一种基于UWB测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法。
技术方案：本发明提供了一种基于UWB测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法，具体包括如下四个步骤：
步骤1：根据需要定位的区域，确定包含该区域的最小正方形区域，将该最小正方形区域作为待覆盖区域，基于该待覆盖区域建立二维坐标系，使得正方形的相互垂直的两条临边分别在二维坐标系的横轴和纵轴上；基于UWB测距模块的最大测距半径r和无人机的飞行高度H，确定UWB的广播信号在地面的覆盖范围R；
步骤2：将待覆盖区域分为s*s个大小相同的小正方形网格，每个正方形网格的对角线长度均为R，将每个小正方形的顶点设为无人机的悬停点；
步骤3：构造无人机的最短飞行路径，且该飞行路径使得无人机经过所有的悬停点；
步骤4：无人机按照最短飞行路径飞行，并在悬停点停留时释放UWB信号；待覆盖区域内的所有地面节点实时检测UWB信号，当某一个节点检测到UWB信号时记录该UWB信号的测距值，所述测距值是指该UWB信号所对应的悬停点与该节点之间的距离；当某一个地面节点检测到的UWB信号达到三组或三组以上时，该地面节点根据记录的UWB测距值对自身进行定位。
进一步的，步骤1中的
Figure BDA0002585717760000021
进一步的，步骤2中的
Figure BDA0002585717760000022
w为待覆盖区域的边长，
Figure BDA0002585717760000023
为向上取整。
进一步的，步骤3具体为：步骤1中建立的二维坐标系的x轴上有m＝s+1个悬停点，在y轴上有m＝s+1个悬停点；
初始最短路径为：P0,0→P0,m-1→Pm-1,m-1→Pm-1,m-2，其中P表示悬停点，P的下标为悬停点的坐标值，若m为偶数，按照如下步骤设置Pm-1,m-2到P0,0的最短路径：
S1：令
Figure BDA0002585717760000024
S2：设置一组最短路径：P2k-1,m-2→P2k-1,0→P2(k-1),0→P2(k-1),m-2→P2(k-1)-1,m-2；
S3：k＝k-1；
S4：判断k是大于1,若是，则转S2，否则转S5；
S5：设置P1,m-2到P0,0的最短路径为：P1,m-2→P1,0→P0,0；
若m为奇数，按照如下步骤设置Pm-1,m-2到P0,0的最短路径：
步骤A：令
Figure BDA0002585717760000025
步骤B：设置一组最短路径：P2k1,m-2→P2k1,0→P2k1-1,0→P2k1-1,m-2→P2(k1-1),m-2；
步骤C：k1＝k1-1；
步骤D：若k1大于1，则转步骤B，否则转步骤E
步骤E：令t＝(m-3)/2；
步骤F：设置一组最短路径：P2,2t+1→P1,2t+1→P1,2t→P2,2t→P2,2t-1；
步骤E：t＝t-1，判断t是否大于等于1，若是，转步骤F，否则转步骤G；
步骤G：设置P2,1到P0,0之间的最短路径：P2,1→P1,1→P2,0→P0,0。
进一步的，所述步骤4中地面节点采用多边定位法对自身进行定位。
有益效果：本发明可以实现对地面节点的精确定位，通过悬停点的设置以及采用UWB定位，本发明可以保证待覆盖区域内的每个点均可以观测到至少三个悬停点，从而获得三组及以上测距信息，对自身进行定位。且本发明提出的飞行路径，是经过所有悬停点的最短的飞行路径，从而可以有效节省无人机能量。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是无人机的广播信号发射图；
图3是本发明基于正方形的悬停方案设计图；
图4是本发明的网格个数计算方式图；
图5是当悬停点个数m为偶数时，无人机的路径规划方式图；
图6是当悬停点个数m＝5时，无人机的路径规划方式图；
图7是定位误差随无人机飞行高度的变化图；
图8是无人机飞行路径长度随无人机飞行高度的变化图；
图9是定位误差随待覆盖区域大小的变化图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
下面结合附图1对本发明做进一步的说明。本发明主要包括以下步骤：
1.规范化待覆盖区域
对于需要定位的区域，找到包含该区域的最小正方形区域，将其作为待覆盖区域，为其建立二维坐标系，使得正方形区域的临边分别在横轴和纵轴上。无人机相对于地面的位置如附图2所示，计算广播信号在地面的覆盖范围
Figure BDA0002585717760000031
其中r为UWB测距模块的最大测距半径，H为无人机的飞行高度。
2.构造悬停点
2.1.将待覆盖区域分为多个小正方形网格，小正方形的对角线长度为广播信号在地面的覆盖半径R，即小正方形的边长d为
Figure BDA0002585717760000032
如附图3所示。横向和纵向的正方形网格个数s的值为
Figure BDA0002585717760000033
其中w为待覆盖区域的边长，
Figure BDA0002585717760000034
为取上整运算符。这样设置的s值可以保证待覆盖区域内每一个位置都可以被至少三个网格点覆盖，即s是能够满足s×d≥w的最小整数。如图4所示，若待覆盖区域的边长w恰好等于w1，则s＝3；若w严格大于w1但不超过w2时，为了保证无人机覆盖的范围等于或大于需定位区域范围，设置s＝4。
2.2.每个小正方形的顶点为一个悬停点，因此悬停点有m行m列，其中m＝s+1。第i行第j列(i和j均从0开始计数)的悬停点表示为Pi,j，其二维坐标为(i×d，j×d)，i的取值范围为0到m-1，j的取值范围亦为0到m-1。本发明采用正方形网格的顶点作为悬停点，其优点在于，相对于其他悬停点设计(例如，正三角形的顶点)，正方形区域中每个点的定位误差较均匀，不会造成较大的误差偏移。
3.构造飞行路径
根据m为的奇偶性，有两种不同路径。若m为偶数，执行步骤3.1；若m为奇数，执行步骤3.2。以下步骤构造的飞行路径，是经过所有悬停点的最短的哈密尔顿路径。
3.1当m为偶数时，飞行路径规划如附图5所示，具体路径如下：
3.1.1沿y轴正向飞行，P0,0→P0,m-1。，其含义为，无人机从P0,0点飞至P0,m-1。
3.1.2沿x轴正向飞行，P0,m-1→Pm-1,m-1。
3.1.3沿y轴负向，Pm-1,m-1→Pm-1,m-2。
3.1.4以两行为一组进行遍历，初始化
Figure BDA0002585717760000041
执行以下步骤：
(a)沿y轴负向飞行，P2k-1,m-2→P2k-1,0；
(b)沿x轴负向飞行，P2k-1,0→P2(k-1),0；
(c)沿y轴正向飞行，P2(k-1),0→P2(k-1),m-2；
(d)沿x轴负向飞行，P2(k-1),m-2→P2(k-1)-1,m-2；
(e)k＝k-1；
(f)若k大于1，则跳转至(a)；否则，即k＝1，跳转至3.1.5。
3.1.5此时，无人机已到达P1,m-2，沿y轴负向飞行，P1,m-2→P1,0。
3.1.6沿x轴负向飞行，P1,0→P0,0，即回到起点。完成飞行。
3.2当m为奇数时，路径规划方式如下：
3.2.1沿y轴正向飞行，P0,0→P0,m-1。
3.2.2沿x轴正向飞行，P0,m-1→Pm-1,m-1。
3.2.3沿y轴负向飞行，Pm-1,m-1→Pm-1,m-2。
3.2.4以两行为一组进行遍历，初始化
Figure BDA0002585717760000042
执行以下步骤：
(A)沿y轴负向飞行，P2k1,m-2→P2k1,0；
(B)沿x轴负向飞行，P2k1,0→P2k1-1,0；
(C沿y轴正向飞行，P2k1-1,0→P2k1-1,m-2；
(D)沿x轴负向飞行，P2k1-1,m-2→P2(k1-1),m-2；
(E)k1＝k1-1；
(F)若k1大于1，跳转至(A)；否则，即k1＝1，跳转至3.2.5.
3.2.5此时，无人机已到达P2,m-2，下面规划路径从P2,m-2到P1,0。令t＝(m-3)/2，若t大于等于1，重复执行以下步骤，否则跳转至3.2.6：
(S1)沿x轴负向飞行，P2,2t+1→P1,2t+1；
(S2)沿y轴负向飞行，P1,2t+1→P1,2t；
(S3)沿x轴正向飞行，P1,2t→P2,2t；
(S4)沿y轴负向飞行，P2,2t→P2,2t-1；
(S5)t＝t-1；
3.2.6无人机已到达P2,1，然后按照如下飞行方式：P2,1→P1,1，P1,1→P2,0，P2,0→P0,0，即可回到起点。完成飞行。
4.定位实施
无人机按照路径飞行，在所有悬停点停留并释放UWB信号；地面节点监测UWB信号，记录每一组测距数，当测距数达到三组或三组以上时，使用多边定位法对自身定位。
对于以上的无人机悬停方案和路径规划方式，举例说明。
待覆盖区域大小为100m×100m，UWB最大测距半径为50m。当无人机飞行高度为30m时，无人机广播信号在地面的覆盖范围的半径为
Figure BDA0002585717760000051
求得小方格的边长
Figure BDA0002585717760000052
从而横向和纵向的网格数为
Figure BDA0002585717760000053
导致横向和纵向的悬停点个数均为5，为奇数。按照上述的悬停方案和路径规划方法，其悬停点和路径如附图6所示。
本发明的效果可以用以下仿真实验进一步说明。
在仿真中，在视距环境(LOS)下，假设待覆盖区域大小为100m×100m，随机生成地面节点作为观测点。具体的仿真实验和结果如下所述：
观察无人机飞行高度对定位误差的影响，结果如附图7所示。随着无人机飞行高度的增加，定位误差逐渐增大。所以当确定定位误差范围时，可以找到合适的无人机飞行高度。并且，本发明的方案下，定位误差较小，定位精度较高。
观察无人机飞行高度对飞行路径长度的影响，结果如附图8所示。当无人机的飞行高度增加时，飞行路径长度总体呈增大趋势。而之所以会有局部减小，是在保证无人机的覆盖范围大于待覆盖区域时，H增加使广播信号半径减小，但是减小的长度较小，所以网格个数不变，所以路径长度减小。
观察待覆盖区域大小对定位误差的影响，结果如附图9所示。可得待覆盖区域的大小对定位误差无影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.基于UWB测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法，其特征在于，包括如下四个步骤：
步骤1：根据需要定位的区域，确定包含该区域的最小正方形区域，将该最小正方形区域作为待覆盖区域，基于该待覆盖区域建立二维坐标系，使得正方形的相互垂直的两条临边分别在二维坐标系的横轴和纵轴上；基于UWB测距模块的最大测距半径r和无人机的飞行高度H，确定UWB的广播信号在地面的覆盖范围R；
步骤2：将待覆盖区域分为s*s个大小相同的小正方形网格，每个正方形网格的对角线长度均为R，将每个小正方形的顶点设为无人机的悬停点；
步骤3：构造无人机的最短飞行路径，且该飞行路径使得无人机经过所有的悬停点；
步骤4：无人机按照最短飞行路径飞行，并在悬停点停留时释放UWB信号；待覆盖区域内的所有地面节点实时检测UWB信号，当某一个节点检测到UWB信号时记录该UWB信号的测距值，所述测距值是指该UWB信号所对应的悬停点与该节点之间的距离；当某一个地面节点检测到的UWB信号达到三组或三组以上时，该地面节点根据记录的UWB测距值对自身进行定位。
2.根据权利要求1所述的基于UWB测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法，其特征在于，步骤1中的
Figure FDA0002585717750000011
3.根据权利要求1所述的基于UWB测距和无人机飞行路径的地面节点定位方法，其特征在于，步骤2中的
Figure FDA0002585717750000012
w为待覆盖区域的边长，
Figure FDA0002585717750000013
为向上取整。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB测距向地面提供定位的无人机飞行方法，其特征在于，步骤3具体为：步骤1中建立的二维坐标系的x轴上有m＝s+1个悬停点，在y轴上有m＝s+1个悬停点；
初始最短路径为：P0,0→P0,m-1→Pm-1,m-1→Pm-1,m-2，其中P表示悬停点，P的下标为悬停点的坐标值，若m为偶数，按照如下步骤设置Pm-1,m-2到P0,0的最短路径：
S1：令
Figure FDA0002585717750000014
S2：设置一组最短路径：P2k-1,m-2→P2k-1,0→P2(k-1),0→P2(k-1),m-2→P2(k-1)-1,m-2；
S3：k＝k-1；
S4：判断k是大于1,若是，则转S2，否则转S5；
S5：设置P1,m-2到P0,0的最短路径为：P1,m-2→P1,0→P0,0；
若m为奇数，按照如下步骤设置Pm-1,m-2到P0,0的最短路径：
步骤A：令
Figure FDA0002585717750000015
步骤B：设置一组最短路径：P2k1,m-2→P2k1,0→P2k1-1,0→P2k1-1,m-2→P2(k1-1),m-2；
步骤C：k1＝k1-1；
步骤D：若k1大于1，则转步骤B，否则转步骤E
步骤E：令t＝(m-3)/2；
步骤F：设置一组最短路径：P2,2t+1→P1,2t+1→P1,2t→P2,2t→P2,2t-1；
步骤E：t＝t-1，判断t是否大于等于1，若是，转步骤F，否则转步骤G；
步骤G：设置P2,1到P0,0之间的最短路径：P2,1→P1,1→P2,0→P0,0。
5.根据权利要求1所述的一种基于UWB测距向地面提供定位的无人机飞行方法，其特征在于，所述步骤4中地面节点采用多边定位法对自身进行定位。
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谭中华;徐玉;: "航空信标辅助WSN三维定位的移动路径规划方法", 计算机技术与发展, no. 01 *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113821043A (zh) * 2021-09-10 2021-12-21 佛山中科云图智能科技有限公司 无人机定位降落方法、装置、存储介质以及电子设备
CN117312687A (zh) * 2023-11-01 2023-12-29 杭州柏源科技有限公司 一种无人机网络中进行时空范围查询处理的方法
CN117312687B (zh) * 2023-11-01 2024-04-16 杭州柏源科技有限公司 一种无人机网络中进行时空范围查询处理的方法

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