CN112013839A - 一种gps拒止环境下无人机集群实时定位方法 - Google Patents

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吴瑞
徐雨蕾
丁茂杰
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Abstract

本发明涉及无人机集群定位技术领域，公开了一种GPS拒止环境下无人机集群实时定位方法，无人机集群由地面基站编队起飞并与地面基站建立实时通讯，以无人机集群中至少三个无人机作为信标节点，每个信标节点无人机通过自身惯性测量单元、陀螺仪及加速度计测量速度、加速度及长机与地面基站的相对位置，并将测量数据传递至地面基站；协同无人机节点计算到每个信标节点之间的距离，利用三边测量法计算出自身坐标，并传递至地面基站。本发明通过无人机集群中任意三个无人机作为信标节点，对各个协同无人机的位置坐标进行标定，减少地面基站与无人机的通信量的同时，实现了无人机在GPS拒止环境下与地面基站的自主定位，有效扩大无人机的应用场景。

Description

一种GPS拒止环境下无人机集群实时定位方法
技术领域
本发明涉及无人机集群定位技术领域，具体涉及一种GPS拒止环境下无人机集群实时定位方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：无人机在侦查、打击等作战任务中有着很重要的价值，随着无人机的应用场景越来越复杂，对精确定位的需求也变得至关重要。传统的无人机定位方法由全球定位系统(GPS)和惯性测量单元(IMU)组合完成，虽然这种方法实现起来简单明了，但也存在很多局限性，如GPS信号在杂乱的环境或低空飞行时，会受到障碍物的影响，且完全不适用于室内飞行。考虑到GPS/IMU融合导航的这些局限性，大量学者们开始研究如何在GPS拒止环境下实现无人机实时定位。其中主流方案是通过无人机视觉传感器采集的图像序列估计无人机的位姿从而实现定位。基于视觉的定位方案成本低，适用于没有先验环境信息的地区，且无需外部设施辅助，但是基于视觉的方案在昏暗的环境、雨雪天气、快速运动等情况下的效果并不理想甚至失效。
为此，有学者提出了一些改进的视觉算法，如利用卡尔曼滤波器将基于视觉得到的位置估计值与IMU数据进行融合，实现更为准确的位置估计，且增加了算法的适用性。然而其计算量大，在单架无人机上运行耗时久，使得定位的效率低，且会导致定位有一定的时间延迟；而且单纯的视觉方案其效果依赖于场景的丰富度，且快速运动时，传感器抖动以及采集图像的速率限制将会导致定位的失败。
发明内容
基于以上问题，本发明提供一种GPS拒止环境下无人机集群实时定位方法，本发明通过无人机集群中任意三个无人机作为信标节点，对各个协同无人机的位置坐标进行标定，减少地面基站与无人机的通信量的同时，实现了无人机在GPS拒止环境下与地面基站的自主定位，有效扩大无人机的应用场景。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种GPS拒止环境下无人机集群实时定位方法，每架无人机搭载惯性测量单元、陀螺仪和加速度计，无人机集群由地面基站编队起飞并与地面基站建立实时通讯，并执行如下步骤：
S1、以无人机集群中至少三个无人机作为信标节点，每个信标节点无人机通过自身惯性测量单元、陀螺仪及加速度计测量速度、加速度及长机与地面基站的相对位置，并将测量数据传递至地面基站；
S2、每个信标节点无人机分别同时向其他信标节点无人机及各协同节点无人机广播自身位置信息的分组，其中包括跳数字段，初始化为0，各无人机记录具有到每个信标节点的最小跳数，然后将跳数值加1，并转发给邻居节点；
S3、每个信标节点无人机根据步骤S2中记录的其中一个信标节点无人机的位置信息和相距跳数，利用下式估算平均每跳的实际距离：
Figure BDA0002637952840000021
其中，(xi，yi，zi)，(xj，yj，zj)是信标节点i、j的坐标，hj是信标节点无人机i与j(i≠j)之间的跳段数；
S4、信标节点无人机将计算的每跳平均距离用带有生存期的字段的分组广播到网络中，协同无人机节点仅记录接收到的第1个每跳平均距离，并转发给邻居节点；协同无人机节点接收到平均每跳距离后，根据记录的跳数，计算到每个信标节点之间的距离；
S5、各个协同无人机节点利用步骤S4中得到的到各个信标节点的距离，利用三边测量法计算出自身坐标，并传递至地面基站。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过无人机集群中任意三个无人机作为信标节点，对各个协同无人机的位置坐标进行标定，减少地面基站与无人机的通信量的同时，实现了无人机在GPS拒止环境下与地面基站的自主定位，有效扩大无人机的应用场景。
附图说明
图1为实施例中GPS拒止环境下无人机集群实时定位方法的流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
参见图1，一种GPS拒止环境下无人机集群实时定位方法，每架无人机搭载惯性测量单元、陀螺仪和加速度计，无人机集群由地面基站编队起飞并与地面基站建立实时通讯，并执行如下步骤：
S1、以无人机集群中至少三个无人机作为信标节点，每个信标节点无人机通过自身惯性测量单元、陀螺仪及加速度计测量速度、加速度及长机与地面基站的相对位置，并将测量数据传递至地面基站；
S2、每个信标节点无人机分别同时向其他信标节点无人机及各协同节点无人机广播自身位置信息的分组，其中包括跳数字段，初始化为0，各无人机记录具有到每个信标节点的最小跳数，然后将跳数值加1，并转发给邻居节点；
S3、每个信标节点无人机根据步骤S2中记录的其中一个信标节点无人机的位置信息和相距跳数，利用下式估算平均每跳的实际距离：
Figure BDA0002637952840000031
其中，(xi，yi，zi)，(xj，yj，zj)是信标节点i、j的坐标，hj是信标节点无人机i与j(i≠j)之间的跳段数；
S4、信标节点无人机将计算的每跳平均距离用带有生存期的字段的分组广播到网络中，协同无人机节点仅记录接收到的第1个每跳平均距离，并转发给邻居节点；协同无人机节点接收到平均每跳距离后，根据记录的跳数，计算到每个信标节点之间的距离；
S5、各个协同无人机节点利用步骤S4中得到的到各个信标节点的距离，利用三边测量法计算出自身坐标，并传递至地面基站。
本实施例中以三个信标无人机节点为例：已知某一时刻三个信标无人机节点相对于地面基站的坐标位置分别为：(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)；
任一未知协同无人机节点(x0，y0，z0)到三点距离d1，d2，d3；以d1，d2，d3为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出未知协同无人机节点的位置计算公式：
Figure BDA0002637952840000032
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种GPS拒止环境下无人机集群实时定位方法，每架无人机搭载惯性测量单元、陀螺仪和加速度计，其特征在于，无人机集群由地面基站编队起飞并与地面基站建立实时通讯，并执行如下步骤：
S1、以无人机集群中至少三个无人机作为信标节点，每个信标节点无人机通过自身惯性测量单元、陀螺仪及加速度计测量速度、加速度及长机与地面基站的相对位置，并将测量数据传递至地面基站；
S2、每个信标节点无人机分别同时向其他信标节点无人机及各协同节点无人机广播自身位置信息的分组，其中包括跳数字段，初始化为0，各无人机记录具有到每个信标节点的最小跳数，然后将跳数值加1，并转发给邻居节点；
S3、每个信标节点无人机根据步骤S2中记录的其中一个信标节点无人机的位置信息和相距跳数，利用下式估算平均每跳的实际距离：
Figure FDA0002637952830000011
其中，(xi，yi，zi)，(xj，yj，zj)是信标节点i、j的坐标，hj是信标节点无人机i与j(i≠j)之间的跳段数；
S4、信标节点无人机将计算的每跳平均距离用带有生存期的字段的分组广播到网络中，协同无人机节点仅记录接收到的第1个每跳平均距离，并转发给邻居节点；协同无人机节点接收到平均每跳距离后，根据记录的跳数，计算到每个信标节点之间的距离；
S5、各个协同无人机节点利用步骤S4中得到的到各个信标节点的距离，利用三边测量法计算出自身坐标，并传递至地面基站。
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