CN113110589A - 面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法及系统，该方法步骤包括：步骤S1、在每个无人机平台上部署安装UWB标签，各无人机平台通过部署的所述UWB标签进行通信；步骤S2、将每个无人机平台配置为一个测量节点，各无人机平台之间按照轮询方式进行两两相互测量定位，以在各测量节点中建立当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系，实现分布式相对定位。本发明具有实现方法简单、成本及功耗低、不需要依赖于辅助测量手段且定位精准等优点。

Description

面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法及系统
技术领域
本发明涉及无人机集群控制技术领域，尤其涉及一种面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法及系统。
背景技术
无人机集群是由大规模的微小型低成本无人机平台构成，目前通常利用卫星导航定位方式或相对定位方式来实现群体编队构型，无人机平台之间采用集中式或分布式任务协调方式，相互协同配合完成任务，以达到预期编队构型效果。其中上述基于卫星导航定位的传统定位方式中，由于必须依赖于卫星导航信息，定位的稳定性较差，如在无人机集群实际应用中，极有可能会遭遇卫星导航甚至集群外部辅助导航拒止等的情况，致使无人机平台无法获取到位置信息而无法完成定位。
相对定位方式则是利用集群内部相互测量实现相对定位，无需依赖于卫星导航信息，可以确保集群编队构型和内部拓扑空间关系的稳定性。目前，大部分相对定位测量方式都是采用集中式，例如3G/4G移动通信中通过三个以上基站，利用达到时间差的方法计算出移动通信节点的位置；又如专利申请CN108521670A公开一种面向多机紧密编队飞行基于UWB通信与定位方法及一体化系统，该方案也是采用“基站-标签”的集中式定位方式，通过在长机上安装部署基站(3个UWB锚节点)，僚机上安装部署一个标签节点，通过测量标签节点与3个锚节点距离，并结合机载IMU，实时解算出僚机相对长机的角度与距离。但是上述集中式方式的相对定位测量方式，不仅实现成本高，需要部署多个标签节点，而且难以兼顾定位的精度以及实时性，尤其是当适用于大规模无人机平台中时，各无人机平台之间难以实现快速、精准的相对位置计算。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、成本及功耗低、定位精准的面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法，步骤包括：
步骤S1、在每个无人机平台上部署安装UWB(Ultra Wide Band，超宽带)标签，各无人机平台通过部署的所述UWB标签进行通信；
步骤S2、将每个无人机平台配置为一个测量节点，各无人机平台之间按照轮询方式进行两两相互测量定位，以在各所述测量节点中建立当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系，实现分布式相对定位。
进一步的，步骤S2的步骤包括：
步骤S201、进行初始化，获取各测量节点的初始化信息；
步骤S202、启动轮询测量，各无人机平台分别向其余无人机平台发送测量请求并接收返回的应答信号，根据每次测量时发送所述测量请求、接收到所述应答信号的时间分别计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离；
步骤S203、根据所述当前测量节点与其余测量节点之间的距离，确定当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系。
进一步的，所述步骤S201中初始化信息包括测量节点的总数数量N、各测量节点的编号node_num、测量的频率、测量周期T_timer、测量过程中使用的定时器的参数中一种或两种以上的组合。
进一步的，所述步骤S202中使用令牌式轮询测量方式依次启动各测量节点进行测量，每轮测量时每个测量节点将当前测量节点的编号node_num以及上一次测量请求发起的测量节点的编号other_num进行对比，若node_num-other_num＝1，即上一个发起测量请求的测量节点为当前测量节点的前一个测量节点，则将发送测量请求的令牌发送给当前测量节点，下一次由当前测量节点发起测量请求，其中若当前测量节点的编号为1，则为第一次发起测量请求的测量节点。
进一步的，所述步骤S202中，根据发起测量请求与接收到应答信号的接收时间之间的时间差，计算出发送测量请求的源测量节点与接收测量请求的目的测量节点之间的距离。
进一步的，所述步骤S203中，根据当前测量节点与其余测量节点两两之间的距离，得到当前测量节点与其余测量节点之间距离关系，并几何解算出当前节点与其余节点之间的方向夹角，得到当前测量节点与其余测量节点之间的方位关系。
进一步的，所述步骤S202的步骤包括：
步骤S221.判断当前测量节点的编号是否为1，如果是，转入步骤S223，否则转入步骤S222；
步骤S222.接收从其他测量节点发来的测量请求，并发送应答测量请求；判断上一个发起测量请求的测量节点是否为当前测量节点的前一个测量节点，如果是转入步骤S223，否则返回步骤S222；
步骤S223.由当前测量节点分别向其余测量节点发送测量请求；
步骤S224.接收其余测量节点返回的应答信号，根据发送测量请求与接收到所述应答信号之间的时间差计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离；
步骤S225.判断测量是否完成，如果是转入步骤S226，否则返回步骤S224；
步骤S226.将包含有当前测量节点到其余测量节点之间距离的数据包分别发送给除当前测量节点以外的其余测量节点，以用于解算出当前测量节点与其余测量节点之间的空间位置状态关系。
一种面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位系统，包括：
UWB标签，部署安装在每个无人机平台上，用于各无人机平台进行通信；
测量模块，用于将每个无人机平台配置为一个测量节点，各无人机平台之间按照轮询方式进行两两相互测量定位，以在各所述测量节点中建立当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系，实现分布式相对定位。
进一步的，所述测量模块包括：
初始化单元，用于进行初始化，获取各测量节点的初始化信息；
轮询测量单元，用于启动轮询测量，各无人机平台分别向其余无人机平台发送测量请求并接收返回的应答信号，根据每次测量时发送所述测量请求、接收到所述应答信号的时间分别计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离；
位置状态确定单元，用于根据所述当前测量节点与其余测量节点之间的距离，确定当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系。
一种无人机集群系统，包括多个无人机平台，每个所述无人机平台上搭载有如上述的分布式相对定位系统。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用UWB作为相对测量的载体，在每个无人机节点上安装一个UWB标签，在此基础上通过各无人机平台之间按照轮询方式进行两两相互测量定位，在各测量节点中建立当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系，使得可各无人机节点与相邻各个节点之间可相互测量与相对方位解算，从而可实现分布式相对定位，可以降低实现复杂程度、实现成本以及功耗等，。
2、本发明基于分布式相对定位方式，无需依赖其余任何辅助测量手段，且相比于传统集中式的相对定位方式，可以兼顾定位的精度以及效率，尤其适用于大规模无人机平台的紧密编队构型中，各无人机平台之间可以实现快速、精准的进行相对定位。
3、本发明基于高频短距测量方式，能够实现紧密编队的精确相对位置计算，进而利于无人机集群高效的完成紧密编队构型。
4、本发明通过建立令牌机制，采用令牌式轮询测量，仅需要进行n(n-1)/2次测量，相比于传统轮询测量方式，可以减少一半的测量，大大减少了测量所需时间，从而进一步提高定位效率。
5、本发明能够实现低成本、低功耗以及简单的相对定位测量，适用于由微小型无人机平台构成的大规模无人机集群中，以实现高效的大规模无人机集群紧密编队构型。
附图说明
图1是本实施例面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法的实现流程示意图。
图2是本发明基于无人平台部署的UWB设备标签实现相对定位的原理示意图。
图3是本发明具体应用实施例中令牌式轮询测量的详细流程示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法的步骤包括：
步骤S1、在每个无人机平台上部署安装UWB标签，各无人机平台通过部署的所述UWB标签进行通信；
步骤S2、将每个无人机平台配置为一个测量节点，各无人机平台之间按照轮询方式进行两两相互测量定位，以在各测量节点中建立当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系，实现分布式相对定位。
本实施例采用UWB作为相对测量的载体，在每个无人机节点上安装一个UWB标签，在此基础上通过各无人机平台之间按照轮询方式进行两两相互测量定位，在各测量节点中建立当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系，使得可各无人机节点与相邻各个节点之间可相互测量与相对方位解算，从而实现分布式相对定位。基于上述分布式相对定位方式，无需依赖其余任何辅助测量手段，且相比于传统集中式的相对定位方式，可以兼顾定位的精度以及效率，尤其适用于大规模无人机平台的紧密编队构型中，各无人机平台之间可以实现快速、精准的进行相对定位，进而利于无人机集群高效的完成紧密编队构型。
如图2所示，本实施例在每个微小型无人机平台上部署安装一个UWB标签(即UWB相对距离测量设备)，利用UWB高频无线通信构建底层全联通的通信链路网络拓扑。由于UWB属于高频信号，其通信功耗小于100mw，因此通信距离较近，如一般有效通信距离为一百米以内，即基于UWB的测量与定位仅适用于无人机平台与相邻或相近节点之间的测量，或者就近相对定位的群体应用。基于UWB测量定位的上述特性，本实施例针对大规模无人群体系统，按照任务或者区域先对大规模节点进行子群或簇的划分，以形成数量规模较小的子群或者簇；再对子群或者簇采用上述基于UWB的相对定位方法实现定位，使得可以结合UWB通过节点与相邻或相近节点的相对测距实现相对定位。
本实施例中每个无人平台即测量节点，通过多节点之间轮询式相互之间测量，以在各节点中建立自身相对其他节点的空间位置状态，每个无人机平台(测量节点)独立运行测量与计算流程。步骤S2实现轮询式测量的详细步骤包括：
步骤S201、进行初始化，获取各测量节点的初始化信息；
步骤S202、启动轮询测量，各无人机平台分别向其余无人机平台发送测量请求并接收返回的应答信号，根据每次测量时发送测量请求、接收到应答信号的时间分别计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离；
步骤S203、根据当前测量节点与其余测量节点之间的距离，确定当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系。
本实施例通过采用轮询测量方式，由各无人机平台分别向其余无人机平台发送测量请求并接收返回的应答信号，根据每次测量时发送测量请求、接收到应答信号的时间分别计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离，由各无人机两两之间的距离即可确定各无人机之间的空间位置状态关系，可以快速的实现无人机平台之间的相对定位。
上述步骤S201具体根据子群或者簇中相邻或邻近节点情况，确定节点总数数量N、本节点的编号node_num(节点编号是从1开始的自然数)、测量频率/周期T_timer、测量中使用的定时器周期设置等参数，参数配置具体可以根据实际需求确定。
上述步骤S202中具体使用令牌式轮询测量方式依次启动各测量节点进行测量，每轮测量时每个测量节点将当前测量节点的编号node_num以及上一次测量请求发起的测量节点的编号other_num进行对比，若node_num-other_num＝1，即上一个发起测量请求的测量节点为当前测量节点的前一个测量节点，则将发送测量请求的令牌发送给当前测量节点，下一次由当前测量节点发起测量请求，其中若当前测量节点的编号为1，则为第一次发起测量请求的测量节点。传统的轮询测量方式中每轮都需要进行两两之间测量，一共需要测量次数为n(n-1)，本实施例通过建立令牌机制，采用令牌式轮询测量，仅需要进行n(n-1)/2次测量，可以减少一半的测量，大大减少了测量所需时间，进一步提高定位效率。
上述步骤S202中，具体根据发起测量请求与接收到应答信号的接收时间之间的时间差，计算出发送测量请求的源测量节点与接收测量请求的目的测量节点之间的距离。
上述步骤S203中，具体根据当前测量节点与其余测量节点两两之间的距离，得到当前测量节点与其余测量节点之间距离关系，并几何解算出当前节点与其余节点之间的方向夹角，得到当前测量节点与其余测量节点之间的方位关系。
在具体应用实施例中，使用令牌式轮询测量时，首先每个节点根据自己的节点号node_num以及上一次测量请求发起的节点号other_num进行对比，若node_num-other_num＝1，即前一个测量节点为当前节点编号的前一个节点，则下一次发起测量请求的即为本节点。若本节点编号为1，则为第一次发起测量请求的节点；节点发起测量请求之后，等待各节点反馈应答，根据发起与到达时间差，计算出相对之间距离；通过节点之间两两之间测距，可得到本节点与其余节点之间距离关系，同时将其余节点作为“不同的基站标定点”，通过几何解算出本节点与其余节点之间方向夹角，由此得到本节点与其余节点的方位关系。
如图3所示，本实施例步骤S202使用令牌式轮询测量的详细步骤包括：
步骤S221.判断当前测量节点的编号是否为1，如果是，转入步骤S223，否则转入步骤S222；
步骤S222.接收从其他测量节点发来的测量请求，并发送应答测量请求；判断上一个发起测量请求的测量节点是否为当前测量节点的前一个测量节点，如果是转入步骤S223，否则返回步骤S222；
步骤S223.由当前测量节点分别向其余测量节点发送测量请求；
步骤S224.接收其余测量节点返回的应答信号，根据发送测量请求与接收到所述应答信号之间的时间差计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离；
步骤S225.判断测量是否完成，如果是转入步骤S226，否则返回步骤S224；
步骤S226.将包含有当前测量节点到其余测量节点之间距离的数据包分别发送给除当前测量节点以外的其余测量节点，以用于解算出当前测量节点与其余测量节点之间的空间位置状态关系。
本实施例基于令牌式的轮询测量方式，测量过程所需的计算时长非常短，在线实时即可快速完成，处理结果可采用广播的方式广播至其余无人机平台节点中，从而可以进一步减少其余节点发起测量请求的次数，尤其适用于实时性要求高的大规模无人机集群紧密编队构型应用中。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法，其特征在于，步骤包括：
步骤S1、在每个无人机平台上部署安装UWB标签，各无人机平台通过部署的所述UWB标签进行通信；
步骤S2、将每个无人机平台配置为一个测量节点，各无人机平台之间按照轮询方式进行两两相互测量定位，以在各所述测量节点中建立当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系，实现分布式相对定位。
2.根据权利要求1所述的面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法，其特征在于，步骤S2的步骤包括：
步骤S201、进行初始化，获取各测量节点的初始化信息；
步骤S202、启动轮询测量，各无人机平台分别向其余无人机平台发送测量请求并接收返回的应答信号，根据每次测量时发送所述测量请求、接收到所述应答信号的时间分别计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离；
步骤S203、根据所述当前测量节点与其余测量节点之间的距离，确定当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系。
3.根据权利要求2所述的面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法，其特征在于：所述步骤S201中初始化信息包括测量节点的总数数量N、各测量节点的编号node_num、测量的频率、测量周期T_timer、测量过程中使用的定时器的参数中一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求2所述的面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法，其特征在于：所述步骤S202中使用令牌式轮询测量方式依次启动各测量节点进行测量，每轮测量时每个测量节点将当前测量节点的编号node_num以及上一次测量请求发起的测量节点的编号other_num进行对比，若node_num-other_num＝1，即上一个发起测量请求的测量节点为当前测量节点的前一个测量节点，则将发送测量请求的令牌发送给当前测量节点，下一次由当前测量节点发起测量请求，其中若当前测量节点的编号为1，则为第一次发起测量请求的测量节点。
5.根据权利要求2所述的面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法，其特征在于，所述步骤S202中，根据发起测量请求与接收到应答信号的接收时间之间的时间差，计算出发送测量请求的源测量节点与接收测量请求的目的测量节点之间的距离。
6.根据权利要求5所述的面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法，其特征在于：所述步骤S203中，根据当前测量节点与其余测量节点两两之间的距离，得到当前测量节点与其余测量节点之间距离关系，并几何解算出当前节点与其余节点之间的方向夹角，得到当前测量节点与其余测量节点之间的方位关系。
7.根据权利要求2～6中任意一项所述的面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位方法，其特征在于，所述步骤S202的步骤包括：
步骤S221.判断当前测量节点的编号是否为1，如果是，转入步骤S223，否则转入步骤S222；
步骤S222.接收从其他测量节点发来的测量请求，并发送应答测量请求；判断上一个发起测量请求的测量节点是否为当前测量节点的前一个测量节点，如果是转入步骤S223，否则返回步骤S222；
步骤S223.由当前测量节点分别向其余测量节点发送测量请求；
步骤S224.接收其余测量节点返回的应答信号，根据发送测量请求与接收到所述应答信号之间的时间差计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离；
步骤S225.判断测量是否完成，如果是转入步骤S226，否则返回步骤S224；
步骤S226.将包含有当前测量节点到其余测量节点之间距离的数据包分别发送给除当前测量节点以外的其余测量节点，以用于解算出当前测量节点与其余测量节点之间的空间位置状态关系。
8.一种面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位系统，其特征在于，包括：
UWB标签，部署安装在每个无人机平台上，用于各无人机平台进行通信；
测量模块，用于将每个无人机平台配置为一个测量节点，各无人机平台之间按照轮询方式进行两两相互测量定位，以在各所述测量节点中建立当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系，实现分布式相对定位。
9.根据权利要求8所述的面向无人机集群紧密编队构型的分布式相对定位系统，其特征在于，所述测量模块包括：
初始化单元，用于进行初始化，获取各测量节点的初始化信息；
轮询测量单元，用于启动轮询测量，各无人机平台分别向其余无人机平台发送测量请求并接收返回的应答信号，根据每次测量时发送所述测量请求、接收到所述应答信号的时间分别计算出当前测量节点与其余测量节点之间的距离；
位置状态确定单元，用于根据所述当前测量节点与其余测量节点之间的距离，确定当前测量节点相对于其余测量节点的空间位置状态关系。
10.一种无人机集群系统，包括多个无人机平台，其特征在于，每个所述无人机平台上搭载有如权利要求8或9所述的分布式相对定位系统。
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