CN113933912B - 一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法和系统，方法包括步骤如下：使用无人机平台接收探测命令，探测命令包含所有需要探测的弹坑位置；根据弹坑分布情况形成探测策略，控制无人机平台进行飞行探测，使形成的总飞行路线最短；由无人机平台搭载探测设备对子探测区域进行探测，将采集的数据由无线方式传至地面数据处理平台，经过定位算法处理后，最终输出目标位置。本发明克服了传统探测时的探测效率、识别效率低下等弊端。

Description

一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法和系统

技术领域

本发明涉及一种多目标定位方法和系统，属于探测技术领域。

背景技术

目前针对靶场未爆弹探测，大部分采用传统方式，需要人员抵近，依赖作业人员的观测，凭经验进行判断，此类方式探测效率低下，作业人员安全难以保障。还有一部分驾驶车辆抵近进行探测，此类探测方式地形适应能力较差，同样存在效率低下的问题。近年来，探测技术和无人机技术都在高速发展，无人机载探测系统具有探测范围大、使用效率高、灵活飞行不受地形限制、危险性小等特点，极具发展潜力。

专利CN 108227010 A发明了一种面向地埋未爆弹的专用铯光泵探测器，该专利针对具有铁磁性外壳未爆弹，应用铯光泵探测器对其进行探测。克服了传统设备探测精度差、探测时间长等缺点。但是该专利中并没有就如何实际搭载该探测仪器探测进行相关描述。

专利CN 207586753 U发明了一种多旋翼无人机扫雷排雷装置，该专利由飞行扫雷器和指挥控制终端组成。所述飞行扫雷器是由多旋翼无人机携带3D成像仪和磁探仪等模块构成。首先由3D成像模块对地形扫描生产三维地图，然后在搭载磁探仪距离地表不超过10cm低空飞行，从而绘出指定区域的磁场量图进行磁异常区域标记。此专利需要进行至少两次飞行才能完成探测，效率不高。另外，磁探仪离地面不超过10cm低空飞行对无人机设备是一个相当大的挑战，具有较高的实现难度。

专利CN107367764 A设计了一种精确测量未爆弹瞬变电磁特征响应的装置与方法。该装置由长直螺线管、矩形线圈组合接收线圈组成。测量在均匀脉冲磁场激励下，未爆弹沿纵轴和横轴方向的二次场。虽然提出了背景场强扣除等手段，但是没有提出具体的探测方式，只是在实验室进行了相关的试验。

现有技术存在如下问题：

(1)缺乏探测策略及定位算法方面的描述；

(2)就目前无人机等技术水平，整体实现难度极大；

(3)实际应用层面的设计太少，很多属于理论或实验室水平。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有未爆弹探测技术存在的问题，提出了一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法和系统，提前规划探测路线，形成探测策略，原始数据通过无线传输到地面信息综合处理中心进行处理，可实现对探测区域内多个目标的定位。系统能够实现多个目标高效率探测与定位，具有更高的安全性与实用性。

本发明所采用的技术方案是：一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法，包括步骤如下：

使用无人机平台接收探测命令，探测命令包含所有需要探测的弹坑位置；

根据弹坑分布情况形成探测策略，控制无人机平台进行飞行探测，使形成的总飞行路线最短；

由无人机平台搭载探测设备对子探测区域进行探测，将采集的数据由无线方式传至地面数据处理平台，经过定位算法处理后，最终输出目标位置。

所述无人机平台集成搭载RTK、MESH、光泵磁力仪，磁力仪数量为4台。

所述探测策略的形成方法如下：

步骤3.1、将图像识别出的N个弹坑进行排序，排序方法为：以地面数据处理平台的RTK为坐标原点，东、北向为平面x、y轴的正方向，建立坐标系；在建立的坐标系中，按照排序规则为到y轴越近、排序越靠前，对弹坑进行排序，记每个弹坑的坐标为P_i(x_i，y_i)，其中1≤i≤N；N为正整数；

步骤3.2、当相邻两个点P_i和P_i+1满足以下关系时，两个点合并为一个子探测区域：

其中，l_m为子探测区域的边长；

合并后，以点P_i’为中心，以为边长的正方形进行探测；点P_i’的坐标为/>

步骤3.3、以原点P₀为探测线路起点，控制无人机平台遍历所有子探测区域，每个子探测区域只探测一次，将所有子探测区域排列组合共形成M！＝M×(M-1)×…×2×1种探测线路；M为子探测区域个数；

在每条探测线路中，计算原点P₀到第一个子探测区域中心点的距离D₁、第一个子探测区域中心点到第二个子探测区域中心点的距离D₂、……、第M-1个子探测区域中心点到第M个子探测区域中心点的距离D_M，最佳路线为寻找总路线长度D＝D₁+D₂+...+D_M的最小值；

总路线长度最小值对应的探测线路中各个子探测区域之间的顺序为无人机平台探测的顺序。

无人机平台对子探测区域进行探测时，无人机平台的飞行速度v≤a×f；

其中，f为磁力仪采样频率；a为两个磁力仪采样点之间的圆心距；

无人机平台的实际飞行高度h满足

r为每个磁力仪的磁探头探测范围交集最边缘处的水平面切面的半径，R为磁力仪的有效探测半径；h’为磁力仪的探测深度；

无人机平台航迹之间的间距为：横向两个磁探头之间距离为l。

无人机平台将采集的4个磁探头的每一帧磁场数据与RTK位置信息、时间信息进行组帧匹配，通过MESH传输到地面数据处理平台；

RTK天线有两个，其中一个反映无人机平台的真实位置；定位算法中数据需要进行坐标转换，RTK和无人机载体坐标系之间的坐标转换方法为：

以无人机中心为原点，前进方向为x轴方向，无人机水平方向右侧90°为y轴正方向，x轴垂直方向向下旋转90°为z轴正方向，建立无人机载体坐标系；

将RTK测得的无人机的经度、纬度、高度坐标转换到北东地直角坐标系中；

将北东地直角坐标系中的点坐标转换到子探测区域坐标系中，子探测区域坐标系以无人机进入子探测区域第一个点为原点，实现所测含经纬度高度的磁数据的坐标转换。

定位算法的步骤如下：

对坐标转换后的磁数据进行滤波，对每个坐标位置的4个探头所测磁场求均值，将子探测区域分成以若干边长为w的正方形为单位的区域网格，边长w小于子探测区域的边长；对每个单位区域网格的数据进行插值，与背景扫描生成的数据库做差，然后求取网格平面磁场极大值和极小值，通过设定极大值和极小值之间差值的阈值实现目标识别；

无人机探测区域属于背景扫描区域的一部分；背景扫描以整个靶场为扫描范围，对磁日变进行观测，建立真实的靶场磁场数据库。

采用所述基于无人机平台的多目标高精度定位方法的系统，包括：

第一模块，用于接收探测命令，探测命令包含所有需要探测的弹坑位置；

第二模块，用于根据弹坑分布情况形成探测策略，控制无人机平台进行飞行探测，使形成的总飞行路线最短；

第三模块，用于对子探测区域进行探测，将采集的数据由无线方式传至地面数据处理平台，经过定位算法处理后，最终输出目标位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明描述了一种实用、安全的未爆弹探测系统。由无人机搭载磁力仪阵列，远程采集数据，通过无线方式传至地面进行处理，实现了对目标的远程探测。

(2)本发明采用4个光泵探头组成磁阵列，同步采集数据，结合定位算法，提高了信噪比，增加了信号的识别概率。

(3)本发明根据目标大小，在探测区域内划定更小识别单位，可实现探测区域内多个目标的定位。

(4)本发明根据目标磁特性与磁力仪探测能力，自动规划无人机航迹、速度等参数，实现探测策略的优化。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图；

图2为本发明多旋翼无人机搭载磁阵列示意图；

图3为本发明多个子探测区域探测路线规划图；

图4为本发明计算两个点是否合并为一个子探测区域示意图；

图5为本发明探测策略生成流程图；

图6为本发明磁力仪三维探测范围示意图；

图7为本发明磁力仪纵向探测范围；

图8为本发明磁力仪横向有效探测区域；

图9为本发明RTK坐标系示意图；

图10为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明针对目前未爆弹探测的不足，提出一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法。探测系统主要由无人机搭载4个铯光泵磁力仪探头组成的磁阵列，如图2所示。

多目标快速磁探测策略与高精度定位方法基本流程如图10所示，首先接收探测命令，该命令包含了所有需要探测弹坑位置；然后根据探测位置形成探测策略，进行飞行探测，使形成的总飞行路线最短；接着对探测区域进行数据采集与存储，数据通过远程无线方式传输到地面信息综合处理中心进行处理，系统构成如图1所示；数据传输到地面站后，首先要对数据进行预处理。预处理的过程就是划定有效的规则区域，将区域外部的探测数据进行剔除。此操作目的是将无人机转向、加减速等操作时，对磁力仪产生较大干扰进行剔除，以截取更为有效的探测数据。截取后的数据经过算法处理后，实现多目标定位；最后输出探测到的目标位置信息。

地磁观测站主要应用于背景扫描这类时间跨度较大的作业场景。由于靶场地质环境复杂，碎片、未探测哑弹等存在，会造成靶场磁环境并非均匀分布，需要提前建立磁背景数据库，将磁异常位置进行标记。在建立靶场磁背景数据库的时候，由于靶场地域辽阔，短时间难以完成扫描任务。而长时间而言，磁日变数值较大。地磁观测站用来实时观测靶场静态磁环境，建立磁背景数据库的时候，可以去掉磁日变带来的干扰，从而建立更为准确的磁背景数据库。在实际探测时，将探测到的磁数据和磁背景数据库进行简单对比，再进行目标定位，提高目标定位的准确率。

对探测区域进行探测，就要规划探测路线，形成探测策略。主要包括，多个弹坑之间探测路线规划，每个探测区域航迹间距、飞行速度、高度等计算与设定。

目前图像识别算法已发展较成熟，可以由无人机搭载吊舱设备，首先对探测区域初步探测，标记弹坑的位置。对多个弹坑进行磁探测时，探测先后顺序决定了无人机飞行距离，此飞行距离最小时，即为最佳探测路线。

图5为本发明探测策略生成流程图；假设图像共识别出N个弹坑，以地面信息综合处理中心的RTK为坐标原点，东、北向为平面x、y轴的正方向。按照排序规则对N个弹坑进行排序，排序规则定为到y轴越近、排序越靠前，每个弹坑记为P_i(x_i，y_i)(其中1≤i≤N)，N为正整数；如图3所示。

当相邻两个点P_i和P_i+1满足以下关系时，两个点合并为一个探测区域，如图4所示。

其中l_m为子探测区域的边长。合并后，以点为中心，以下式为边长的正方形进行探测：

以原点P₀为探测线路起点，控制无人机平台按任意顺序遍历所有子探测区域且每个子探测区域只探测一次，即将所有子探测区域进行排列组合共形成M！＝M×(M-1)×…×2×1种探测线路；M为子探测区域个数；

在每条探测线路中，计算原点P₀到第一个子探测区域中心点的距离D₁、第一个子探测区域中心点到第二个子探测区域中心点的距离D₂、……、第M-1个子探测区域中心点到第M个子探测区域中心点的距离D_M，最佳路线为寻找总路线长度D＝D₁+D₂+...+D_M的最小值，此时各个点之间的顺序即为无人机探测的顺序。数据实时回传，每探测一个区域，则对该子区域数据进行文件标记，以区分不同探测区域，分开进行算法定位。

磁力仪有效探测半径为R，如图6所示，实际飞行高度为h(无人机距离地面高度)的时候，探深(地面到探测重叠区域)为h’。探头之间距离为l。每个磁探头探测范围交集最边缘处(地底)的水平面切面是一个个圆形，这是计算磁力仪在水平方向最大的探测面积的主要依据之一其圆形半径为r，存在以下关系：

每个磁探头在水平切面方向的有效探测区域为圆，无人机飞行速度为v(m/s)，磁力仪采样频率为f Hz，以无人机前进方向为纵向，如图7所示。每两个采样点之间圆心距已知为a，则纵向来看每个圆内接矩形的宽即为a。求得的矩形的长为：

而且，若实现纵向磁探测区域全覆盖，需要满足单位时间内，无人机的飞行距离不大于相邻两个纵向采样点的圆心距，即飞行速度为：

t为时间，无人机之间的横向探测，也需要满足探测区域全覆盖，所以可等效为两个大小为a×(b-l)的矩形进行叠加，所以无人机航迹之间的最大间距为b-l，如图8所示。

由此，确定了无人机搭载磁力仪进行多目标探测时的最优探测策略，提高了探测效率。

定位算法中数据首先要进行坐标转换。坐标转换共需要分三个步骤：

第一步为：建立载体坐标系。以无人机中心为原点，前进方向为x轴方向，无人机水平方向右侧90°为y轴正方向，x轴垂直方向向下旋转90°为z轴正方向，由此建立了载体坐标系。

数据由RTK到载体坐标系坐标转换。RTK天线有两个，其中一个是反映的真实位置。在每一帧数据中，同步采集4个探头的磁场数据，和RTK位置、时间信息进行组帧。RTK和载体坐标系之间首先要经过一定平移，RTK和载体坐标系示意图如图9所示。每个时刻的RTK位置，对应采集4个探头的磁场值。载体坐标变换后，补偿了RTK不在4探头正中心的误差。

第二步，将RTK测得的无人机的经度、纬度、高度坐标转换到北东地直角坐标系中；

第三步：将北东地直角坐标系中的点坐标转换到子探测区域坐标系中，子探测区域坐标系以无人机进入子探测区域第一个点为原点。由此，实现了由所测含经纬度高度的磁数据转换到到以局部探测区域为直角坐标的磁数据。

对坐标转换后的数据进行滤波，以实现去掉无人机、地面等高频干扰的目的；然后对每个坐标位置的4个探头所测磁场求均值，实现对信噪比的提升；接着将探测区域分成以若干更小正方形为单位的小区域网格，以实现探测区域内有多个目标定位；对每个单位网格的数据进行插值，数据均匀布满单位网格后求取网格平面磁场极大值和极小值，通过设定极大值和极小值之间差值的阈值实现目标识别。

采用所述基于无人机平台的多目标高精度定位方法的系统，包括：

第一模块，用于接收探测命令，探测命令包含所有需要探测的弹坑位置；

第二模块，用于根据弹坑分布情况形成探测策略，控制无人机平台进行飞行探测，使形成的总飞行路线最短；

第三模块，用于对子探测区域进行探测，将采集的数据由无线方式传至地面数据处理平台，经过定位算法处理后，最终输出目标位置。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法，其特征在于，包括步骤如下：

使用无人机平台接收探测命令，探测命令包含所有需要探测的弹坑位置；

根据弹坑分布情况形成探测策略，控制无人机平台进行飞行探测，使形成的总飞行路线最短；

由无人机平台搭载探测设备对子探测区域进行探测，将采集的数据由无线方式传至地面数据处理平台，经过定位算法处理后，最终输出目标位置；

所述探测策略的形成方法如下：

步骤3.1、将图像识别出的N个弹坑进行排序，排序方法为：以地面数据处理平台的RTK为坐标原点，东、北向为平面x、y轴的正方向，建立坐标系；在建立的坐标系中，按照排序规则对弹坑进行排序，排序规则为到y轴越近、排序越靠前，记录每个弹坑的坐标为P_i(x_i，y_i)，其中1≤i≤N；N为正整数；

步骤3.2、当相邻两个点P_i和P_i+1满足以下关系时，两个点合并为一个子探测区域：

其中，l_m为子探测区域的边长；

合并后，以点P_i’为中心，以为边长的正方形进行探测；点P_i’的坐标为/>

步骤3.3、以原点P₀为探测线路起点，控制无人机平台按任意顺序遍历所有子探测区域且每个子探测区域只探测一次，共形成M！＝M×(M-1)×…×2×1种探测线路；M为子探测区域个数；

在每条探测线路中，计算原点P₀到第一个子探测区域中心点的距离D₁、第一个子探测区域中心点到第二个子探测区域中心点的距离D₂、……、第M-1个子探测区域中心点到第M个子探测区域中心点的距离D_M，最佳路线为寻找总路线长度D＝D₁+D₂+...+D_M的最小值；

总路线长度最小值对应的探测线路中各个子探测区域之间的顺序为无人机平台探测的顺序；

无人机平台对子探测区域进行探测时，无人机平台的飞行速度v≤a×f；

其中，f为磁力仪采样频率；a为两个磁力仪采样点之间的圆心距；

无人机平台的实际飞行高度h满足

r为每个磁力仪的磁探头探测范围交集最边缘处的水平面切面的半径，R为磁力仪的有效探测半径；h’为磁力仪的探测深度；

无人机平台航迹之间的间距为：横向两个磁探头之间距离为l。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法，其特征在于，所述无人机平台集成搭载RTK、MESH、光泵磁力仪，磁力仪数量为4台。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法，其特征在于，无人机平台将采集的4个磁探头的每一帧磁场数据与RTK位置信息、时间信息进行组帧匹配，通过MESH传输到地面数据处理平台；

RTK天线有两个，其中一个反映无人机平台的真实位置；

定位算法中数据需要进行坐标转换，RTK和无人机载体坐标系之间的坐标转换方法为：

以无人机中心为原点，前进方向为x轴方向，无人机水平方向右侧90°为y轴正方向，x轴垂直方向向下旋转90°为z轴正方向，建立无人机载体坐标系；

将RTK测得的无人机的经度、纬度、高度坐标转换到北东地直角坐标系中；

将北东地直角坐标系中的点坐标转换到子探测区域坐标系中，子探测区域坐标系以无人机进入子探测区域第一个点为原点，实现所测含经纬度高度的磁数据的坐标转换。

4.根据权利要求3所述的一种基于无人机平台的多目标高精度定位方法，其特征在于，定位算法的步骤如下：

对坐标转换后的磁数据进行滤波，对每个坐标位置的4个探头所测磁场求均值，将子探测区域分成以若干边长为w的正方形为单位的区域网格，边长w小于子探测区域的边长；对每个单位区域网格的数据进行插值，与背景扫描生成的数据库作差，然后求取网格平面磁场极大值和极小值，通过设定极大值和极小值之间差值的阈值实现目标识别；

无人机探测区域属于背景扫描区域的一部分；背景扫描以整个靶场为扫描范围，对磁日变进行观测，建立真实的靶场磁场数据库。

5.一种采用如权利要求1～4任一所述基于无人机平台的多目标高精度定位方法的系统，其特征在于，包括：

第一模块，用于接收探测命令，探测命令包含所有需要探测的弹坑位置；

第二模块，用于根据弹坑分布情况形成探测策略，控制无人机平台进行飞行探测，使形成的总飞行路线最短；

第三模块，用于对子探测区域进行探测，将采集的数据由无线方式传至地面数据处理平台，经过定位算法处理后，最终输出目标位置。