CN117784816A - 基于uwb的无人机野外搜救方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB的无人机野外搜救方法及装置。该方法包括：步骤100、利用由无人机携带的UWB接收器接收由求救者携带的UWB发射器所发出的求救信号；步骤102、控制无人机由初始位置按照预设飞行规则飞行三次；步骤104、采集无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标；步骤106、基于无人机的初始位置和每次飞行结束后的当前位置的位置坐标，确定求救者的位置坐标和初始位置到求救者的距离；步骤108、循环执行步骤102～106，直至初始位置到求救者的距离小于预设距离；其中，将每一轮循环过程中无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标作为初始位置的位置坐标。本发明的技术方案能够提高野外搜救效率。

Description

基于UWB的无人机野外搜救方法及装置

技术领域

本发明涉及通信定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB的无人机野外搜救方法及装置。

背景技术

山地旅行、丛林探险等户外冒险活动逐渐被大众所欢迎。然而，复杂的野外环境往往容易引发安全事故。在这种情况下，野外搜救通常需要耗费大量的人力和物力，同时也需要专业的搜救技术和设备。

近年来，随着科技的进步和社会的发展，无人机技术在野外搜救中的应用越来越广泛。无人机具有实时性强、机动速度快、经济便捷等特点，可以迅速到达搜救现场，进行大范围搜索，快速掌握灾情信息，为救援工作提供了强有力的技术支持。

定位是无人机在野外搜救的关键瓶颈技术。传统的定位技术，例如全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统、激光雷达、图像等方法，隶属于非盲环境下的定位技术，即这些方法都依赖于基站、指纹数据库、地图等已有信息或者设备。然而，野外环境地形复杂多变、缺乏基站等基础设施，使得GPS、北斗卫星导航系统等远程定位系统的信号接收困难，定位功能失效；此外，野外环境往往缺乏明显的地标或参照物，这使得基于图像或视觉的定位技术也无法发挥功能。由此可知，传统的无人机定位技术并不适用于野外搜救场景。

发明内容

本发明描述了一种基于UWB的无人机野外搜救方法及装置，能够提高野外搜救效率。

根据第一方面，本发明提供了一种基于UWB的无人机野外搜救方法，包括：

步骤100、利用由所述无人机携带的UWB接收器接收由求救者携带的UWB发射器所发出的求救信号；

步骤102、控制所述无人机由初始位置按照预设飞行规则飞行三次；其中，在所述无人机的野外搜救过程中，所述求救者的位置坐标固定不变；

步骤104、采集所述无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标；

步骤106、基于所述无人机的初始位置和每次飞行结束后的当前位置的位置坐标，确定所述求救者的位置坐标和所述初始位置到所述求救者的距离；

步骤108、循环执行步骤102～106，直至所述初始位置到所述求救者的距离小于预设距离；其中，将每一轮循环过程中所述无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标作为初始位置的位置坐标。

根据第二方面，本发明提供了一种基于UWB的无人机野外搜救装置，包括：

接收单元，被配置为利用由所述无人机携带的UWB接收器接收由求救者携带的UWB发射器所发出的求救信号；

控制单元，被配置为控制所述无人机由初始位置按照预设飞行规则飞行三次；其中，在所述无人机的野外搜救过程中，所述求救者的位置坐标固定不变；

采集单元，被配置为采集所述无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标；

确定单元，被配置为基于所述无人机的初始位置和每次飞行结束后的当前位置的位置坐标，确定所述求救者的位置坐标和所述初始位置到所述求救者的距离；

循环单元，被配置为循环执行控制单元、采集单元和确定单元的操作，直至所述初始位置到所述求救者的距离小于预设距离；其中，将每一轮循环过程中所述无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标作为初始位置的位置坐标。

根据本发明提供的基于UWB的无人机野外搜救方法及装置，通过UWB技术实现无人机野外搜救，隶属于盲环境下的定位技术，不依赖于已有的基站、地图、指纹信息；能够克服发射器和接收器时钟不同步引起的定位偏差；能够通过不停地迭代定位，逐渐逼近搜救者位置。因此，上述技术方案能够提高野外搜救效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了根据一个实施例的基于UWB的无人机野外搜救方法的流程示意图；

图2示出了根据一个实施例的基于UWB的无人机野外搜救装置的示意性框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的方案进行描述。

如前所述，传统的无人机定位技术并不适用于野外搜救场景。

超宽带(UWB)是一种无载波通信技术。较之于其他通信技术，UWB可以实现高精度的测距，通常在几厘米至几毫米的范围内。其次，UWB信号在复杂环境下的穿透能力较强，可以在室内、室外以及多路径干扰较多的环境下实现可靠的测距。目前，以苹果、三星、小米等为代表的手机厂商纷纷推出搭载了UWB技术的手机产品，而华为、OPPO、vivo等其他大厂也在跟进。因此，UWB非常适合野外场景下的测距定位。

因此，开发一种基于超宽带(UWB)点对点定位的野外无人机搜救技术，对于提高野外搜救效率、提供实时情报和快速医疗援助具有非常重要的意义。

下面描述以上构思的具体实现方式。

图1示出根据一个实施例的基于UWB的无人机野外搜救方法的流程示意图。可以理解，该方法可以通过任何具有计算、处理能力的装置、设备、平台、设备集群来执行。如图1所示，该方法包括:

步骤100、利用由无人机携带的UWB接收器接收由求救者携带的UWB发射器所发出的求救信号；

步骤102、控制无人机由初始位置按照预设飞行规则飞行三次；其中，在无人机的野外搜救过程中，求救者的位置坐标固定不变；

步骤104、采集无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标；

步骤106、基于无人机的初始位置和每次飞行结束后的当前位置的位置坐标，确定求救者的位置坐标和初始位置到求救者的距离；

步骤108、循环执行步骤102～106，直至初始位置到求救者的距离小于预设距离；其中，将每一轮循环过程中无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标作为初始位置的位置坐标。

在本实施例中，通过UWB技术实现无人机野外搜救，隶属于盲环境下的定位技术，不依赖于已有的基站、地图、指纹信息；能够克服发射器和接收器时钟不同步引起的定位偏差；能够通过不停地迭代定位，逐渐逼近搜救者位置。因此，上述技术方案能够提高野外搜救效率。

作为一种优选的实施方式，预设飞行规则包括：

第一次垂直飞行第一预设高度，第二次先水平飞行第一预设长度再垂直飞行第二预设高度，第三次先水平飞行第二预设长度再垂直飞行第三预设高度。

在本实施例中，通过引入Z轴坐标(即控制无人机垂直飞行)，可以增加无人机的定位精度。

作为一种优选的实施方式，无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标是通过如下方式采集的：

利用无人机携带的惯性测量单元(即IMU)测量得到的三个位置的X轴坐标和Y轴坐标；

利用无人机携带的雷达测量得到的三个位置的Z轴坐标。

作为一种优选的实施方式，令每一轮循环过程中的初始位置的位置坐标为(0，0，0)，求救者的位置坐标和初始位置到求救者的距离是通过如下公式确定的：

式中，x_A、y_A、z_A表示求救者的位置坐标，l(1)为初始位置到求救者的距离，z_B(2)为第一预设高度对应的Z轴坐标，Δx_B(3)、Δy_B(3)为第一预设长度对应的X轴坐标和Y轴坐标，z_B(3)为第二预设高度对应的Z轴坐标，Δx_B(4)、Δy_B(4)为第二预设长度对应的X轴坐标和Y轴坐标，z_B(4)为第三预设高度对应的Z轴坐标，l(2)为无人机飞行第一次结束后的当前位置到求救者的距离，l(3)为无人机飞行第二次结束后的当前位置到求救者的距离，l(4)为无人机飞行第三次结束后的当前位置到求救者的距离。

作为一种优选的实施方式，在步骤S106和S108之间，还包括：

步骤S107、通过如下公式计算无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标：

C＝[Δx_B(4) Δy_B(4) 0]+ε×[x_A-Δx_B(4) y_A-Δy_B(4) 0]

式中，C为每一轮循环过程中的初始位置的真实位置坐标，ε为在(0，0.05)内随机选取的数值；

步骤S108、循环执行步骤102～107，直至初始位置到求救者的距离小于预设距离。

在本实施例中，无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标是考虑了上一轮循环过程中估计出来的求救者的位置坐标(即x_A、y_A)，这样有利于后续迭代定位的定位精度。

下面介绍求救者的位置坐标和初始位置到求救者的距离的推导过程：

求救者在野外通过随身携带的UWB发射器发射求救信号，搜救无人机通过配置的UWB接收器接收求救信号，并计算两者的距离。具体地，求救者处于固定不变的位置，标记为A＝(x_A,y_A,z_A)，其中x_A、y_A、z_A分别表示坐标轴位置；无人机处于移动状态，其位置标记为B(t)＝(x_B(t),y_B(t),z_B(t))，其中x_B(t)、y_B(t)、z_B(t)分别表示t时刻的坐标轴位置；无人机和求救者之间的距离l(t)＝|B(t)-A|可以通过UWB通讯技术实施精准获得，无人机的离地高度z_B(t)可以通过雷达精准测量；由于野外GPS的不可靠性，无人机的x、y轴坐标(x_B(t)、y_B(t))仅能通过惯性测量单元进行估计，即

x_B(t)＝x_B(t-1)+Δx_B(t)

y_B(t)＝y_B(t-1)+Δy_B(t)

其中Δx_B(t)和Δy_B(t)是通过IMU计算的无人机x、y轴位移。

步骤1)：启动无人机，设置最初始的位置为B(1)＝(0,0,0)，并通过UWB获得此时的距离l(1)；

步骤2)：让无人机垂直飞行一定高度，获得无人机的位置B(2)＝(0,0,z_B(2))，并通过UWB获得此时的距离l(2)；

步骤3)：让无人机水平和垂直随机飞行一定距离，获得无人机的位置B(3)＝(Δx_B(3),Δy_B(3),z_B(3))，并通过UWB获得此时的距离l(3)；

步骤4)：让无人机再次水平和垂直随机飞行一定距离，获得无人机的位置B(4)＝(Δx_B(4),Δy_B(4),z_B(4))，并通过UWB获得此时的距离l(4)；

步骤5)：通过如下方式来消除发射器和接收器时钟不同步引起的测距偏差：

由距离公式可知

由上可知

上面公式可以写成矩阵形式

其中：

对上式求解得

基于以上公式可得

基于一元二次方程求根公式，提取正根，可得

步骤6)：基于当前的无人机位置B(4)和估计出来的求救者位置A，计算下一个移动点的位置：

C＝[Δx_B(4) Δy_B(4) 0]+ε×[x_A-Δx_B(4) y_A-Δy_B(4) 0]

步骤7)：到达位置C后，令B(1)＝(0,0,0)，并通过UWB获得此时的距离l(1)，然后转到步骤2)；

步骤8)：重复步骤2)-7)，直到C点和求救者位置A的距离低于一定值(例如5米)。

上述对本发明特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

根据另一方面的实施例，本发明提供了一种基于UWB的无人机野外搜救装置。图2示出根据一个实施例的基于UWB的无人机野外搜救装置的示意性框图。可以理解，该装置可以通过任何具有计算、处理能力的装置、设备、平台和设备集群来实现。如图2所示，该装置包括：接收单元200、控制单元202、采集单元204、确定单元206和循环单元208。其中各组成单元的主要功能如下：

接收单元200，被配置为利用由所述无人机携带的UWB接收器接收由求救者携带的UWB发射器所发出的求救信号；

控制单元202，被配置为控制所述无人机由初始位置按照预设飞行规则飞行三次；其中，在所述无人机的野外搜救过程中，所述求救者的位置坐标固定不变；

采集单元204，被配置为采集所述无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标；

确定单元206，被配置为基于所述无人机的初始位置和每次飞行结束后的当前位置的位置坐标，确定所述求救者的位置坐标和所述初始位置到所述求救者的距离；

循环单元208，被配置为循环执行控制单元、采集单元和确定单元的操作，直至所述初始位置到所述求救者的距离小于预设距离；其中，将每一轮循环过程中所述无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标作为初始位置的位置坐标。

作为一种优选的实施方式，所述预设飞行规则包括：

第一次垂直飞行第一预设高度，第二次先水平飞行第一预设长度再垂直飞行第二预设高度，第三次先水平飞行第二预设长度再垂直飞行第三预设高度。

作为一种优选的实施方式，所述无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标是通过如下方式采集的：

利用所述无人机携带的惯性测量单元测量得到的三个位置的X轴坐标和Y轴坐标；

利用所述无人机携带的雷达测量得到的三个位置的Z轴坐标。

作为一种优选的实施方式，令每一轮循环过程中的所述初始位置的位置坐标为(0，0，0)，所述求救者的位置坐标和所述初始位置到所述求救者的距离是通过如下公式确定的：

式中，x_A、y_A、z_A表示所述求救者的位置坐标，l(1)为所述初始位置到所述求救者的距离，z_B(2)为所述第一预设高度对应的Z轴坐标，Δx_B(3)、Δy_B(3)为所述第一预设长度对应的X轴坐标和Y轴坐标，z_B(3)为所述第二预设高度对应的Z轴坐标，Δx_B(4)、Δy_B(4)为所述第二预设长度对应的X轴坐标和Y轴坐标，z_B(4)为所述第三预设高度对应的Z轴坐标，l(2)为所述无人机飞行第一次结束后的当前位置到所述求救者的距离，l(3)为所述无人机飞行第二次结束后的当前位置到所述求救者的距离，l(4)为所述无人机飞行第三次结束后的当前位置到所述求救者的距离。

作为一种优选的实施方式，还包括：

计算单元，被配置为通过如下公式计算所述无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标：

C＝[Δx_B(4) Δy_B(4) 0]+ε×[x_A-Δx_B(4) y_A-Δy_B(4) 0]

式中，C为每一轮循环过程中的所述初始位置的真实位置坐标，ε为在(0，0.05)内随机选取的数值；

循环单元，被配置为循环执行控制单元、采集单元、确定单元和计算单元的操作，直至所述初始位置到所述求救者的距离小于预设距离。

根据另一方面的实施例，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行结合图1所描述的方法。

根据再一方面的实施例，还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现结合图1所述的方法。

本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于UWB的无人机野外搜救方法，其特征在于，包括：

步骤100、利用由所述无人机携带的UWB接收器接收由求救者携带的UWB发射器所发出的求救信号；

步骤102、控制所述无人机由初始位置按照预设飞行规则飞行三次；其中，在所述无人机的野外搜救过程中，所述求救者的位置坐标固定不变；

步骤104、采集所述无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标；

步骤106、基于所述无人机的初始位置和每次飞行结束后的当前位置的位置坐标，确定所述求救者的位置坐标和所述初始位置到所述求救者的距离；

步骤108、循环执行步骤102～106，直至所述初始位置到所述求救者的距离小于预设距离；其中，将每一轮循环过程中所述无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标作为初始位置的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设飞行规则包括：

第一次垂直飞行第一预设高度，第二次先水平飞行第一预设长度再垂直飞行第二预设高度，第三次先水平飞行第二预设长度再垂直飞行第三预设高度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标是通过如下方式采集的：

利用所述无人机携带的惯性测量单元测量得到的三个位置的X轴坐标和Y轴坐标；

利用所述无人机携带的雷达测量得到的三个位置的Z轴坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，令每一轮循环过程中的所述初始位置的位置坐标为(0，0，0)，所述求救者的位置坐标和所述初始位置到所述求救者的距离是通过如下公式确定的：

式中，x_A、y_A、z_A表示所述求救者的位置坐标，l(1)为所述初始位置到所述求救者的距离，z_B(2)为所述第一预设高度对应的Z轴坐标，Δx_B(3)、Δy_B(3)为所述第一预设长度对应的X轴坐标和Y轴坐标，z_B(3)为所述第二预设高度对应的Z轴坐标，Δx_B(4)、Δy_B(4)为所述第二预设长度对应的X轴坐标和Y轴坐标，z_B(4)为所述第三预设高度对应的Z轴坐标，l(2)为所述无人机飞行第一次结束后的当前位置到所述求救者的距离，l(3)为所述无人机飞行第二次结束后的当前位置到所述求救者的距离，l(4)为所述无人机飞行第三次结束后的当前位置到所述求救者的距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S106和S108之间，还包括：

步骤S107、通过如下公式计算所述无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标：

C＝[Δx_B(4) Δy_B(4) 0]+ε×[x_A-Δx_B(4) y_A-Δy_B(4) 0]

式中，C为每一轮循环过程中的所述初始位置的真实位置坐标，ε为在(0，0.05)内随机选取的数值；

步骤S108、循环执行步骤102～107，直至所述初始位置到所述求救者的距离小于预设距离。

6.一种基于UWB的无人机野外搜救装置，其特征在于，包括：

接收单元，被配置为利用由所述无人机携带的UWB接收器接收由求救者携带的UWB发射器所发出的求救信号；

控制单元，被配置为控制所述无人机由初始位置按照预设飞行规则飞行三次；其中，在所述无人机的野外搜救过程中，所述求救者的位置坐标固定不变；

采集单元，被配置为采集所述无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标；

确定单元，被配置为基于所述无人机的初始位置和每次飞行结束后的当前位置的位置坐标，确定所述求救者的位置坐标和所述初始位置到所述求救者的距离；

循环单元，被配置为循环执行控制单元、采集单元和确定单元的操作，直至所述初始位置到所述求救者的距离小于预设距离；其中，将每一轮循环过程中所述无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标作为初始位置的位置坐标。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设飞行规则包括：

第一次垂直飞行第一预设高度，第二次先水平飞行第一预设长度再垂直飞行第二预设高度，第三次先水平飞行第二预设长度再垂直飞行第三预设高度。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述无人机每次飞行结束后的当前位置的位置坐标是通过如下方式采集的：

利用所述无人机携带的惯性测量单元测量得到的三个位置的X轴坐标和Y轴坐标；

利用所述无人机携带的雷达测量得到的三个位置的Z轴坐标。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，令每一轮循环过程中的所述初始位置的位置坐标为(0，0，0)，所述求救者的位置坐标和所述初始位置到所述求救者的距离是通过如下公式确定的：

式中，x_A、y_A、z_A表示所述求救者的位置坐标，l(1)为所述初始位置到所述求救者的距离，z_B(2)为所述第一预设高度对应的Z轴坐标，Δx_B(3)、Δy_B(3)为所述第一预设长度对应的X轴坐标和Y轴坐标，z_B(3)为所述第二预设高度对应的Z轴坐标，Δx_B(4)、Δy_B(4)为所述第二预设长度对应的X轴坐标和Y轴坐标，z_B(4)为所述第三预设高度对应的Z轴坐标，l(2)为所述无人机飞行第一次结束后的当前位置到所述求救者的距离，l(3)为所述无人机飞行第二次结束后的当前位置到所述求救者的距离，l(4)为所述无人机飞行第三次结束后的当前位置到所述求救者的距离。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：

计算单元，被配置为通过如下公式计算所述无人机在第一次飞行时的当前位置的位置坐标：

C＝[Δx_B(4) Δy_B(4) 0]+ε×[x_A-Δx_B(4) y_A-Δy_B(4) 0]

式中，C为每一轮循环过程中的所述初始位置的真实位置坐标，ε为在(0，0.05)内随机选取的数值；

循环单元，被配置为循环执行控制单元、采集单元、确定单元和计算单元的操作，直至所述初始位置到所述求救者的距离小于预设距离。