[發明專利]面向多機緊密編隊飛行基于UWB通信與定位方法及一體化系統

有效

• 申請號: 201810210798.0
• 申請日: 2018-03-14
• 公開（公告）號: CN108521670B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 尹棟;李杰;王祥科;相曉嘉;曹述強;賴俊
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W4/42;G01S19/46
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 周長清

本發明公開了一種面向多機緊密編隊飛行基于UWB通信與定位方法及一體化系統，該方法為：在“長機?僚機”編隊中，長機按照設定的航線飛行，僚機去自主“跟隨”長機完成編隊；在長機上安裝GPS模塊和UWB模塊以完成定位、飛行控制模塊以完成飛行控制、機間通信設備以完成機站通信和機間通信，在僚機上安裝處理器實現編隊控制算法；在編隊的過程中，由GPS模塊來引導僚機接近長機，當機間的相對距離達到UWB的有效工作距離之內，就引入UWB的數據來實現緊密編隊。該系統用來實施上述方法。本發明具有原理簡單、易實現、可靠性好等優點。

技術領域

本發明主要涉及到無人機領域，特指一種面向多機緊密編隊飛行基于UWB通信與定位方法及一體化系統。

背景技術

多無人機(UAVs)編隊可以協同完成任務，提高單次作戰任務的成功概率，因而引起各國對多機編隊飛行的研究熱潮。而UAV緊密編隊具有重量輕、展弦比大、氣動性能好以及結構強度高的特點，更是目前研究的熱點。相比單UAV飛行，多UAV緊密編隊更加復雜，需要突破一系列技術難點。其中，機間相對定位是緊密編隊的關鍵問題。

目前無人機廣泛采用GPS定位技術，使得無人機的定位精度控制在10米左右，而密集編隊需要達到分米級、甚至厘米級的精度。如果進一步提高精度，就要采用差分GPS、雷達、視覺傳感器等技術，這將增大無人機系統的復雜程度，并且增加成本，有悖于發展無人機集群的初衷。

由于無人機是在一定區域內緊密編隊，所以可以考慮無線定位技術。常用的無線定位技術包括紅外線、藍牙、Wifi、ZigBee、RFID等，都難以滿足緊密編隊的需求。紅外線只適合短距離傳播，而且容易被光源干擾，在定位精度上有很大局限性。藍牙和Wifi基于接收信號強度(RSSI)實現定位，均適用于小范圍定位，受噪聲干擾較大，定位誤差不穩定。ZigBee也基于RSSI定位，受干擾影響大，定位精度較低(約3米)。而RFID技術需要布設大量基站，整體成本較高，且系統穩定性差，定位誤差較大(約20米)。

超寬帶(UWB)信號采用持續時間極短的窄脈沖，對時間、空間的分辨力都很強。不考慮其他誤差時，其定位精度可以達到厘米級。與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點。有從業者人員的研究表明，UWB在對靜態目標定位時的精度甚至可以達到2厘米，而對動態目標定位的精度也可以控制在30厘米內。因此，UWB技術應用于UAV相對定位是十分可行的。

發明內容

本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種原理簡單、易實現、可靠性好的面向多機緊密編隊飛行基于UWB通信與定位方法及一體化系統。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種面向多機緊密編隊飛行基于UWB通信與定位方法，在“長機-僚機”編隊中，長機按照設定的航線飛行，僚機去自主“跟隨”長機完成編隊；在長機上安裝GPS模塊和UWB模塊以完成定位、飛行控制模塊以完成飛行控制、機間通信設備以完成機站通信和機間通信，在僚機上安裝處理器實現編隊控制算法；在編隊的過程中，由GPS模塊來引導僚機接近長機，當機間的相對距離達到UWB的有效工作距離之內，就引入UWB的數據來實現緊密編隊。

作為本發明方法的進一步改進：在編隊控制過程中，GPS模塊用來引導僚機接近長機，處理器用來檢測是否有穩定的UWB定位數據。

作為本發明方法的進一步改進：當UWB模塊能在數據速率850KHz的模式下穩定工作時，利用低頻的UWB定位來控制UAV編隊；隨著距離的靠近，當UWB模塊在數據速率6.8MHz的模式下穩定工作時，就利用高頻的UWB定位來控制UAV編隊；一旦飛機距離增大，UWB模塊無法穩定定位，及時切換回GPS定位，保證能在全過程中得到長機與僚機的相對位置關系。