[發明專利]基于UWB測距和無人機飛行路徑的地面節點定位方法

有效

• 申請號: 202010680710.9
• 申請日: 2020-07-15
• 公開（公告）號: CN111856392B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 朱小軍;趙曉薇;董超
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02;H04W64/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 陸燁

本發明公開了基于UWB測距和無人機飛行路徑的地面節點定位方法，包括以下步驟：(1)規范化待覆蓋區域為包含待定位區域的最小正方形。(2)構造懸停點，使用特定大小的小正方形覆蓋整個待定位區域，每個小正方形的頂點為無人機的懸停點。(3)根據懸停點的行數和列數構造無人機的飛行路徑，該路徑經過所有的懸停點，且飛行距離最短。(4)無人機按路徑飛行，并在懸停點釋放UWB信號，地面節點在觀測到三組及以上測距數據時，使用多邊定位法定位。本發明可以保證，任意處于待覆蓋區域內的節點至少可以觀測到三個懸停點，從而能夠獲得至少三組測距信息實現精確定位。

技術領域

本發明屬于定位領域。

背景技術

已有的定位方法主要分為兩大類：基于測距的定位方法和基于非測距的定位方法。基于測距的方法需要特殊的硬件提供測距服務，其優點在于精度較高。基于測距的方法包括使用RSSI、到達時間差、聲波、到達角度等。超寬帶(UWB)技術具有較強的抗干擾能力和抗多徑能力，可以有效減小測距和定位誤差，從而在定位領域引起了廣泛地關注。在獲得測距信息后，使用多邊定位或者多角度定位獲得位置。當前基于測距的方法主要應用于地面節點之間互相測距，根據測距信息定位，其難點在于地面障礙物較多，遮擋信號地傳播，導致測距信息不準，從而定位不準確。基于非測距的方法對硬件要求較低，但其定位精度同樣較低。

利用無人機對地面目標定位可以避免障礙物對測距信息地干擾，因為無人機在空中飛行，其與地面節點之間的傳播路徑一般無障礙物。當前利用無人機對地面定位的方法有兩類，一類利用攝像頭拍照，通過分析圖像對地面目標定位，其缺點在于當地面目標較小或者光照不足時，地面目標難以捕獲在圖像中。另一類采用接收信號強度，即RSSI，估算無人機與地面目標的相對距離，其缺點在于RSSI受噪音影響較大，導致距離估計誤差較大，造成較大的定位誤差，此外，這種方法需要的無人機飛行長度較長。

發明內容

發明目的：為了克服現有定位技術中存在收環境影響大、定位誤差大等問題，本發明提供了一種基于UWB測距和無人機飛行路徑的地面節點定位方法。

技術方案：本發明提供了一種基于UWB測距和無人機飛行路徑的地面節點定位方法，具體包括如下四個步驟：

步驟1：根據需要定位的區域，確定包含該區域的最小正方形區域，將該最小正方形區域作為待覆蓋區域，基于該待覆蓋區域建立二維坐標系，使得正方形的相互垂直的兩條臨邊分別在二維坐標系的橫軸和縱軸上；基于UWB測距模塊的最大測距半徑r和無人機的飛行高度H，確定UWB的廣播信號在地面的覆蓋范圍R；

步驟2：將待覆蓋區域分為s*s個大小相同的小正方形網格，每個正方形網格的對角線長度均為R，將每個小正方形的頂點設為無人機的懸停點；

步驟3：構造無人機的最短飛行路徑，且該飛行路徑使得無人機經過所有的懸停點；

步驟4：無人機按照最短飛行路徑飛行，并在懸停點停留時釋放UWB信號；待覆蓋區域內的所有地面節點實時檢測UWB信號，當某一個節點檢測到UWB信號時記錄該UWB信號的測距值，所述測距值是指該UWB信號所對應的懸停點與該節點之間的距離；當某一個地面節點檢測到的UWB信號達到三組或三組以上時，該地面節點根據記錄的UWB測距值對自身進行定位。

進一步的，步驟1中的

進一步的，步驟2中的w為待覆蓋區域的邊長，為向上取整。

進一步的，步驟3具體為：步驟1中建立的二維坐標系的x軸上有m＝s+1個懸停點，在y軸上有m＝s+1個懸停點；

初始最短路徑為：P_0,0→P_0,m-1→P_m-1,m-1→P_m-1,m-2，其中P表示懸停點，P的下標為懸停點的坐標值，若m為偶數，按照如下步驟設置P_m-1,m-2到P_0,0的最短路徑：