基于UWB与伪卫星组合系统的无人机室内定位研究
发布时间：2020-03-25 03:51
【摘要】：随着社会经济的快速发展,城市电荷负荷量逐渐增大,与之相应的地下变电站数目不断增多、室内变压线路更加复杂等,这也就使得室内变电站巡检人员的工作量快速增加、变电站人工巡检效率低、巡检人员人身安全问题更加紧张等。因此当下研究重点是急需借助一种辅助工具取代人工进行室内变电站的巡检。本文提出以无人机代替人工进行巡检,对所需室内变电站场景下无人机自主导航的实现进行了研究与设计。本文首先对无人机电力巡检技术、无人机室内导航的研究现状作了介绍,对于依靠自身传感器实现室内自主导航的微型无人机来说,无人机的体积和载荷极大地限制机载设备的选择范围,因此,本文提出采用以传统的接收卫星信号方法实现无人机室内自主导航。而室内环境下,无人机无法接收GPS信号,针对这一问题,引出了本文所做研究内容及重点如下:(1)提出了一种基于UWB技术的室内定位系统。通过对室内常见无线定位方法与技术的优缺点比较,选取了基于到达时间差(TDOA)定位算法的超宽带(UWB)无线定位技术。通过对最优解算算法进行比较,选取了基于最小二乘(WLS)进行定位算法。因室内无线信号存在非视距下(NLOS)传播误差影响,算法上先利用卡尔曼滤波模型对原始测距信息进行平滑滤波处理,再采用基于WLS的TDOA进行定位解算,仿真结果验证了该模型的可行性。(2)完成基于UWB技术的室内定位系统软硬件设计。硬件设计部分包括:控制模块、无线收发模块、接口模块、电源模块等。软件设计包括驱动程序及定位服务器设计。针对信号收发所产生的时延影响分析,主要存在有信号空气传播时延以及硬件时延,信号空气的传播时延通过在软件算法中加入513ns进行去除,硬件时延利用迭代方法获取最优解。实验最终完成定位系统定位精度在±10cm范围内,达到理想要求。(3)通过对模拟GNSS信号结构、定位原理的理论研究,对卫星定位技术误差源进行分析后,完成了对模拟GNSS卫星信号系统以及控制软件的设计。同时对组合系统进行仿真平台搭建,对模拟卫星信号系统仿真文件进行了验证实验,其结果证明仿真平台具备正常播发模拟卫星信号功能;对无人机在室内做了定点悬停实验,实验结果达到预期要求。本文的最后,就室内变电站巡检无人机导航定位系统的下一步工作做了一定的探讨和展望。
【图文】：
图２．４ＴＤＯＡ原理图逡逑如图２．４所示，假设基站节点７；、ｒ２、ｒ３坐标分别为：逡逑（＆，＆），（＆，＆），（＆，＆），待测节点与基站节点距离分别为：ｒｆｉ、４、名，可得逡逑到待测节点到基站节点匕、７；距离差为：根据几何原理，，即待测节逡逑点必位于以ｒ２与７；为焦点、（＾为焦距的双曲线上。同理，待测节点必位于以７；逡逑与７；为焦点、（／３１＝ｄ３－＜为焦距的双曲线上。逡逑根据上述定位原理可得到如下方程组：逡逑＾ｘ２邋－邋ｘｆ邋＋邋（ｒ２邋－邋ｒ）２邋－邋＾（ｘｉ邋－邋ｉｆ邋＋逦－邋ｒｆ邋＝邋ｄ２１邋＝邋ｄ２－ｄｔ逡逑＾逦逦邋逦邋＼２．ｑ）逡逑＾ｘ３邋－邋ｘｆ邋＋邋（ｒ３邋－邋ｙ）２邋－邋＾邋－邋ｘｆ邋＋邋（ｒ，邋－邋ｒ）２邋＝邋ｄ３ｉ邋Ｈ逡逑因为基站节点所接收信号的时刻已知，即已知ｃ／２１、ｒｆ３１的值，利用求解方程逡逑组２．８便可以得到待测节点的位置。本文采用该方法进行定位解算。逡逑２．１．２无线定位技术选取逡逑一般常用于定位的无线技术有红外线技术、超声波技术、蓝牙技术、射频识逡逑别（ＲＦＩＤ）技术、Ｗｉ－Ｆｉ技术、ＺｉｇＢｅｅ技术以及ＵＷＢ技术等［４６１，其中关于无线逡逑技术的选取
逦１ＳＱ逡逑采枰点逡逑图２．６原始测量值下多种定位算法比较逡逑原始测虽值下多种定位算法比较逡逑１逦＇逦．逦＇逦＇Ｉ逡逑Ｉ邋７００邋＇逦＿逡逑卜逦——舰，「逡逑５００邋－逦＿邋十邋一邋Ｆａｎｇ邋好．法逦－逡逑＜逦Ｔａｙｌｏｒ邋－ｒｇｆＳｔｒｊ－逡逑＜逦逦＜３逦Ｃｈａｎ邋疗法逦逡逑４００邋＾逦１逦１逦１逦１逦＊逦１逦１逦？－逡逑５逦１０逦１５逦２０逦２５逦３０逦３５逦４０逡逑采d堑沐义贤迹玻吩疾饬恐迪戮植慷嘀侄ㄎ凰惴ū冉襄义贤迹玻丁ⅲ玻废允玖硕嘀侄ㄎ凰惴ǚ直鹄迷疾饬恐低瓿善涠ㄎ唤馑愫蟮亩ㄥ义衔磺摺８萸呖芍迷疾饬恐低瓿傻亩ㄎ唤馑憬峁胝媸滴恢米瓿鲥义舷执嬖诮洗蟮钠睢６渲谢诩尤ㄗ钚《朔ǎǎ祝蹋樱┑亩ㄎ唤馑闼惴ɑ袢〉亩ㄥ义衔唤峁胝媸档奈恢米晔亲罱咏模ㄎ唤峁蟛钤冢常埃悖碜笥遥肜硐氲亩ㄥ义衔痪纫蠡勾嬖诓罹唷５膳兄冢祝蹋拥亩ㄎ唤馑惴ㄎ钣拧ｅ义峡ǘ苈瞬ê蟛饫镏迪露嘀侄ㄎ凰惴ū冉襄义希慑危慑危慑危慑危慑危卞危慑义希玻担埃板澹危插危义希蝈义蠆儯保埃埃板澹垮巍屋⑹稻嗬胫靛澹桑义襄味湾澹辗ㄥ义襄危澹疲幔睿珏遢７ㄥ义希担埃埃埃埃蓿掊危煎危裕幔欤铮蝈寮妒ㄥ义弦诲澹迹冲危茫瑁幔铄迨惴ㄥ义希彦邋危危危危危危危五义希板危玻板危矗板危叮板危福板危保埃板危保玻板危保矗板危保叮板义喜裳沐义贤迹玻缚ǘ瞬ê蟛饬恐迪露嘀侄ㄎ凰惴ū冉襄义希玻插义
本文编号：2599348
【图文】：
图２．４ＴＤＯＡ原理图逡逑如图２．４所示，假设基站节点７；、ｒ２、ｒ３坐标分别为：逡逑（＆，＆），（＆，＆），（＆，＆），待测节点与基站节点距离分别为：ｒｆｉ、４、名，可得逡逑到待测节点到基站节点匕、７；距离差为：根据几何原理，，即待测节逡逑点必位于以ｒ２与７；为焦点、（＾为焦距的双曲线上。同理，待测节点必位于以７；逡逑与７；为焦点、（／３１＝ｄ３－＜为焦距的双曲线上。逡逑根据上述定位原理可得到如下方程组：逡逑＾ｘ２邋－邋ｘｆ邋＋邋（ｒ２邋－邋ｒ）２邋－邋＾（ｘｉ邋－邋ｉｆ邋＋逦－邋ｒｆ邋＝邋ｄ２１邋＝邋ｄ２－ｄｔ逡逑＾逦逦邋逦邋＼２．ｑ）逡逑＾ｘ３邋－邋ｘｆ邋＋邋（ｒ３邋－邋ｙ）２邋－邋＾邋－邋ｘｆ邋＋邋（ｒ，邋－邋ｒ）２邋＝邋ｄ３ｉ邋Ｈ逡逑因为基站节点所接收信号的时刻已知，即已知ｃ／２１、ｒｆ３１的值，利用求解方程逡逑组２．８便可以得到待测节点的位置。本文采用该方法进行定位解算。逡逑２．１．２无线定位技术选取逡逑一般常用于定位的无线技术有红外线技术、超声波技术、蓝牙技术、射频识逡逑别（ＲＦＩＤ）技术、Ｗｉ－Ｆｉ技术、ＺｉｇＢｅｅ技术以及ＵＷＢ技术等［４６１，其中关于无线逡逑技术的选取
逦１ＳＱ逡逑采枰点逡逑图２．６原始测量值下多种定位算法比较逡逑原始测虽值下多种定位算法比较逡逑１逦＇逦．逦＇逦＇Ｉ逡逑Ｉ邋７００邋＇逦＿逡逑卜逦——舰，「逡逑５００邋－逦＿邋十邋一邋Ｆａｎｇ邋好．法逦－逡逑＜逦Ｔａｙｌｏｒ邋－ｒｇｆＳｔｒｊ－逡逑＜逦逦＜３逦Ｃｈａｎ邋疗法逦逡逑４００邋＾逦１逦１逦１逦１逦＊逦１逦１逦？－逡逑５逦１０逦１５逦２０逦２５逦３０逦３５逦４０逡逑采d堑沐义贤迹玻吩疾饬恐迪戮植慷嘀侄ㄎ凰惴ū冉襄义贤迹玻丁ⅲ玻废允玖硕嘀侄ㄎ凰惴ǚ直鹄迷疾饬恐低瓿善涠ㄎ唤馑愫蟮亩ㄥ义衔磺摺８萸呖芍迷疾饬恐低瓿傻亩ㄎ唤馑憬峁胝媸滴恢米瓿鲥义舷执嬖诮洗蟮钠睢６渲谢诩尤ㄗ钚《朔ǎǎ祝蹋樱┑亩ㄎ唤馑闼惴ɑ袢〉亩ㄥ义衔唤峁胝媸档奈恢米晔亲罱咏模ㄎ唤峁蟛钤冢常埃悖碜笥遥肜硐氲亩ㄥ义衔痪纫蠡勾嬖诓罹唷５膳兄冢祝蹋拥亩ㄎ唤馑惴ㄎ钣拧ｅ义峡ǘ苈瞬ê蟛饫镏迪露嘀侄ㄎ凰惴ū冉襄义希慑危慑危慑危慑危慑危卞危慑义希玻担埃板澹危插危义希蝈义蠆儯保埃埃板澹垮巍屋⑹稻嗬胫靛澹桑义襄味湾澹辗ㄥ义襄危澹疲幔睿珏遢７ㄥ义希担埃埃埃埃蓿掊危煎危裕幔欤铮蝈寮妒ㄥ义弦诲澹迹冲危茫瑁幔铄迨惴ㄥ义希彦邋危危危危危危危五义希板危玻板危矗板危叮板危福板危保埃板危保玻板危保矗板危保叮板义喜裳沐义贤迹玻缚ǘ瞬ê蟛饬恐迪露嘀侄ㄎ凰惴ū冉襄义希玻插义
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