基于麦克风阵列的无人机定位方法研究

摘要：随着“低慢小”无人机自主操控门槛的降低,无人机“黑飞”事件频发,造成重大安全隐患。为了尽早发现入侵的“低慢小”无人机,已研究出雷达探测、数据链跟踪、人眼瞭望以及图像识别等方法,但受限于设备成本以及适用场景等因素,现有方法仍存在一定局限性。鉴于“低慢小”无人机飞行时螺旋桨转动产生噪声的特性,论文利用声源定位算法对“低慢小”无人机进行定位。声源定位系统具有组装简易、开放性高的优点,可实现核心监控区域的大规模覆盖,并可与现有的“低慢小”无人机定位技术相结合。当现有技术使用受限时,声源定位系统可作为辅助手段保障定位系统的正常运行,为有效定位“低慢小”无人机提供补充方案。论文的主要工作如下:(1)分析麦克风阵列声源定位系统应用在无人机场景中的优越性,并对CBF算法、MUSIC算法、TDOA算法进行原理分析及特点对比,选择计算量小、实时性高的TDOA算法作为无人机定位算法。分析无人机飞行时的频谱与背景噪声频谱,选择5KHz~10KHz作为采集声音信号的滤波频段。(2)根据平面四元均匀十字阵、五元均匀十字阵的阵列布局形式提出九元均匀十字阵阵型,并推导三种阵列近场、远场DOA估计的几何原理。对三种阵列布局在远场模型下的方位角估计误差与俯仰角估计误差进行公式推导,同时定量分析三种阵列布局完成一次远场DOA估计的平均耗时,最终选择兼顾定位精度与实时性的九元均匀十字阵作为无人机远场DOA估计的麦克风阵型。(3)在信噪比较低的环境中,PHAT权函数时延估计精度低,论文以提高采样信号的信噪比为思路改进PHAT权函数。结合三种场景下采集的无人机声音信号,仿真验证改进权函数可降低时延估计误差。将改进后的权函数应用到九元均匀十字阵声源定位系统中,对无人机进行远场DOA估计。实测结果表明改进权函数相比PHAT权函数方位角估计相对误差降低3.18%,俯仰角估计相对误差降低1.77%。(4)分析麦克风阵列性能,探究阵列布局对阵列性能的影响。对均匀阵列存在的空间混淆问题,利用遗传算法优化阵列布局。仿真结果表明,在阵列口径保持不变的情况下,一维20元均匀线阵可优化为10元非均匀线阵,优化后阵列最大旁瓣级提高0.53dB,旁瓣抑制能力提高;在阵元数目保持不变的情况下,九元均匀十字阵可优化为九元非均匀十字阵,优化后阵列最大旁瓣级提高9.39dB,主瓣宽度减小0.04%,阵列的旁瓣抑制能力和分辨率都得到提高。优化后的九元非均匀十字阵相比无人机实测时使用的九元均匀十字阵具有更大的阵元间距,可有效降低时延估计误差,提高DOA估计精度。 还原

关键词：“低慢小”无人机; 时延估计; 几何定位; 阵列优化;

导师：韦娟; 胡军锋;

DOI：10.27389/d.cnki.gxadu.2019.000210

分类号：V279;V247