基于无人自主飞行器的无线传感器网络AOA定位系统

发布时间：2020-05-27 23:51

【摘要】：近年来,越来越多的应用领域将无线传感器网络作为其主要的监测系统。在这些应用中,位置都是最基本的上下文信息。大量的定位算法已被提出用于解决节点定位问题,这些算法的定位精度依赖于锚节点的密度。而锚节点的成本远高于普通节点,若采用静态方式部署锚节点,无论是锚节点数量增多带来硬件与能耗的成本,还是锚节点部署的成本,都将急剧上升。为了解决这一问题,本文以具备高精度实时定位能力与自主飞行能力的无人飞行器作为移动锚节点,利用其六自由度运动能力在三维空间中投放大量的虚拟锚节点,有效解决锚节点的硬件成本与部署问题;在此基础上,本文提出了基于定向天线辐射特性的AOA定位方法,避免了射频信号非规则传播引起的测距误差影响,并解决了天线的辐射模型偏差和安装误差问题,有效提升了定位精度。本文的主要研究工作和创新点如下:(1)为了验证定位算法的有效性,本文开发了一套基于无人自主飞行器的无线传感器网络定位系统,该系统包括四旋翼无人自主飞行器和无线传感器节点两个部分。(2)针对现有的大部分四旋翼控制系统设计时未能考虑不确定性影响,本文将四旋翼飞行器动态模型的不确定性进行量化,并且针对四旋翼动力系统升力性能的理论计算十分复杂的问题,提出了一种多旋翼动力系统升力性能测试装置。应用此装置,降低了动力系统建模的难度。(3)根据(2)中不确定性的量化结果,使用定量反馈控制理论设计控制器。实验结果表明,本文所设计的四旋翼飞行器控制器控制精度高、抗干扰能力强。(4)在研究(1)、(2)、(3)的基础上,本文提出了一种基于无人自主飞行器的无线传感器网络AOA定位算法,该算法的原理是通过四旋翼飞行器带动定向天线在空中进行360°旋转,边旋转边广播数据包,得益于定向天线狭窄的垂直辐射特性,定向天线在旋转广播数据包的过程中,当定向天线最大辐射功率方向指向未知节点时,未知节点能够获取最大信号强度的数据包,根据此数据包的数据和定位算法未知节点能够完成自身位置计算。仿真和实验结果表明,相比于现有的基于无人自主飞行器的无线传感器网络定位算法,本算法能够降低射频信号非规则传播的影响,提高定位精度。
【图文】：

旋翼,动力系统

地面站通过数传与自驾仪之间进行信息交换。数传是用于无线数据传输的模块，本文选用 APC220 无线数传模块,APC220 模块是高度集成的半双工、微功率的无线数据传输模块，嵌入了高速单片机和高性能射频芯片，传输距离达到了1200m，，并且采用创新高效的循环交织纠错编码，提高了抗干扰能力和灵敏度。动力系统通常包括螺旋桨、电机、电调以及电池，是四旋翼最重要的组成部分，它决定了四旋翼飞行器的悬停时间、载重能力、飞行速度和飞行距离等重要性能。动力系统的部件之间需要相互匹配和兼容，否则可能无法正常工作，甚至在某些极端情况下可能会突然失效而导致事故发生。例如，在某些情况下，飞手的一个过激操作可能让电调电流超过其安全阈值而使电机停转，导致飞机产生炸机事故。因此在设计四旋翼飞行器时，设计者首先要选择合适的组件来满足预期的性能需求。目前很多设计者主要依靠实验或者单纯依靠经验来估算四旋翼的实际性能，这样的设计流程成本很高而且效率低。因此近年来不少研究者通过性能指标逆向求解最优的动力系统配置[48,49]，其中国内北京航空航天学院的可靠飞行控制研究组，建立了多旋翼在线性能评估网站[50]，该网站不仅具有性能估算的功能，而且该网站还能提供辅助设计功能。本文根据该网站推荐的多旋翼配置方案，最终选择下图 2-3 中序号 7 所示的动力系统的配置方案。
【学位授予单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;TP212.9;TN929.5

【参考文献】