内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法

本发明属于电子科技，涉及内外场电磁地图绘制自动小车，还涉及自动小车室内电磁地图绘制方法。

背景技术：

1、在电磁测量领域，随着无线通信技术和雷达探测技术的发展，对内外场电磁环境进行测试的需求越来越大。微波暗室是进行天线辐射特性和目标散射特性测量的重要场地，它可以屏蔽外界电磁干扰同时降低暗室内墙壁的反射。随着无线通信和目标探测的不断发展，越来越多的研究机构和公司开始建造微波暗室，对暗室性能的测量也显得越来越重要，但是目前并没有专门的自动化设备对暗室静区反射电平进行测量。而现有技术中存在以下几点问题：

2、第一，目前市场上大部分智能小车都使用局域网或者蓝牙通信的方式与上位机或者操作控制部分连接，它们的频率大多在2.4ghz和5.2ghz，这既是常用的通信频率也是常见的测量频段，会造成自身的电磁泄露，影响测量精度。

3、第二，现有技术中虽然有一些自动化的测量控制系统，但是不同厂家仪器所使用的scpi指令有所差异，无法够程序化的控制矢量网络分析仪完成预定的测量任务。

4、第三，目前大部分的电磁测量系统都存在一定的时延，导致测量操作可能会落后于运动控制部分，引起测量误差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供内外场电磁地图绘制自动小车，根据不同测量频率和采样要求，实现运动与电磁测量的同步控制，提升测量精度。

2、本发明的另一目的是提供自动小车室内电磁地图绘制方法，有效地实现对内外场空间场强分布以及散射数据的自动化测量。

3、本发明所采用的第一种技术方案是，内外场电磁地图绘制自动小车，包括移动车体，移动车体上设置有频射层和通信层，通信层位于频射层上方，频射层包括网线连接的频谱分析仪和计算机，通信层包括收发天线和功率放大器。

4、本发明的特点还在于，

5、移动车体设置有麦克纳姆轮，麦克纳姆轮连接有stm32微控制器，移动车体上设置有jetson xavier nx板，jetson xavier nx板通过网线与计算机连接，jetson xavier nx板、频谱分析仪分别与计算机不同的lan口连接，jetson xavier nx板、频谱分析仪分属不同的ip。

6、通信层的收发天线包括发射天线和接收天线，功率放大器包括功率放大器a和功率放大器b，发射天线与功率放大器a的输出端口相连，频谱分析仪的输出端口与功率放大器a的输入端口相连；接收天线与功率放大器b的输入端口相连，频谱分析仪的输入端口与功率放大器b的输出端口相连。

7、本发明所采用的第二种技术方案是，自动小车室内电磁地图绘制方法，应用本发明的内外场电磁地图绘制自动小车绘制，发射天线发出的波与经暗室内壁反射的波相互干涉后在测量区域内形成驻波，通过移动接收天线的位置来确定该区域内波的强度分布，从而得到暗室的电磁性能指标，绘制电磁地图。

8、本发明的特点还在于，

9、具体按照以下步骤实施：

10、步骤1：进行室内电场采样测量，获得离散的电场强度数据

11、根据场地大小，将测量区域均匀地划分成网格，保证每个网格内至少有一个采样点，在网格中心位置进行采样，获得该位置的电磁数据；

12、步骤2：基于空间插值法通过反距离加权空间插值法对采样所得离散的电场强度数据进行处理，获得连续场强数据；

13、步骤3，将采样测量、空间插值后所得到的连续电场数据，通过matlab处理构建得到电磁地图。

14、步骤1具体为，

15、步骤1.1、完成测量前的准备工作

16、搭建好内外场电磁地图绘制自动小车，使用射频线连接频谱仪、收发天线、功率放大器，使用lan口完成计算机、频谱仪和小车内置虚拟机的连接；

17、将小车摆放在待测区域，在测量前需要根据不同场地情况对小车采样路径进行规划，确保每个网格内至少有一个采样点；

18、采样间隔用运动间隔来划分，在平台运动时不断读取平台的位置信息，当到达采样位置时，给平台发送速度为零的指令，信号采集完毕后给平台发送前进指令继续前进至下一个点进行扫描，每次采样时间不超过0.5s；

19、步骤1.2、采用零发一收模式测量室内空间场强分布和暗室反射电平

20、首先初始化ros，基于matlab中的ros toolbox工具箱控制具有ros系统的小车完成各种运动操作并收集小车的运动数据，再使用visa库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，在软件中输入测量参数，通过scpi指令对矢量网络分析下达测量指令，控制小车搭载接收天线进行采样，完成测量任务后使用相应的scpi指令完成对s21参数的读取，得到室内空间电场强度；

21、在测量暗室反射电平时，首先将小车上搭载的接收天线转向背面的吸波墙方向，初始化ros，再使用visa库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，输入测量参数，系统即可按照预定的测量区域以一步一停的方式进行之字形采样，完成测量任务后使用相应的scpi指令完成对s21参数的读取，得到待测区域吸波墙反射的电场强度；

22、步骤1.3、采用一发一收模式测量暗室直射电平

23、在测量暗室直射电平时，将发射天线放置在暗室的固定位置，将位于小车上的喇叭天线对准发射天线方向，初始化ros，再使用visa库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，根据实际需要输入测量参数，系统即可开始自动采样。完成测量任务后，使用相应的scpi指令完成对s21参数的读取，得到待测区域的直射场强度；

24、步骤1.4、多次测量，取平均值，提高结果准确度

25、为保证测量数据的准确度，在同一位置进行多次采样，以样本数据的平均值替代该位置的场强属性值：

26、

27、式(6)中，p(xi,yi)为第i个位置下的场强属性值，n表示采样总数，rssk为该位置下k采样时刻的采样值。

28、步骤2具体为，

29、通过对样本点与待插值点之间的距离进行计算，赋予样本点权值，并将样本点对待插值点(x0,y0)的权值ωi视为距离的负幂指数：

30、

31、式(7)中di为样本点(xi,yi)与待插值点(x0,y0)之间的欧式距离，dexp是权重指数，决定了权值ωi(x0,y0)随距离的变化速度，而改进后的反距离加权法通过定义待插值点的影响半径r，只考虑di≤r范围内局部样本点对待插值点的影响：

32、

33、或将临近n个点中与待插值点距离最大的点作为影响半径r：

34、

35、在得到待测范围内各个样本点分配的权值ωi后，通过通用空间插值模型计算得到待插值点的场强属性p(x0,y0)：

36、

37、其中p(x0,y0)代表待插值点的场强属性，p(xi,yi)代表n个已知采样点在空间各位置(xi,yi)上的场强属性，将式(8)中的ωi′作为改进后的权重系数，其大小表征了该点场强属性对待插值点的影响程度；

38、通过空间插值技术对离散数据之间的空间相关性及趋势进行回归分析，估计出离散位置附近任意位置的场强属性，将离散的数据点转换成连续的数据曲面。

39、步骤3具体为，利用获取得到的样本信息结合空间插值模型以及空间电磁波传播模型，在matlab中采用改进后的反距离加权法即idw空间插值算法构建生成电磁环境地图。

40、本发明的有益效果是：

41、本发明内外场电磁地图绘制自动小车，针对现有技术问题，精确有效地实现对内外场空间场强分布以及散射数据的自动化测量，节约了人力资源；整个测量小车各个系统采用有线连接，干扰小，实现了对空间场强分布的准确测量，减少因为测量系统自身给测量结果带来的干扰；能够实现对小车的精准控制和定位，经过测试验证移动控制精度在0.01m内，高精度的定位将显著提升测量的精度并支撑对高频段的测量；将小车运动系统和电磁测量系统同步，实现了对预设区域空间电磁分布的测量和绘制，通过测试验证了测量小车具有较强的感知能力，可以准确的测量出空间场强分布，测量精确；且通用性强，不仅可以应用于暗室对静区反射电平进行测量，还可以实现许多固定测试架无法实现的功能，后期通过加载相应的移动程序和数据处理程序，测量小车将可以完成合成孔径雷达成像、多普勒分析等多种测量任务。

42、本发明所自动小车室内电磁地图绘制方法，应用本发明的内外场电磁地图绘制自动小车进行绘制，采用计算控制系统负责测量任务的发布、电磁测量系统和运动系统的通联以及数据处理等任务，根据输入的地图信息，按照预设的轨迹运动，发射无线电信号并实时读取小车所在位置的测量数据并通过空间插值技术最终完成内外场电磁地图的绘制，所绘制的电磁地图准确度高，可用于干扰查处、频谱管理和电磁环境评价等方面。