一种基于DW1000的无人机集群定位系统

本发明涉及uwb定位，具体为一种基于dw1000的无人机集群定位系统。

背景技术：

1、目前国内现有uwb超宽带定位系统在硬件方面包括uwb定位基站、定位标签、定位引擎和应用系统四部分，通过在固定基站和待定位终端之间发送无线脉冲来测量飞行时间进而测距。

2、当前应用uwb技术主要定位方式为在地面设置三个或以上确定位置的基站，进行tof原理测距，其测距精度依赖于信号频率，经过在时间上滤波得到距离存在10cm级别的误差，再依据三点定位算法解得空间位置信息，可以考虑在时间上进行滤波与平均，但仍存在如遮挡信号衍射造成的难以消除的误差；由于uwb所需要的频段是6g-9g，高频段会造成脉冲的穿透性下降，其精度容易受到室内遮挡因素的影响，室内定位uwb基站和定位标签之间存在障碍物，将阻碍信号直接被互相接收，从而影响定位；同时现有技术中基站处于固定状态，要实现更大范围的定位，需要进行多次计算以确定基站位置，基站位置的灵活度较低，一旦基站位置受到外界环境的影响发生改变，定位准确性便会受到影响。

3、当前无人机应用场景有无人机农业植保、电力巡检、测绘、航拍、搜索救援、巡逻监视、交通管理等，而无人机集群技术为得到广泛应用；

4、当前无人机集群研究通常利用场地上布置的大量光学动作捕捉摄像机或uwb地面基站实现无人机定位，以实现室内集群协同控制；室外则通常利用gps以及无人机搭载的视觉方案进行定位。

5、前者过于依赖环境中预先布置的设施实现定位且易被遮挡和干扰，后者定位精度较低，且无法实现室内或地形杂乱区域定位，从而限制了无人机集群适用于更加广泛以及复杂的环境。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于dw1000的无人机集群定位系统，以解决现有技术中无人机集群过于依赖环境中预先布置的设施实现定位且易被遮挡和干扰，以及定位精度较低，且无法实现室内或地形杂乱区域定位，从而限制了无人机集群适用于更加广泛以及复杂的环境的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括：

3、无人机集群，所述无人机集群是由多个无人机组成的集群，且每个无人机上均设有包括：

4、由加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计和激光测距高度计组成的惯性导航系统，所述惯性导航系统用于获取单个无人机节点垂直高度以及获取单个无人机实时姿态信息；

5、uwb超带宽无线通信测距模块，所述uwb超带宽无线通信测距模块为基于uwb超带宽无线通信技术的dw1000模块，用于采用tof的方式测量uwb信号收发机之间的距离和方向，所述dw1000模块包括stm32f103c8t6芯片：

6、中心处理数据整合层，所述中心处理数据整合层用于在单个无人机之间进行信息共享、决策和协同控制的自组织网络；

7、位置反馈层，所述位置反馈层用于通过中心处理数据整合层的自组织网络获取的数据，经过相对距离信息的分布式节点的高精度位置定位算法处理，获得统一的无人机姿态与位置信息并向远程控制端反馈。

8、优选的，所述中心处理数据整合层利用esp8266模块实现物理层，并基于tcp/ip协议并在上层编写mqtt订阅发布程序，实现单个无人机节点之间信息查找，数据链路的建立、维持和释放，以实现单个无人机之间进行信息共享、决策和协同控制的自组织网络。

9、优选的，所述dw1000模块的stm32f103c8t6芯片中使用多任务程序架构，并通过基于uwb技术的dw1000模块获取无人机间距离数据实时发布到自组织网络中，以供单个无人机进行信息共享。

10、优选的，所述位置反馈层中相对距离信息的分布式节点的高精度位置定位算法包括以下步骤：

11、s1、在自组织网络中获取由uwb超带宽无线通信测距模块测得的两个无人机节点之间的相对距离以及方向；

12、s2、在自组织网络中获取步骤s1中两个无人机的惯性导航系统中气压计和激光测距高度计获得的单个无人机节点相对地面垂直高度信息，并计算两个无人机之前的相对垂直高度差；

13、s3、根据步骤s1获取的相对距离和步骤s2获取的相对垂直高度差，通过勾股定理计算两个无人机节点之间的水平距离，并配合步骤s1获取的两个无人机节点的方向，采用三角函数计算公式，并以其中一个无人机节点为空间坐标原点，并标注另一个无人机节点的空间坐标，其中y向坐标数字为两个无人机之前的相对垂直高度差，x向坐标数字为两个无人机节点之间的水平距离乘以cosθ后的数值，z向坐标数字为两个无人机节点之间的水平距离乘以sinθ后的数值，以此建立无人机集群的空间坐标；

14、s4、以其他无人机为坐标原点建立无人机集群的空间坐标，并与步骤s3计算的空间坐标相比较，将近似相等结果取平均值，误差极大结果舍去，并构建新的无人机集群空间坐标系；

15、s5、获取步骤s3无人机集群空间坐标系，以及获取自组织网络中惯性导航系统获取的单个无人机实时姿态信息，并通过stm32f103c8t6向远程控制端反馈无人机集群相关信息。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、本发明通过利用多节点相对距离数据进行解算：其中空间中各节点数据初步选择测量范围内各点测量数据，从自组织网络获得选定点，并测得两两之间的距离信息，再结合惯性导航中气压计和激光测距高度计确定两节点之前的相对高度，依据三点定位确定各组空间中相对位置，并将位置信息上传至自组织网络中，根据项目设计的定位算法进行多次空间几何关系闭环运算，将三点定位获得位置关系信息元合成高精度的相对位置信息，实现多点空间坐标的厘米级定位，不需要固定基站，可实现机队的相对地面位置计算，可在各种场景实现无人机编队飞行。

技术特征：

1.一种基于dw1000的无人机集群定位系统，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于dw1000的无人机集群定位系统，其特征在于：所述中心处理数据整合层利用esp8266模块实现物理层，并基于tcp/ip协议并在上层编写mqtt订阅发布程序，实现单个无人机节点之间信息查找，数据链路的建立、维持和释放，以实现单个无人机之间进行信息共享、决策和协同控制的自组织网络。

3.根据权利要求1所述的一种基于dw1000的无人机集群定位系统，其特征在于：所述dw1000模块的stm32f103c8t6芯片中使用多任务程序架构，并通过基于uwb技术的dw1000模块获取无人机间距离数据实时发布到自组织网络中，以供单个无人机进行信息共享。

4.根据权利要求1所述的一种基于dw1000的无人机集群定位系统，其特征在于：所述位置反馈层中相对距离信息的分布式节点的高精度位置定位算法包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于DW1000的无人机集群定位系统，包括：无人机集群，所述无人机集群是由多个无人机组成的集群，且每个无人机上均设有包括：由加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计和激光测距高度计组成的惯性导航系统。本发明通过空间中各节点数据初步选择测量范围内各点测量数据，从自组织网络获得选定点，并测得两两之间的距离信息，再结合惯性导航中气压计和激光测距高度计确定两节点之前的相对高度，依据三点定位确定各组空间中相对位置，合成高精度的相对位置信息，实现多点空间坐标的厘米级定位，不需要固定基站，可实现机队的相对地面位置计算，可在各种场景实现无人机编队飞行。

技术研发人员：吴恩铭,王思源,孙艺东,罗飞扬,唐昊,李光印,吴皓楠,肖敏,闫思哲,刘滨,卢德诚安
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14