超寬帶技術在多旋翼無人機自動機場中的應用

張寶譯

（山東師范大學信息科學與工程學院，山東 濟南 250358）

1 多旋翼無人機自動機場概況

當前，多旋翼無人機（以下簡稱“無人機”）被廣泛應用于許多行業(yè)。無人機系統(tǒng)以無人機作為載體，搭配各種模塊化載荷設備，實現(xiàn)相應的功能，如拍照、錄像、照明、喊話、噴灑、投擲等模塊。由于無人機具有靈活方便、性價比高、適應性強、操作簡便等特點，被廣泛應用在環(huán)保、交通、測繪、林業(yè)、消防、電力、公安邊防等領域。

由于無人機續(xù)航載重等多種因素的限制，單架次無人機的作業(yè)范圍還不夠廣，而土地測繪、電力巡檢、邊境巡查等應用場景都要求無人機制滯空時間長、作業(yè)距離遠。為了滿足此類需求，且隨著無人機行業(yè)智能化水平的不斷提升，無人機自動機場應運而生。

無人機自動機場的主要特性是所有飛行操作全部由終端操作人員完成，可以不需要飛手到現(xiàn)場操作。無人機自動機場不需要有人值守，機場設置好之后，可遠程操控，實現(xiàn)無人機機場的自動化運行，包括自動起飛、自動執(zhí)行任務、自動返航、自動充放電等一系列自動化智能化操作。因為現(xiàn)場無須人員值守，所以可以將無人機自動機場建設在上述應用場景內。如邊境巡邏，可以沿邊境線建設多個無人機自動機場，這樣無人機就可以沿邊境線執(zhí)行巡邏任務，而建設的多個無人機自動機場就成為無人機的“驛站”，每2個機場之間的距離可以按照無人機的單次最大航程進行設計。在每個自動機場內，均配置1個地面輔助機器人系統(tǒng)（以下簡稱“機器人”），當無人機降落后，機器人與無人機共同配合，實現(xiàn)電池更換、電池充放電、載荷更換、無人機檢測等諸多功能。

通過多個無人機自動機場的“接力”使用，大大提高了無人機的作業(yè)范圍，擴展了無人機的應用范圍，具有很大的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)需要解決的問題

考慮到防雨、防盜、無人值守等諸多因素，無人機自動機場都是全封閉狀態(tài)，在沒有無人機執(zhí)行任務的時候，上蓋一直處于關閉狀態(tài)。且機場外殼必須具備一定的強度。這就導致無人機機場內部（以下簡稱“機庫”）沒有衛(wèi)星信號。機庫的面積有限，這就要求無人機必須精準地降落在機庫范圍內。而當前無人機普遍采用的GNSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)無法滿足無人機的高精度降落要求。

無人機降落到機庫后，機器人需要在機庫內找到無人機的位置，并且能夠感知自己在機庫中的位置，這樣才能夠實現(xiàn)上文中提到的各種功能。有一種方法是采取“視覺定位”方案，通過系統(tǒng)內多個攝像頭拍攝圖片（標志物），然后計算出機器人和無人機在機庫中的位置，并指引機器人的導航。不過此方法對光照、圖片清晰度、拍攝速率等都有很高的要求，干擾因素較多，不夠穩(wěn)定。

為此，文章提出了使用超寬帶技術解決上述問題的方法。

3 超寬帶技術概況

超寬帶技術（Ultra Wide Band,UWB）是一種新型的無線通信技術，它是通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制，使得信號具有GHz量級的帶寬。

超寬帶技術具有以下特點：（1）抗干擾性能強；（2）數(shù)據(jù)傳輸速度快；（3）帶寬大；（4）系統(tǒng)容量很大；（5）保密性好；（6）通信距離相對較短。

以上特點決定了超寬帶技術可以應用在測距及定位領域，在短距離范圍內，利用超寬帶技術進行高頻率的測距運算，進而根據(jù)相應算法計算出物體的位置信息。由于超寬帶技術通信速率很快，可以將該技術應用在系統(tǒng)的模塊通信功能上。

4 超寬帶技術的測距原理

2個使用超寬帶技術的模塊可以互相通信，并利用通信過程中的時間參數(shù)，計算出2個模塊之間的距離。

文章使用的是雙邊雙向測距方法，記錄了信號在2個模塊之間往返的時間戳，并在最后計算出飛行時間。雖然增加了響應的時間，但是這樣做可以降低測距誤差，提高測量精度，對提高后續(xù)的定位精度有很大影響。

假設有甲、乙2個設備，使用雙邊雙向測距法進行距離測定。設備甲主動發(fā)送第一條測距消息，等待設備乙響應。當設備甲收到設備乙返回的響應后，設備甲立刻返回數(shù)據(jù)，最終得到4個時間戳。根據(jù)4個時間戳參數(shù)，能夠計算出信號在設備甲、乙之間的飛行時間，并據(jù)此計算出設備甲、乙之間的距離。而且，在測距時，設備甲、乙進行了數(shù)據(jù)通信，也就是說，在測距時，能夠在2個設備之間傳遞數(shù)據(jù)。

5 利用超寬帶技術解決系統(tǒng)存在的問題

假設一套系統(tǒng)中，超寬帶應用有5個模塊，其中4個命名為基站，另外1個命名為標簽。則有基站A、基站B、基站C、基站D和標簽1。

該方案使用的是DECAWAVE公司生產的DW1000芯片，兼容IEEE802.15.4-2011協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高能達到6.8Mb/s，對于多路徑衰弱有更強的抗干擾能力，低功耗，物理尺寸也非常小，做出的超寬帶模塊尺寸和重量都很小，完全滿足無人機的負重要求。

該方案中，把基站A、B、C分別固定放置在機庫外墻的3個角的同一高度位置上，基站D固定放置在機庫的第4個角上，且高度高出其他3個基站1m。以機庫某一角為坐標原點，繪制出三維坐標圖，這樣，基站A、B、C、D在該坐標系下的坐標值得以確定。

該方案中，可以通過標簽1，利用超寬帶技術分別與基站A、B、C、D進行測距，這樣就可以計算出標簽1距離基站A、B、C的距離，得到這3個距離后，利用三邊測量定位算法（Trilateration），就可以計算出2個三維坐標（X，Y，Z1）和（X，Y，Z2）。通過基站D與標簽1的實際測量距離，判斷計算出的坐標點與基站D的距離，哪一個與測量距離更接近，就可以判斷出2個坐標中哪一個三維坐標才是標簽1在自定義坐標系中的坐標值。

通過以上算法，可以得到標簽1在自定義坐標系中的位置信息。在設置坐標系的時候，該方案將坐標系橫軸對準地理正東，將縱軸對準地理正北，垂直方向上的軸垂直指向上方。設置完后，就可以利用在自定義坐標系中計算出的位置信息指引無人機進行導航控制。

因為超寬帶技術是在納秒級別進行的定位，所以通信非?？欤覝y距精度很高，測距精度能達到10cm以內。在保證使用頻率能夠滿足導航需要的前提下，將三邊測量定位算法計算出的坐標值進行數(shù)字濾波處理。因無人機控制頻率一般為200～400Hz，遠低于超寬帶測距頻率，所以經過濾波后的坐標值，水平精度在5cm以下，垂直精度在15cm以下，完全滿足無人機精準降落的需求。

根據(jù)以上分析，在整個系統(tǒng)中，可實現(xiàn)如下流程：無人機在自動機場起飛執(zhí)行任務，任務結束后，無人機返回某機場（事先確認該機場是否有空余停機位），依靠衛(wèi)星導航系統(tǒng)返回到自動機場附近。在逐漸接近機場的過程中，無人機自身攜帶的標簽與機場內架設的基站進行測距通信，無人機實時計算自己在該機場自建坐標系中的位置，并根據(jù)此信息指引無人機精準降落到機庫內。而機庫內的機器人同樣與基站進行測距定位，計算出自己的坐標值。待無人機降落后，機器人根據(jù)系統(tǒng)告知的無人機位置信息，導航至無人機處，進行電池更換、載荷更換等操作。操作完畢后，機器人回到始發(fā)區(qū)繼續(xù)待命，等待系統(tǒng)的下一步指示。而無人機則可以繼續(xù)起飛完成后續(xù)飛行任務。通過多個自動機場的“接力”，可以實現(xiàn)無人機的不間斷飛行，大大提高了無人機的作業(yè)半徑，拓寬了無人機的應用領域。

6 結束語

普通的多旋翼無人機，由于起飛重量和電池密度等的影響，續(xù)航能力有限，無法長時間飛行，極大地限制了無人機的行業(yè)應用。文章提出一種自動機場的方案，即采取多個機場“接力”的方式來實現(xiàn)無人機作業(yè)半徑的擴展，大大拓寬了無人機的應用領域和應用范圍。文章還提出了一種解決無人機與輔助機器人在該系統(tǒng)的輔助導航方法，即超寬帶技術。利用超寬帶技術不僅能夠實現(xiàn)系統(tǒng)內模塊之間的高速通信，也能夠利用此技術實現(xiàn)設備的定位，解決了機場內輔助機器人和無人機在機場附近的導航問題。