長距離地下通道的無人裝備定位方法

鐘映春,王宗洋,王 彪,王 波

1.廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院;2.廣東省機(jī)械技師學(xué)院機(jī)電工程系

0 引言

長距離地下通道指的是地鐵隧道、煤礦坑道等工作場景,近年來,無人機(jī)或者機(jī)器狗等無人裝備在長距離地下通道中得到越來越廣泛的使用[1-2]。獲得準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)是無人裝備在長距離地下通道中開展全自主工作的關(guān)鍵和難點(diǎn)之一[3-4]。

目前常用的定位方法主要有GPS/RTK定位、視覺定位、基于UWB技術(shù)的定位等[5-7]。關(guān)家華等提出基于GPS/RTK的無人機(jī)自主定位系統(tǒng)[8],通過改進(jìn)定位算法,對GPS信號進(jìn)行延時補(bǔ)償,同時對GPS漂移進(jìn)行及時修正,能夠得到較為準(zhǔn)確的實(shí)時定位數(shù)據(jù),引導(dǎo)無人機(jī)完成自主巡線工作。然而在長距離地下通道環(huán)境中,由于巖土層等對衛(wèi)星信號的屏蔽作用,無人裝備在地下空間很難獲取GPS/RTK信號。架設(shè)信號基站的方式面臨成本高、施工難度大、利用率低的問題。聶偉等提出了一種基于視覺的室內(nèi)無人機(jī)定位方法[9],利用特征點(diǎn)法和直接法對特征點(diǎn)進(jìn)行跟蹤,再對特征點(diǎn)進(jìn)行深度估計(jì),在稀疏地圖建立的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),定位精度可達(dá)到0.04 m。單春艷等提出了一種面向井下無人機(jī)自主飛行的人工路標(biāo)輔助位姿估計(jì)方法[10],該方法采用視覺注意機(jī)制提取反光標(biāo)志牌的輪廓,利用標(biāo)志牌與相機(jī)之間的坐標(biāo)關(guān)系對無人機(jī)進(jìn)行位姿估計(jì)。然而在地下長距離通道環(huán)境中,周圍環(huán)境的光照情況不穩(wěn)定,周圍景物時明時暗,使得視覺定位的精度難以得到保證,因此視覺引導(dǎo)定位難以適用于長距離地下通道的場景。

基于超寬帶(ultra wide band,UWB)的定位是一種通過發(fā)送和接收具有ns或ns級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)定位的方法[11-12]。鐘映春等基于UWB技術(shù)提出了一種無人機(jī)自主降落的引導(dǎo)系統(tǒng)[13],該系統(tǒng)通過布置合理的UWB地面基站群,將UWB標(biāo)簽的定位數(shù)據(jù)作為無人機(jī)實(shí)時定位數(shù)據(jù),可引導(dǎo)無人機(jī)在無GPS信號、弱光照的環(huán)境中自主降落,平面降落誤差在0.3 m以內(nèi)的可靠度可達(dá)到100%。采用UWB技術(shù)獲取定位數(shù)據(jù)可以有效解決弱光照、無GPS/RTK信號情況下的定位問題。符世琛等提出了一種基于超寬帶技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)自主定位定向方法[14],該方法可提供實(shí)時的掘進(jìn)機(jī)位置數(shù)據(jù),但是文中只進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗(yàn),未進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[15-16]提出了地鐵定位系統(tǒng)的宏觀設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[17-18]設(shè)計(jì)了基于UWB技術(shù)的地下工作人員定位系統(tǒng)。這些研究提出,在獲取初始定位信息時,UWB定位標(biāo)簽先嘗試與通道中所有的UWB基站依次進(jìn)行通信,等待各個UWB基站的回信,再使用有回信的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行初始定位?？梢?這些研究在獲取定位數(shù)據(jù)過程中采用了傳統(tǒng)輪詢基站組的方法。這不僅會顯著延長初定位時間,且由于基站硬切換而導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)的突變,使得無人裝備在地下運(yùn)行過程中由于快速調(diào)節(jié)而發(fā)生短時劇烈抖動。

三邊定位法是UWB定位系統(tǒng)中最為廣泛應(yīng)用的定位算法,使用3個及以上的地面基站可對標(biāo)簽進(jìn)行二維定位。系統(tǒng)中每3個地面基站布局呈三角形方能進(jìn)行定位,基站的布局會影響標(biāo)簽與各地面基站的幾何結(jié)構(gòu),從而使定位精度發(fā)生變化,即地面基站的布局是定位性能的重要決定因素[19]。周艷等[20-21]通過優(yōu)化基站選擇算法,在已有的地面基站中選擇出一組基站使定位誤差最小。但這需要建立在有大量基站的基礎(chǔ)上,會極大增加成本,實(shí)用性較差。吳曉軍等[22]引入均勻搜索粒子群算法,提出一種實(shí)現(xiàn)最小誤差的基站選擇方法,但僅進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),且以近似正方形為實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境,與通道型環(huán)境相差較大。

針對在無GPS/RTK信號、弱光照、長距離地下通道場景下無人裝備定位困難的問題,本文提出了一種基于UWB技術(shù)的長距離地下通道定位方法。首先,本文提出了一種適合于長距離地下通道的、高性價比的定位拓?fù)錁?gòu)型;其次,針對無人裝備可以在定位拓?fù)錁?gòu)型中任意位置啟動的情況,研究了無人裝備的初始定位方法;然后,針對定位拓?fù)錁?gòu)型中存在信號轄區(qū)交匯區(qū)域的定位單元切換問題,提出了動態(tài)切換系數(shù)方法實(shí)現(xiàn)定位單元平滑切換。

1 總體研究架構(gòu)

本文的總體研究架構(gòu)如圖1所示。從圖1可見,本文選擇以UWB定位技術(shù)作為基礎(chǔ),以獲取無人裝備在長距離地下通道中的定位信息。其原因在于UWB定位技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度不高等優(yōu)點(diǎn),但是也存在成本比較昂貴,網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜等不足[23-24]。長距離地下通道定位要求平面的定位誤差δ≤±25 cm。為此,在長距離地下通道中定位實(shí)現(xiàn)高精度定位,需要解決以下3個關(guān)鍵問題:

圖1 總體研究架構(gòu)

1)采用何種拓?fù)錁?gòu)型布局UWB定位基站,能夠在長距離地下通道中提供成本合理、定位誤差小且滿足實(shí)時性要求的定位數(shù)據(jù);

2)在長距離地下通道中,如何讓無人裝備快速簡便獲取其在拓?fù)錁?gòu)型中的初始位置;

3)在提出的定位拓?fù)錁?gòu)型中,存在信號轄區(qū)交匯區(qū)域,在該區(qū)域,如何獲得連續(xù)、穩(wěn)定的定位數(shù)據(jù),避免位置數(shù)據(jù)突變對無人裝備的沖擊。

2 拓?fù)錁?gòu)型研究

2.1 無人機(jī)降落引導(dǎo)系統(tǒng)的基站拓?fù)?/h3>

目前,UWB定位技術(shù)主要應(yīng)用在室內(nèi)定位和無人機(jī)降落引導(dǎo)過程。以無人機(jī)降落引導(dǎo)系統(tǒng)中的定位基站拓?fù)涞臉?gòu)型為案例。降落引導(dǎo)系統(tǒng)在地面布置6個定位基站,如圖2所示。將定位標(biāo)簽固定在無人裝備上。通過定位標(biāo)簽與定位基站拓?fù)涞慕换?無人機(jī)可以實(shí)時獲取到自身位置坐標(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)降落。這種6個定位基站形成的拓?fù)洳季衷诒疚闹蟹Q為偏π形狀的布局。

圖2 無人機(jī)降落引導(dǎo)系統(tǒng)的基站拓?fù)?/p>

2.2 定位基站的拓?fù)錁?gòu)型

基于無人機(jī)降落引導(dǎo)系統(tǒng)基站拓?fù)涞乃悸?結(jié)合長距離地下通道的實(shí)際場景,設(shè)計(jì)了2種基站布局的拓?fù)錁?gòu)型,分別為連續(xù)延伸的構(gòu)型和間接延伸的構(gòu)型。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來選擇性價比更高的構(gòu)型作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。

2.2.1 連續(xù)延伸的構(gòu)型

在無人機(jī)降落引導(dǎo)系統(tǒng)中,定位標(biāo)簽中的算法會將基站拓?fù)渲?個距離較遠(yuǎn)的基站作為1個組合,而后運(yùn)用三角定位方法做計(jì)算?？梢?只要有能夠形成三角形的3個基站,就可以實(shí)現(xiàn)定位。為此,本文設(shè)計(jì)的第1種基站布局的拓?fù)錁?gòu)型采用鋸齒形連續(xù)延伸的構(gòu)型,如圖3(a)所示,定位基站在通道兩側(cè)的間距相同,設(shè)通道寬度為k,則同側(cè)2個基站的間距設(shè)置為nk(其中n為1,1.5,2,2.5,…),定位基站在整個地下通道中呈鋸齒形連續(xù)延伸。

(a)連續(xù)延伸的構(gòu)型

2.2.2 間斷延伸的構(gòu)型

在無人機(jī)降落引導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn),在定位基站拓?fù)涞耐獠咳匀荒軌颢@取準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)。為此,本文設(shè)計(jì)了一種間斷延伸的定位基站拓?fù)錁?gòu)型,如圖3(b)所示,其中,以偏π形為一個定位單元,每個定位單元之間有50～80 m的距離。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于定位基站數(shù)量顯著少于連續(xù)延伸構(gòu)型。

2.3 2種構(gòu)型的實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?在滿足誤差要求的情況下,在2種構(gòu)型中,找到性價比更高的構(gòu)型。

實(shí)驗(yàn)過程:采用實(shí)驗(yàn)方法對比圖3中提出的2種構(gòu)型的定位精度,即讓定位標(biāo)簽分別位于拓?fù)鋬?nèi)坐標(biāo)已知的200個位置并處于靜止?fàn)顟B(tài),高度維持在1.5 m左右。在每個位置自動采集100次定位標(biāo)簽的數(shù)據(jù),獲得采樣平均值并與真實(shí)的坐標(biāo)位置對比,獲得的誤差結(jié)果,如表1和表2所示。

表1 連續(xù)延伸構(gòu)型的定位誤差

表2 間斷延伸構(gòu)型的定位誤差

3 確定定位單元的合適拓?fù)?/h2>

3.1 其他形狀的定位單元拓?fù)?/h3>

在確定采用間斷延伸方式布局定位單元后,需要探索定位單元的合適拓?fù)?。其原因在?從表2的數(shù)據(jù)可見,以偏π形為定位單元的間斷延伸構(gòu)型的誤差只是剛剛能夠滿足定位要求。為此,新增設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)矩形和直角三角形的定位單元,如圖4所示。

(a)標(biāo)準(zhǔn)矩形作為定位單元拓?fù)?/p>

3.2 定位單元拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

在滿足誤差要求的情況下,在3種定位單元拓?fù)渲?找到性價比更高的拓?fù)洹?/p>

3.2.2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

對圖4的2種定位單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程與2.3節(jié)一樣。結(jié)果如表3、表4所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)矩形作為定位單元拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)誤差

表4 直角三角形作為定位單元拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)誤差

結(jié)合表2～表4中3種定位單元拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)結(jié)果可見:基站間距為5m的標(biāo)準(zhǔn)矩形作為定位單元拓?fù)鋾r,具有最小的定位誤差。此外,標(biāo)準(zhǔn)矩形的定位單元拓?fù)浔绕行螤畹亩ㄎ粏卧負(fù)渖?個基站,具有更高的性價比。

雖然直角三角形作為定位單元拓?fù)鋾r具有最少的基站數(shù)量,但是這種拓?fù)涞亩ㄎ徽`差不能滿足誤差要求。

3.2.3 結(jié)論

文中選定了基站間距為5m的標(biāo)準(zhǔn)矩形作為定位單元拓?fù)?以間斷布局定位單元構(gòu)建長距離地下通道的構(gòu)型。

4 獲取初始定位的方法

無人裝備在長距離地下通道啟動工作時,可能位于定位基站拓?fù)錁?gòu)型中的任意位置。為了能夠讓無人裝備自主運(yùn)行,需要設(shè)計(jì)算法讓無人裝備快速自動獲得其初始定位坐標(biāo)。

4.1 初始定位的獲取方法

由于每個UWB基站ID在整個拓?fù)錁?gòu)型中具有唯一性,文中提出按照某種既定的順序呼叫各個基站(每個定位單元中只有一個基站是待呼叫基站),在與某個基站(記為n號基站)首次建立通信后,再由圖5所示流程,獲得無人裝備所在的定位單元。

圖5 初始定位數(shù)據(jù)獲取流程

根據(jù)長距離地下通道定位的實(shí)際需求,本文嘗試以下3種搜索定位標(biāo)簽附近基站的方法:

1)依次輪詢法:是最簡單的查找方法,按照通道中待搜索基站擺放的空間順序,依次呼叫,直到標(biāo)簽與某個基站建立通信;

2)隨機(jī)法[25]:每次搜索前隨機(jī)生成一個基站ID,呼叫該ID號對應(yīng)的基站,直到與某個基站建立通信;

3)二叉樹遍歷查找法[26]:首先將待搜索的基站ID進(jìn)行二分排序,再構(gòu)建二叉樹,使用層次遍歷的方法對二叉樹中的基站進(jìn)行呼叫,直到與某個基站建立通信。

4.2 實(shí)物實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

實(shí)驗(yàn)用機(jī)如圖6(a)所示,無人機(jī)機(jī)架為“X”型機(jī)架,電機(jī)對角軸距380 mm。定位標(biāo)簽和毫米波雷達(dá)通過串口與無人機(jī)相連,為使定位無線信號傳輸更為穩(wěn)定,使用低色散、圓極化天線。將定位標(biāo)簽、定高雷達(dá)與天線都固定在無人機(jī)上,如圖6(b)所示。

(a)安裝UWB定位標(biāo)簽的多旋翼無人機(jī)

長距離地下通道的定位單元拓?fù)錁?gòu)型如圖6(c)所示(俯視圖)。實(shí)驗(yàn)通道寬度為5 m,直線通道長度135 m。坐標(biāo)系的x軸與y軸正方向如圖6(c)所示,定位單元I內(nèi)部正中間位置為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

4.3 初始定位方法的實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.3.1 初始定位方法對比的實(shí)驗(yàn)

4.3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

在3種初始定位計(jì)算方法中,找到初始定位效率最高的方法。

4.3.1.2 實(shí)驗(yàn)過程

使用Dev-C++作為仿真平臺,根據(jù)定位原理模擬定位標(biāo)簽對各基站的搜索。改變通道的總長度以及標(biāo)簽的位置,記錄每次模擬搜索的次數(shù)。統(tǒng)計(jì)并計(jì)算每種搜索方法的平均搜索次數(shù),結(jié)果見表5所示。

表5 3種搜索方法的平均搜索次數(shù)

4.3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由表5可知,不論實(shí)驗(yàn)所模擬的通道總長度為多長,二叉樹遍歷法的平均搜索次數(shù)都是最少的,故本文選擇使用二叉樹遍歷法為初定位中基站搜索方法。

4.3.2 初始定位的實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)物平臺上,驗(yàn)證二叉樹遍歷法能否準(zhǔn)確找到無人機(jī)所在的定位單元,實(shí)現(xiàn)初始定位。

4.3.2.2 實(shí)驗(yàn)過程

按圖6(c)構(gòu)建長距離地下通道模型,將無人機(jī)分別放置通道中的多個位置,開啟定位標(biāo)簽算法,獲取其定位數(shù)據(jù)。結(jié)果如表6所示。

表6 初始定位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由表6可得,無人機(jī)在實(shí)驗(yàn)所設(shè)的各個位置點(diǎn)都可完成初定位,并且所使用的定位單元也符合預(yù)期。

4.3.3 通道長度與初始定位花費(fèi)時間的相關(guān)性

在實(shí)際應(yīng)用中,為了便于根據(jù)通道長度對初始定位時間有一定的預(yù)判,統(tǒng)計(jì)不同通道長度下初定位所需的平均時間和最大用時。最大用時指的是定位標(biāo)簽將所有待搜索基站搜索一遍才完成初定位,在此過程中所耗用的時間。結(jié)果如圖7所示。

圖7 初始定位用時與通道長度的關(guān)系

由圖7可知,當(dāng)長距離地下通道長度為5.2 km時,初定位平均用時16.42 s,最大用時25.88 s。長距離地下通道長度為5.2 km,基本包括了大多數(shù)情況下相鄰地鐵站的間距。初定位的平均用時和最大用時都與通道總長度成近似正比例關(guān)系,使用最小二乘法可得到平均用時、最大用時的估計(jì)方法,回歸線性方程分別表示為:

Tava=2.61C+3.31

(1)

Tmax=4.49C+2.93

(2)

式中C為通道長度。

5 定位單元的切換

5.1 信號轄區(qū)交匯區(qū)域的含義

針對標(biāo)準(zhǔn)矩形的拓?fù)錁?gòu)型,本文經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定:在定位單元外35 m范圍內(nèi),均可獲得穩(wěn)定的、高精度的定位數(shù)據(jù)。為了能夠讓無人裝備始終能夠持續(xù)穩(wěn)定獲取定位數(shù)據(jù),本文設(shè)計(jì)2個定位單元的間距為60 m。由此會產(chǎn)生一個問題,即2個定位單元的信號轄區(qū)會產(chǎn)生10 m的交匯區(qū)域,如圖8所示。在交匯區(qū)域中需要完成定位單元的切換。在切換過程中可能會有定位數(shù)據(jù)的突變,進(jìn)而引起無人裝備的劇烈動作。這不利于無人裝備的平穩(wěn)運(yùn)行。因此,需要研究如何切換定位單元才能盡量減少在交匯區(qū)域定位數(shù)據(jù)的突變。

圖8 信號轄區(qū)交匯區(qū)域的含義

5.2 切換方法

5.2.1 硬切換與組合切換方法

根據(jù)圖8的設(shè)計(jì),假設(shè)無人裝備從定位單元I啟動運(yùn)行,在到達(dá)交匯區(qū)域前,完全依靠定位單元I提供定位數(shù)據(jù);在進(jìn)入交匯區(qū)域后,無人裝備應(yīng)該盡量平滑切換到依靠定位單元Ⅱ提供定位數(shù)據(jù),以減少位置突變產(chǎn)生的沖擊。

根據(jù)切換機(jī)制的不同,本文提出了2種不同的定位單元切換方法,分別為硬切換法和組合切換法。

5.2.1.1 硬切換法

無人裝備到達(dá)交匯區(qū)域中線附近時,強(qiáng)行切換采用下一個定位單元提供的定位數(shù)據(jù)。

5.2.1.2 組合切換法

無人裝備進(jìn)入交匯區(qū)域后,定位數(shù)據(jù)采用式(3)計(jì)算定位數(shù)據(jù),逐步完成定位單元的切換:

Data=hi·data1+(1-hi)·data2

(3)

式中:data1和data2分別為相鄰2個定位單元的定位數(shù)據(jù);hi為切換系數(shù)。

實(shí)測表明,硬切換方法會導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)產(chǎn)生50 cm以上的突變,難以使用。因此,本文選用組合切換方法。

5.2.2 切換系數(shù)的計(jì)算方法

根據(jù)組合切換法的思路,需要確定切換系數(shù)。為此,本文提出2種獲取hi的方式,分別為靜態(tài)切換系數(shù)和動態(tài)切換系數(shù)。靜態(tài)切換系數(shù):在任何情況下,在交匯區(qū)域的任何位置都有hi=0.5;動態(tài)切換系數(shù):切換系數(shù)在交匯區(qū)域中的不同位置有不同的hi值。

本文基于統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法確定切換系數(shù)hi,首先,進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),在交匯區(qū)域中,對于2個相鄰定位單元的定位數(shù)據(jù),某個定位單元的數(shù)據(jù)x軸誤差小時,y軸誤差未必小。因此,為了同時兼顧x軸和y軸的誤差,本文實(shí)際位置點(diǎn)與測量位置點(diǎn)之間的綜合距離誤差E為評價指標(biāo):

(4)

式中ex和ey分別為x軸數(shù)據(jù)和y軸數(shù)據(jù)的誤差。

在定位單元外,E與定位單元的距離并不成線性關(guān)系。將“無人裝備距離定位單元Ⅰ更近”記為事件A1;將“定位單元Ⅰ的綜合距離誤差E更小”記為事件B。

無人裝備在定位單元拓?fù)鋬?nèi),定位數(shù)據(jù)是非常準(zhǔn)確的;無人裝備在通道中運(yùn)行時,y軸坐標(biāo)較少變化。每當(dāng)無人裝備運(yùn)行至定位單元拓?fù)鋬?nèi)時,記錄y軸坐標(biāo),以此作為參考。當(dāng)無人裝備進(jìn)入交匯區(qū)域時,將2個定位單元的y軸數(shù)據(jù)與這個參考值做對比,得到y(tǒng)誤差更小者。將“定位單元Ⅰ的更小”記為A2。

通過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)事件A1、A2不同發(fā)生情況時,事件B發(fā)生的概率,結(jié)果如表7所示。

表7 事件B發(fā)生的概率

事件B發(fā)生的概率越大,則對定位單元Ⅰ的依賴程度就越大。因此將表7中得到的各個概率作為不同條件下對定位單元Ⅰ數(shù)據(jù)權(quán)重的初始取值,命名為誤差影響因子Pi0,即在4種情況下,Pi0取值分別為0.91、0.64、0.42、0.11。

為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,本文提出另一個穩(wěn)定性影響因子υ,其含義是:在交匯區(qū)域中,越靠近哪個定位單元,就越依賴該定位單元的數(shù)據(jù),表示為

(5)

式中:x為橫坐標(biāo);k為定位單元內(nèi)2個基站之間的距離,k=5 m;b為2個定位單元之間的距離,b=60 m;L為交匯區(qū)域長度,L=10 m;[·]表示向下取整。

對誤差影響因子Pi0與穩(wěn)定性影響因子v的信任度相同,因此將這兩個指標(biāo)各取1/2作為最終的切換系數(shù),表示為

hi=0.5·Pi0+0.5·υ

(6)

結(jié)合式(3)、式(5)、式(6),可以獲得動態(tài)切換系數(shù)情況的定位數(shù)據(jù)。

5.3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

5.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過對比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證2種切換系數(shù)方法的效果。

5.3.2 實(shí)驗(yàn)過程

按照圖8布置2個定位單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。無人機(jī)飛行速率設(shè)定為1 m/s。每s采樣8次定位數(shù)據(jù),無人機(jī)飛行環(huán)境如圖9所示。從圖9可見,實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在明顯的亮度不均勻,不適合采用圖像方式定位;實(shí)驗(yàn)環(huán)境為半封閉場景,GPS/RTK信號極差,不能用GPS方式定位。

圖9 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

將靜態(tài)切換的定位方法編程下載到定位標(biāo)簽。給定位單元和定位標(biāo)簽上電,讓無人機(jī)飛行經(jīng)過交匯區(qū)域的中線,記錄無人機(jī)的平面定位數(shù)據(jù),任選一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,見圖10(a)。

(a)靜態(tài)切換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將動態(tài)切換的定位方法編程下載到定位標(biāo)簽。給定位單元和定位標(biāo)簽上電,讓無人機(jī)飛行經(jīng)過交匯區(qū)域的中線,記錄無人機(jī)的平面定位數(shù)據(jù),任選一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,見圖10(b)。

在圖10(a)中,在切換定位單元前后,定位數(shù)據(jù)的變化達(dá)到43 cm。無人裝備獲取到這個變化劇烈的定位數(shù)據(jù)后,為了回到設(shè)定值,無人裝備控制器會立即給出調(diào)節(jié)信號,以盡快回到設(shè)定位置。這種突然的大調(diào)節(jié)量很容易引起無人裝備運(yùn)動的振蕩。

在圖10(b)中,切換系數(shù)按照式(6)動態(tài)調(diào)整,定位單元的切換是逐步過渡,在交匯區(qū)中線附近,定位數(shù)據(jù)變化僅為5 cm,定位數(shù)據(jù)幾乎沒有突變。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在定位單元信號轄區(qū)的交匯區(qū)域,采用本文提出的動態(tài)切換系數(shù)方法能夠較好避免定位數(shù)據(jù)突變,為減少無人裝備在地下狹窄空間中運(yùn)行的振蕩提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5.4 全流程實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

5.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

模擬無人機(jī)在長距離地下通道的飛行,進(jìn)行無人機(jī)初定位、連續(xù)飛行實(shí)驗(yàn),在全流程情況下檢驗(yàn)本文提出的定位方法的性能。

5.4.2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

按照圖6(c)配置基站拓?fù)?在圖9的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,讓無人機(jī)從預(yù)設(shè)初始位置點(diǎn)起飛,沿著通道自主飛行,降落在原點(diǎn),共進(jìn)行20次飛行實(shí)驗(yàn)。定位單元切換情況見表8。

表8 定位單元切換情況

記錄無人機(jī)飛行軌跡,任選一次飛行實(shí)驗(yàn)的采樣軌跡如圖11所示。

圖11 無人機(jī)飛行軌跡

結(jié)合表8與圖11可得:

1)在上電后,無人機(jī)能夠自動、快速且準(zhǔn)確獲取初始定位;

2)無人機(jī)在飛行通過信號轄區(qū)交匯區(qū)域時,沒有定位數(shù)據(jù)的突變,無人機(jī)飛行穩(wěn)定;

3)本文提出的以定位單元間斷布局作為長距離地下通道的定位拓?fù)錁?gòu)型,以及標(biāo)準(zhǔn)矩形作為定位單元拓?fù)涞哪Ｐ?能夠較好提供定位數(shù)據(jù),實(shí)時性高、定位誤差δ≤±25 cm,滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

當(dāng)前,越來越多的無人裝備在長距離地下通道場景中得到應(yīng)用。受限于無GPS/RTK信號、弱光照等實(shí)際情況,無人裝備在長距離地下通道場景中普遍存在定位困難的問題。本文提出了一種適用于長距離地下通道的定位方法。本文的主要成果有:

1)提出了一種適合于長距離地下通道的、高性價比的定位拓?fù)錁?gòu)型,即以標(biāo)準(zhǔn)矩形布局定位基站構(gòu)成定位單元,沿著長距離地下通道間斷方式布局定位單元;

2)針對無人裝備可以在定位拓?fù)錁?gòu)型中任意位置啟動的情況,研究了獲取初始定位的方法;

3)提出了一種動態(tài)切換系數(shù)方法,以解決定位單元切換過程中定位數(shù)據(jù)突變的問題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

1)采用間斷方式布局定位單元的構(gòu)型比連續(xù)布局定位基站的構(gòu)型具有更高的性價比,且能使定位誤差δ≤±25 cm;定位單位間距60 m;

2)標(biāo)準(zhǔn)矩形的定位單元拓?fù)浔戎苯侨切?、偏π形的拓?fù)渚哂懈叩亩ㄎ痪?

3)采用二叉樹遍歷查找法能夠快速確定無人裝備的初始位置;

4)采用動態(tài)切換系數(shù)方法獲取信號轄區(qū)交匯區(qū)域的定位數(shù)據(jù),能夠確保定位數(shù)據(jù)穩(wěn)定且連續(xù),可顯著減少定位單元切換引起的無人裝備運(yùn)動振蕩。

本文提出的定位方法為無人裝備在長距離地下通道開展全自主執(zhí)行任務(wù)提供了解決方案。