基于超声波的无人机室内定位技术研究＊

2020-01-16刘永福黄芳艳林镇滔胡嘉就陈德朝

科技与创新 2020年1期

刘永福，黄芳艳，林镇滔，胡嘉就，陈德朝

基于超声波的无人机室内定位技术研究＊

刘永福，黄芳艳，林镇滔，胡嘉就，陈德朝

（广东开放大学，广东广州 510091；广东理工职业学院，广东广州 510091）

以超声波为载体，设计和制作一种高精度、低成本的超声波室内定位系统。相对于三角位置测定，此系统采用四角位置测定，在室内的四个顶点安装超声波发射头和红外发射头，提高了定位精度和系统健壮性。针对超声波信号发射的同步模式存在信号与节点不匹配、定位不确定和测试盲区问题，异步模式会牺牲系统的定位精度问题，设计自适应模式切换原则，根据实际情况在两种模式之间切换。异步模式只用来粗略估算待测目标节点的位置，估算结果用来辅助同步模式完成信号和节点的匹配工作，从而定位目标点。在异步模式、盲区和严重干扰情况下，系统采用运动轨迹预测算法，确保系统的预测精度，提高了定位系统的鲁棒性。

超声波；红外；室内定位；无人机

常用的室内定位技术有基于Wi-Fi的室内定位、基于iBeacon的室内定位、基于UWB的室内定位、基于红外的室内定位、基于激光雷达的室内定位、基于LED的室内定位、基于Zigbee的室内定位和基于超声波的室内定位等。不管采用哪种技术，都追求一种性价比较高的技术方案来解决实际需求。对于厂房设备的室内定位（例如室内无人机、机器人、小车导航等业务），要求定位精度较高、成本低且抗环境干扰（光、温度、湿度）能力强等。本系统以超声波为载体，分析超声波在空气中传播的特性和前人的技术方案，设计和制作一种高精度、低成本的超声波室内定位系统，对室内的无人机设备进行定位。

1 测试环境

测试环境为10 m×10 m×3 m的长方体，其部署如图1所示。

图1 设备部署图

图1中，为原点（0，0，0），为轴，为轴，为轴。、、、的长度都为10 m，的长度为3 m。○表示发射节点，、、、四个发射节点分别位于四个顶角上；●表示待测目标点，其在面上的投影为点。

，，，为房子的4个顶角，安装4个超声波发射节点，每个节点都装有超声波发射头和2 W的红外发射头。超声波发射头发射特定测试信号（频率为40 kHz，8个方波）实现发射距离增程，经过适当调整发射角度和增益，4个发射头能很好覆盖整个房间。红外发射头同步发射红外光，通过红外感知，待测目标获得同步测试信号。

2 测试方案

4个节点和一个无线节点（无线节点为SI44663无线模块）通过信号线接入中控器，通过中控器控制信号收发。待测目标节点点由超声波接收头（灵敏度为－75 dBm）、红外光探头和无线节点（无线节点为SI4463无线模块）组成。根据三角位置测定，只需要3个发射节点，便可以获得点在轴、轴、轴的坐标，实现目标点的定位，节省了成本，但降低了系统的精度和健壮性。

本系统采用4个发射节点，分别部署于4个顶角。增加了系统冗余，即使其中一个发射节点损坏，系统依然可以正常工作；在系统运行过程中，可以根据就近原则选取信号参与定位计算。

就近原则主要考虑两种情况：①4个节点同时发射测试信号的同步模式，只采用最先到达点的前3列信号；②4个节点轮流发射测试信号的异步模式，则排除时间最长的1列信号。

3 距离测试过程

4 同步发射模式

4个超声波发射节点同时发射测试信号的模式称为同步模式，4个超声波发射节点不同时发射测试信号的模式称为异步模式。在同步模式下，存在信号与节点不匹配、定位不确定问题和测试盲区问题。

4.1 信号不匹配、定位不确定问题

由于长方体具有对称性，在同步发射模式下，目标节点获得的4个时间信号无法和发射节点，，，四点匹配，因此无法进行精确定位。

4.2 测试盲区问题

同步模式下，发射节点的对称性除了引入定位的不确定性外，还引入了测试盲区。

为了让4列信号同时发射在空中互不重叠，且待测目标能被正确识别，待测目标到各信号发射节点间距离差必须大于7.82 cm。当节点间距差不足7.82 cm时，收到的将是一串叠加长信号。因此，在对角线及中线构成的面中会存在 7.82 cm的空间盲区。

4.3 信号不匹配问题和盲区的解决方案

不同发射节点发射其特有的超声波频率，待测目标节点具备接收多种频率的能力。

缺点是增加了硬件设计复杂度和系统维护难度，成本大幅度增加，用户难以接受。

整个系统采用每个节点轮流发射信号的异步模式。异步模式下，目标节点能识别出每个时长所对应的发射节点，不会存在由于节点对称性而引入的定位不确定性和信号重叠的情况，也不存在所谓的测试盲区。缺点是牺牲系统的定位精度。

5 自适应切换模式

为了保证系统精度同时又能降低成本，本系统设计了自适应切换模式。假设异步模式完成一轮信号收发需要时间为（取112 ms），同步模式完成一轮信号收发需要时间为（取43 ms）。

在目标节点上，记录每列超声波的持续时间和同步模式时间内获得的信号列数，根据测得信号列数，通过无线节点请求中控器切换到相应的工作模式。

5.1 自适应模式切换原则

周期内，＜3，干扰严重或2列以上信号叠加，取消本次测量，采用轨迹预测算法，并请求中控器启用异步模式。周期内，3≤＜4，利用3列信号测定坐标。周期内，=4，根据就近原则，去掉耗时最长的一列信号，然后测定坐标。周期内，＞5，干扰严重，取消本次测量，采用轨迹预测算法，并请求中控器启用异步模式。

中控器接收到超过2/3的目标节点请求异步模式时，则切换到异步模式。异步模式中，每个目标节点根据就近原则去掉四列信号中最大的一列，剩余3列信号参与计算粗略位置，利用粗略位置完成同步模式的信号和发射点的匹配，消除对称性引入的不确定因素。异步模式结束后马上转为同步模式，连续20次同步模式后，转入异步模式（确保每秒有一次异步模式）。