劉永福，黃芳艷，林鎮(zhèn)滔，胡嘉就，陳德朝

基于超聲波的無人機室內(nèi)定位技術(shù)研究＊

劉永福，黃芳艷，林鎮(zhèn)滔，胡嘉就，陳德朝

（廣東開放大學(xué)，廣東 廣州 510091；廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510091）

以超聲波為載體，設(shè)計和制作一種高精度、低成本的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)。相對于三角位置測定，此系統(tǒng)采用四角位置測定，在室內(nèi)的四個頂點安裝超聲波發(fā)射頭和紅外發(fā)射頭，提高了定位精度和系統(tǒng)健壯性。針對超聲波信號發(fā)射的同步模式存在信號與節(jié)點不匹配、定位不確定和測試盲區(qū)問題，異步模式會犧牲系統(tǒng)的定位精度問題，設(shè)計自適應(yīng)模式切換原則，根據(jù)實際情況在兩種模式之間切換。異步模式只用來粗略估算待測目標(biāo)節(jié)點的位置，估算結(jié)果用來輔助同步模式完成信號和節(jié)點的匹配工作，從而定位目標(biāo)點。在異步模式、盲區(qū)和嚴(yán)重干擾情況下，系統(tǒng)采用運動軌跡預(yù)測算法，確保系統(tǒng)的預(yù)測精度，提高了定位系統(tǒng)的魯棒性。

超聲波；紅外；室內(nèi)定位；無人機

常用的室內(nèi)定位技術(shù)有基于Wi-Fi的室內(nèi)定位、基于iBeacon的室內(nèi)定位、基于UWB的室內(nèi)定位、基于紅外的室內(nèi)定位、基于激光雷達的室內(nèi)定位、基于LED的室內(nèi)定位、基于Zigbee的室內(nèi)定位和基于超聲波的室內(nèi)定位等。不管采用哪種技術(shù)，都追求一種性價比較高的技術(shù)方案來解決實際需求。對于廠房設(shè)備的室內(nèi)定位（例如室內(nèi)無人機、機器人、小車導(dǎo)航等業(yè)務(wù)），要求定位精度較高、成本低且抗環(huán)境干擾（光、溫度、濕度）能力強等。本系統(tǒng)以超聲波為載體，分析超聲波在空氣中傳播的特性和前人的技術(shù)方案，設(shè)計和制作一種高精度、低成本的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)，對室內(nèi)的無人機設(shè)備進行定位。

1 測試環(huán)境

測試環(huán)境為10 m×10 m×3 m的長方體，其部署如圖1所示。

圖1 設(shè)備部署圖

圖1中，為原點（0，0，0），為軸，為軸，為軸。、、、的長度都為10 m，的長度為3 m?！鸨硎景l(fā)射節(jié)點，、、、四個發(fā)射節(jié)點分別位于四個頂角上；●表示待測目標(biāo)點，其在面上的投影為點。

，，，為房子的4個頂角，安裝4個超聲波發(fā)射節(jié)點，每個節(jié)點都裝有超聲波發(fā)射頭和2 W的紅外發(fā)射頭。超聲波發(fā)射頭發(fā)射特定測試信號（頻率為40 kHz，8個方波）實現(xiàn)發(fā)射距離增程，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整發(fā)射角度和增益，4個發(fā)射頭能很好覆蓋整個房間。紅外發(fā)射頭同步發(fā)射紅外光，通過紅外感知，待測目標(biāo)獲得同步測試信號。

2 測試方案

4個節(jié)點和一個無線節(jié)點（無線節(jié)點為SI44663無線模塊）通過信號線接入中控器，通過中控器控制信號收發(fā)。待測目標(biāo)節(jié)點點由超聲波接收頭（靈敏度為－75 dBm）、紅外光探頭和無線節(jié)點（無線節(jié)點為SI4463無線模塊）組成。根據(jù)三角位置測定，只需要3個發(fā)射節(jié)點，便可以獲得點在軸、軸、軸的坐標(biāo)，實現(xiàn)目標(biāo)點的定位，節(jié)省了成本，但降低了系統(tǒng)的精度和健壯性。

本系統(tǒng)采用4個發(fā)射節(jié)點，分別部署于4個頂角。增加了系統(tǒng)冗余，即使其中一個發(fā)射節(jié)點損壞，系統(tǒng)依然可以正常工作；在系統(tǒng)運行過程中，可以根據(jù)就近原則選取信號參與定位計算。

就近原則主要考慮兩種情況：①4個節(jié)點同時發(fā)射測試信號的同步模式，只采用最先到達點的前3列信號；②4個節(jié)點輪流發(fā)射測試信號的異步模式，則排除時間最長的1列信號。

3 距離測試過程

4 同步發(fā)射模式

4個超聲波發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射測試信號的模式稱為同步模式，4個超聲波發(fā)射節(jié)點不同時發(fā)射測試信號的模式稱為異步模式。在同步模式下，存在信號與節(jié)點不匹配、定位不確定問題和測試盲區(qū)問題。

4.1 信號不匹配、定位不確定問題

由于長方體具有對稱性，在同步發(fā)射模式下，目標(biāo)節(jié)點獲得的4個時間信號無法和發(fā)射節(jié)點，，，四點匹配，因此無法進行精確定位。

4.2 測試盲區(qū)問題

同步模式下，發(fā)射節(jié)點的對稱性除了引入定位的不確定性外，還引入了測試盲區(qū)。

為了讓4列信號同時發(fā)射在空中互不重疊，且待測目標(biāo)能被正確識別，待測目標(biāo)到各信號發(fā)射節(jié)點間距離差必須大于7.82 cm。當(dāng)節(jié)點間距差不足7.82 cm時，收到的將是一串疊加長信號。因此，在對角線及中線構(gòu)成的面中會存在 7.82 cm的空間盲區(qū)。

4.3 信號不匹配問題和盲區(qū)的解決方案

不同發(fā)射節(jié)點發(fā)射其特有的超聲波頻率，待測目標(biāo)節(jié)點具備接收多種頻率的能力。

缺點是增加了硬件設(shè)計復(fù)雜度和系統(tǒng)維護難度，成本大幅度增加，用戶難以接受。

整個系統(tǒng)采用每個節(jié)點輪流發(fā)射信號的異步模式。異步模式下，目標(biāo)節(jié)點能識別出每個時長所對應(yīng)的發(fā)射節(jié)點，不會存在由于節(jié)點對稱性而引入的定位不確定性和信號重疊的情況，也不存在所謂的測試盲區(qū)。缺點是犧牲系統(tǒng)的定位精度。

5 自適應(yīng)切換模式

為了保證系統(tǒng)精度同時又能降低成本，本系統(tǒng)設(shè)計了自適應(yīng)切換模式。假設(shè)異步模式完成一輪信號收發(fā)需要時間為（取112 ms），同步模式完成一輪信號收發(fā)需要時間為（取43 ms）。

在目標(biāo)節(jié)點上，記錄每列超聲波的持續(xù)時間和同步模式時間內(nèi)獲得的信號列數(shù)，根據(jù)測得信號列數(shù)，通過無線節(jié)點請求中控器切換到相應(yīng)的工作模式。

5.1 自適應(yīng)模式切換原則

周期內(nèi)，＜3，干擾嚴(yán)重或2列以上信號疊加，取消本次測量，采用軌跡預(yù)測算法，并請求中控器啟用異步模式。周期內(nèi)，3≤＜4，利用3列信號測定坐標(biāo)。周期內(nèi)，=4，根據(jù)就近原則，去掉耗時最長的一列信號，然后測定坐標(biāo)。周期內(nèi)，＞5，干擾嚴(yán)重，取消本次測量，采用軌跡預(yù)測算法，并請求中控器啟用異步模式。

中控器接收到超過2/3的目標(biāo)節(jié)點請求異步模式時，則切換到異步模式。異步模式中，每個目標(biāo)節(jié)點根據(jù)就近原則去掉四列信號中最大的一列，剩余3列信號參與計算粗略位置，利用粗略位置完成同步模式的信號和發(fā)射點的匹配，消除對稱性引入的不確定因素。異步模式結(jié)束后馬上轉(zhuǎn)為同步模式，連續(xù)20次同步模式后，轉(zhuǎn)入異步模式（確保每秒有一次異步模式）。

5.2 相對誤差

由于超聲波傳播速度較慢，超聲波和點的相對運動會引入不可忽略的誤差。

按照可能引入最大誤差的情況來設(shè)定條件：超聲波的速度取340 m/s，點運動速度為2 m/s。點選取2個典型特征點：在角附近移動或者在長方體中心位置附近運動，如圖2所示。

圖2 O點在M角和中心柱附近運動的平面投影

5.2.1點在角附近運動

根據(jù)自適應(yīng)模式切換原則，符合原則2和3的條件，所以用同步模式進行測量。

假設(shè)點非常靠近點，滿足：

超聲波在線路上傳播所需時間：

AM=/340=0.042 5 s

點的相對位移為0.042 5 s×2 m/s=8.5 cm，因此引入的誤差約為8.5 cm。

如果受到模式切換原則第5條約束，系統(tǒng)處于異步模式，那么目標(biāo)節(jié)點需要接收完4列信號，才能開始進行坐標(biāo)運算。因此，其引入的誤差如下。

和計算AM同理，計算BM，CM，DM的值，4列信號總耗時為：

AM+BM+CM+DM=0.042 5+0.03+0.03+0.009=0.111 5 s

由此得相對運動引起誤差約為：

0.111 5 s×2 m/s=22.3 cm

5.2.2點在中心軸附近運動

根據(jù)自適應(yīng)模式切換原則，符合原則1的條件，所以用異步模式進行測量。

假設(shè)目標(biāo)節(jié)點處于長方體的中心點處，即：

完整接收完4列信號所需時長：7.23÷340×4=0.084 8 s，可認(rèn)為相對運動誤差約為0.084 8×2 m/s=16.96 cm。

如果受自適應(yīng)模式切換原則約束，系統(tǒng)處于同步模式。同步模式下，目標(biāo)節(jié)點因受到多路信號疊加干擾，根據(jù)自適應(yīng)切換原則，會放棄此次測量，并請求中控啟用異步模式和進入運動軌跡預(yù)測模式。

根據(jù)上述情況，不管待測目標(biāo)在點附近還是在中心點附近運動，待測目標(biāo)節(jié)點因為相對運動都會引入較大的誤差。異步模式只作為待測目標(biāo)節(jié)點的粗略位置估算，估算結(jié)果用來輔助同步模式完成信號和節(jié)點的匹配工作。

5.3 運動軌跡預(yù)測

根據(jù)自適應(yīng)切換原則，異步模式和處于盲區(qū)或干擾嚴(yán)重的情況下，都會啟動運動軌跡預(yù)測模式，進一步提高系統(tǒng)的精度。

5.3.1 運動軌跡

因此點運動軌跡的預(yù)測轉(zhuǎn)化為點在軸、軸、軸投影的軌跡預(yù)測。

5.3.2 軌跡預(yù)測算法

以軸為例，系統(tǒng)記錄前3次軸的坐標(biāo)（1，2，3）。在同步模式下，系統(tǒng)每次測試的周期為（為了方便計算，公式中把記為），通過算法預(yù)測下一時刻4的位置，如圖3所示。

圖3 x軸運動軌跡預(yù)測

根據(jù)=/，得2處和3處的速度1和2：

1=（2﹣1）/（1）

2=（3﹣2）/（2）

2和3之間的加速度為：

=（2﹣1）/（3）

計算后知初始速度為2，加速度為，時間為。

代入式（2）（3），化簡得：

同理，通過式（5）能預(yù)測軸和軸的下一時刻的坐標(biāo)。至此，完成了運動目標(biāo)的軌跡預(yù)測。在異步模式、盲區(qū)和嚴(yán)重干擾情況下，確保系統(tǒng)的預(yù)測精度。

通過上述方法，可以比較準(zhǔn)確地確定無人機在室內(nèi)GPS無效情況下的位置，以及預(yù)測無人機在室內(nèi)飛行時下一個時刻的運動位置。

6 結(jié)束語

本文采用四角定位、同步模式異步模式自適應(yīng)切換、運動軌跡預(yù)測等技術(shù)，設(shè)計制作的超聲波無人機室內(nèi)定位系統(tǒng)，不但降低了硬件成本和硬件的復(fù)雜程度，也提高了定位的精度，提高了定位系統(tǒng)的魯棒性。

V279；V249.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.015

2095－6835（2020）01－0051－03

廣東理工職業(yè)學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項目（編號：Pdjh2019b0734）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕