基于UWB的室外無人機中繼目標定位應用

文/于翔

在未來戰爭及軍事訓練中，在山體、樓宇內部、軍事演習場等衛星無法定位區域，快速對多個人員與裝備目標進行三維精確定位，同時對運動軌跡進行跟蹤分析，在軍事訓練工作具有非常大的用途。根據技術要求，本研究計劃選用UWB技術，針對多個移動人員、裝備的位置跟蹤，結合未來軍事戰爭對多目標大范圍高精度的迫切需求，設計利用無人機中繼與UWB技術進行高精度多目標定位方案，分析影響定位精度的誤差因素，從而為無人機高精度多目標定位提供理論參考。

1 UWB技術概述

1.1 UWB技術特點

超寬帶(Ultra Wideband）是一種無載波通信技術，UWB使用非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB技術的主要特點是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等。因此，超寬帶技術被廣泛應用于室內外靜止或移動人員及裝備的定位跟蹤與導航，且能提供高達十厘米級定位精度。

1.2 UWB技術在軍事上的應用

UWB技術所利用的超寬帶脈沖具有極強的穿透能力，可在室內和地下等無GPS的環境下進行精確定位，與GPS提供絕對地理位置不同，UWB定位可以給出在其所覆蓋區域內的目標相對位置。由于UWB具有數據傳輸速率優勢，同時受發射功率限制與設備安裝限制，在中短距離范圍內提供高速無線數據傳輸是UWB在軍事領域的主要應用領域。

軍事領域中，利用小型全向垂直極化或圓極化天線，UWB視距通信范圍可超過2km。UWB技術在軍事上的應用在我國還處于起步階段。近年來美軍的作戰技術將其引入，其目的是人員及裝備在城市環境條件下能夠以高分辨率來測定自身所在的位置。

圖1：TOF測距方法

2005年，美軍佐治亞州本寧兵營中的美軍在城市地形軍事行動 訓練中采用了位于丹佛Ubisense公司的超寬帶的RFID系統，跟蹤在模擬村莊訓練的士兵。

每個士兵佩帶的UWB標簽、激光射擊感應器數據(MILES)和記錄士兵進入和離開房間的紅外線定位數據等，都被送入到系統軟件中，由該系統產生訓練士兵的位置報告。系統軟件將MILES數據、房間內外的位置數據和時間戳編碼后形成3D模擬現場，類似于視頻游戲。訓練過后分析再現數據，士兵們可以從中吸取教訓，從而到達更好的訓練結果。例如，在什么情況下射擊，在什么情況下端槍不扣動板機。

1.3 UWB定位原理概述

本研究使用愛爾蘭DecaWave公司的MDEK1001超寬帶測距模塊。該模塊利用雙向飛行時間法（TW-TOF）進行測距。每個模塊從啟動開始會生成一條獨立的時間戳。模塊A的發射機在其時間戳上的Ta1發射請求性質的脈沖信號，模塊B在Tb2時刻發射一個響應性質的信號，被模塊A在自己的時間戳Ta2時刻接收。可以計算出脈沖信號在兩個模塊之間的飛行時間，從而確定飛行距離

TOF測距方法屬于雙向測距技術（如圖1），它主要利用信號在兩個異步收發機之間飛行時間來測量節點間的距離。因為在視距視線環境下，基于TOF測距方法是隨距離呈線性關系，所以結果會更加精準。我們將發送端發出和接收的回應時間間記為TTOT，接收端收到數據和發出回應的時間間隔記為TTAT，那么數據包在空中單向飛行的時間TTOF可以計算為：

圖2：UWB三維定位原理

然后根據TTOF與電磁波傳播速度的成績便可計算出兩點間的距離：

2 無人機光流定位

2.1 光流定位概述

無人機光流定位是當先遣急救人員或士兵在地下室、茂密的森林、高樓大廈密集的都市等GPS信號無法到達之處操作無人機時，借助于無人機底部的一個攝像頭采集圖像數據，然后采用光流算法計算兩幀圖像的位移，實現對無人機的高精度的定位，實現更加平穩的控制。

2.2 光流定位原理

假設攝像頭采集到的兩幀圖像之間的像素灰度不變與相鄰兩幀的像素具有相對運動成立。

根據第一個假設，如果兩幀像素的灰度值不變，那么有

其中I(x, y, t)表示在時間dt后移動到第二幀圖像(x+dx, y+dy)的位置，對上式采用泰勒級數兩邊展開，消去相同項，即可得到如下方程：

其中fx和fy表示圖像的梯度，ft表示時間梯度，采用經典的lucas-Kanade方法來進行求解。此時根據第二個假設，即在目標點的鄰域內所有的點都具有相似運動。利用一個3*3鄰域中9個點具有相同運動得到9個光流方程，然后采用最小二乘進行擬合求解，最終得到（u，v）如下：

以上為光流法計算像素點的移動速度的方法，對速度進行積分就可以得到位移。利用光流模塊返回的位置信息或者速度信息，形成一個閉環控制，即可實現定點。在使用的時候，需要對圖像中的一些點去跟蹤，采用上面的方法就可以計算得到光流向量，根據得到的光流向量，就可以進一步優化無人機的姿態控制，實現更加準確的控制。

3 基于UWB的室外無人機中繼目標定位應用實踐及分析

3.1 原理分析

為實現三維定位，需要求出被定位設備的XYZ三維坐標，在基站架設的時候，需要特別拉開Z軸的高度差，以確保在Z軸上的精確度。使用TOF的方式，三個基站就可以完成三維定位。地面架設可利用架設安裝桿的方式，為獲得精準的三維定位數據，可使用加裝基站無人機進行定點懸停的方式進行對Z軸高度的測量（如圖2）。

3.2 實驗驗證

3.2.1 實驗裝置

MDEK1001模塊6個，四旋翼無人機1架，模塊支架4個。

3.2.2 實驗過程

將3個MDEK1001模塊分別布置于實驗場地中的模塊支架上，高度為2米。利用四旋翼無人機掛載1個MDEK1001模塊保持5米高度定點懸停，將以上4個模塊設置為基站模式。使標簽按規定線路進行運動，利用模塊的Listener功能對標簽位置進行跟蹤，使用Tera Term對數據進行讀取，利用origin繪制軌跡（如圖3）。

圖3：目標軌跡圖

圖4：目標軌跡圖

將無人機上搭載的MDEK1001模塊固定至同高度位置的安裝支架上，再次按規定線路使標簽進行運動并測量。得到數據如圖，利用origin繪制軌跡（如圖4）。

3.2.3 實驗結果分析

通過實驗，對比兩次實驗結果中，相同位置狀態下同一標簽在固定基站的UWB定位系統及將基站掛載在無人機的UWB定位系統位置解算結果，分析無人機中繼對誤差的影響。根據以上實驗結果對比可以得出, 由于無人機自身的穩定性及電磁干擾，使用無人機中繼會使UWB定位出現5-10cm的偏差，對被測標簽跟蹤效果較好。

4 結束語

本研究通過對UWB原理、光流定位原理進行分析，對固定UWB基站測量標簽軌跡與以無人機為中繼進行標簽軌跡測量進行比較及誤差分析。分析誤差產生原因及實驗效果，驗證了以無人機為中繼進行UWB定位的可行性。

存在需要加強和改進的方面：

（1）UWB系統占用帶寬很高，在使用過程中可能會干擾現有其他無線通信系統。

（2）無人機在復雜環境下光流定點的穩定性還需要加強。

以無人機為中繼的UWB定位系統無論在定位精度、傳輸能力穿透力實時性等方面與其他的無線定位技術相比都有明顯優勢，而且由于無人機的快速移動，可以快速搭建定位系統，彌補了UWB固定裝置的搭建速度慢的特點。能夠滿足未來戰爭及軍事訓練中對定位精度及速度的要求，可以預見UWB技術未來會在我軍軍事訓練領域得到廣泛應用。