超寬帶技術(shù)在多旋翼無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)中的應(yīng)用

張寶譯

（山東師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250358）

1 多旋翼無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)概況

當(dāng)前，多旋翼無人機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”）被廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)。無人機(jī)系統(tǒng)以無人機(jī)作為載體，搭配各種模塊化載荷設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，如拍照、錄像、照明、喊話、噴灑、投擲等模塊。由于無人機(jī)具有靈活方便、性價(jià)比高、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在環(huán)保、交通、測(cè)繪、林業(yè)、消防、電力、公安邊防等領(lǐng)域。

由于無人機(jī)續(xù)航載重等多種因素的限制，單架次無人機(jī)的作業(yè)范圍還不夠廣，而土地測(cè)繪、電力巡檢、邊境巡查等應(yīng)用場(chǎng)景都要求無人機(jī)制滯空時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)距離遠(yuǎn)。為了滿足此類需求，且隨著無人機(jī)行業(yè)智能化水平的不斷提升，無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)應(yīng)運(yùn)而生。

無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)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(chǎng)操作。無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)不需要有人值守，機(jī)場(chǎng)設(shè)置好之后，可遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)場(chǎng)的自動(dòng)化運(yùn)行，包括自動(dòng)起飛、自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)、自動(dòng)返航、自動(dòng)充放電等一系列自動(dòng)化智能化操作。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)無須人員值守，所以可以將無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)建設(shè)在上述應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)。如邊境巡邏，可以沿邊境線建設(shè)多個(gè)無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)，這樣無人機(jī)就可以沿邊境線執(zhí)行巡邏任務(wù)，而建設(shè)的多個(gè)無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)就成為無人機(jī)的“驛站”，每2個(gè)機(jī)場(chǎng)之間的距離可以按照無人機(jī)的單次最大航程進(jìn)行設(shè)計(jì)。在每個(gè)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)內(nèi)，均配置1個(gè)地面輔助機(jī)器人系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“機(jī)器人”），當(dāng)無人機(jī)降落后，機(jī)器人與無人機(jī)共同配合，實(shí)現(xiàn)電池更換、電池充放電、載荷更換、無人機(jī)檢測(cè)等諸多功能。

通過多個(gè)無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的“接力”使用，大大提高了無人機(jī)的作業(yè)范圍，擴(kuò)展了無人機(jī)的應(yīng)用范圍，具有很大的現(xiàn)實(shí)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(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)都是全封閉狀態(tài)，在沒有無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，上蓋一直處于關(guān)閉狀態(tài)。且機(jī)場(chǎng)外殼必須具備一定的強(qiáng)度。這就導(dǎo)致無人機(jī)機(jī)場(chǎng)內(nèi)部（以下簡(jiǎn)稱“機(jī)庫(kù)”）沒有衛(wèi)星信號(hào)。機(jī)庫(kù)的面積有限，這就要求無人機(jī)必須精準(zhǔn)地降落在機(jī)庫(kù)范圍內(nèi)。而當(dāng)前無人機(jī)普遍采用的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法滿足無人機(jī)的高精度降落要求。

無人機(jī)降落到機(jī)庫(kù)后，機(jī)器人需要在機(jī)庫(kù)內(nèi)找到無人機(jī)的位置，并且能夠感知自己在機(jī)庫(kù)中的位置，這樣才能夠?qū)崿F(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(nèi)多個(gè)攝像頭拍攝圖片（標(biāo)志物），然后計(jì)算出機(jī)器人和無人機(jī)在機(jī)庫(kù)中的位置，并指引機(jī)器人的導(dǎo)航。不過此方法對(duì)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(shù)解決上述問題的方法。

3 超寬帶技術(shù)概況

超寬帶技術(shù)（Ultra Wide Band,UWB）是一種新型的無線通信技術(shù)，它是通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使得信號(hào)具有GHz量級(jí)的帶寬。

超寬帶技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）抗干擾性能強(qiáng)；（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(duì)較短。

以上特點(diǎn)決定了超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用在測(cè)距及定位領(lǐng)域，在短距離范圍內(nèi)，利用超寬帶技術(shù)進(jìn)行高頻率的測(cè)距運(yùn)算，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)算法計(jì)算出物體的位置信息。由于超寬帶技術(shù)通信速率很快，可以將該技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)的模塊通信功能上。

4 超寬帶技術(shù)的測(cè)距原理

2個(gè)使用超寬帶技術(shù)的模塊可以互相通信，并利用通信過程中的時(shí)間參數(shù)，計(jì)算出2個(gè)模塊之間的距離。

文章使用的是雙邊雙向測(cè)距方法，記錄了信號(hào)在2個(gè)模塊之間往返的時(shí)間戳，并在最后計(jì)算出飛行時(shí)間。雖然增加了響應(yīng)的時(shí)間，但是這樣做可以降低測(cè)距誤差，提高測(cè)量精度，對(duì)提高后續(xù)的定位精度有很大影響。

假設(shè)有甲、乙2個(gè)設(shè)備，使用雙邊雙向測(cè)距法進(jìn)行距離測(cè)定。設(shè)備甲主動(dòng)發(fā)送第一條測(cè)距消息，等待設(shè)備乙響應(yīng)。當(dāng)設(shè)備甲收到設(shè)備乙返回的響應(yīng)后，設(shè)備甲立刻返回?cái)?shù)據(jù)，最終得到4個(gè)時(shí)間戳。根據(jù)4個(gè)時(shí)間戳參數(shù)，能夠計(jì)算出信號(hào)在設(shè)備甲、乙之間的飛行時(shí)間，并據(jù)此計(jì)算出設(shè)備甲、乙之間的距離。而且，在測(cè)距時(shí)，設(shè)備甲、乙進(jìn)行了數(shù)據(jù)通信，也就是說，在測(cè)距時(shí)，能夠在2個(gè)設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)。

5 利用超寬帶技術(shù)解決系統(tǒng)存在的問題

假設(shè)一套系統(tǒng)中，超寬帶應(yīng)用有5個(gè)模塊，其中4個(gè)命名為基站，另外1個(gè)命名為標(biāo)簽。則有基站A、基站B、基站C、基站D和標(biāo)簽1。

該方案使用的是DECAWAVE公司生產(chǎn)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(dá)到6.8Mb/s，對(duì)于多路徑衰弱有更強(qiáng)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(jī)的負(fù)重要求。

該方案中，把基站A、B、C分別固定放置在機(jī)庫(kù)外墻的3個(gè)角的同一高度位置上，基站D固定放置在機(jī)庫(kù)的第4個(gè)角上，且高度高出其他3個(gè)基站1m。以機(jī)庫(kù)某一角為坐標(biāo)原點(diǎn)，繪制出三維坐標(biāo)圖，這樣，基站A、B、C、D在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值得以確定。

該方案中，可以通過標(biāo)簽1，利用超寬帶技術(shù)分別與基站A、B、C、D進(jìn)行測(cè)距，這樣就可以計(jì)算出標(biāo)簽1距離基站A、B、C的距離，得到這3個(gè)距離后，利用三邊測(cè)量定位算法（Trilateration），就可以計(jì)算出2個(gè)三維坐標(biāo)（X，Y，Z1）和（X，Y，Z2）。通過基站D與標(biāo)簽1的實(shí)際測(cè)量距離，判斷計(jì)算出的坐標(biāo)點(diǎn)與基站D的距離，哪一個(gè)與測(cè)量距離更接近，就可以判斷出2個(gè)坐標(biāo)中哪一個(gè)三維坐標(biāo)才是標(biāo)簽1在自定義坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

通過以上算法，可以得到標(biāo)簽1在自定義坐標(biāo)系中的位置信息。在設(shè)置坐標(biāo)系的時(shí)候，該方案將坐標(biāo)系橫軸對(duì)準(zhǔn)地理正東，將縱軸對(duì)準(zhǔn)地理正北，垂直方向上的軸垂直指向上方。設(shè)置完后，就可以利用在自定義坐標(biāo)系中計(jì)算出的位置信息指引無人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航控制。

因?yàn)槌瑢拵Ъ夹g(shù)是在納秒級(jí)別進(jìn)行的定位，所以通信非常快，且測(cè)距精度很高，測(cè)距精度能達(dá)到10cm以內(nèi)。在保證使用頻率能夠滿足導(dǎo)航需要的前提下，將三邊測(cè)量定位算法計(jì)算出的坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)字濾波處理。因無人機(jī)控制頻率一般為200～400Hz，遠(yuǎn)低于超寬帶測(cè)距頻率，所以經(jīng)過濾波后的坐標(biāo)值，水平精度在5cm以下，垂直精度在15cm以下，完全滿足無人機(jī)精準(zhǔn)降落的需求。

根據(jù)以上分析，在整個(gè)系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)如下流程：無人機(jī)在自動(dòng)機(jī)場(chǎng)起飛執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后，無人機(jī)返回某機(jī)場(chǎng)（事先確認(rèn)該機(jī)場(chǎng)是否有空余停機(jī)位），依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)返回到自動(dòng)機(jī)場(chǎng)附近。在逐漸接近機(jī)場(chǎng)的過程中，無人機(jī)自身攜帶的標(biāo)簽與機(jī)場(chǎng)內(nèi)架設(shè)的基站進(jìn)行測(cè)距通信，無人機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算自己在該機(jī)場(chǎng)自建坐標(biāo)系中的位置，并根據(jù)此信息指引無人機(jī)精準(zhǔn)降落到機(jī)庫(kù)內(nèi)。而機(jī)庫(kù)內(nèi)的機(jī)器人同樣與基站進(jìn)行測(cè)距定位，計(jì)算出自己的坐標(biāo)值。待無人機(jī)降落后，機(jī)器人根據(jù)系統(tǒng)告知的無人機(jī)位置信息，導(dǎo)航至無人機(jī)處，進(jìn)行電池更換、載荷更換等操作。操作完畢后，機(jī)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(jī)則可以繼續(xù)起飛完成后續(xù)飛行任務(wù)。通過多個(gè)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的“接力”，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的不間斷飛行，大大提高了無人機(jī)的作業(yè)半徑，拓寬了無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

6 結(jié)束語

普通的多旋翼無人機(jī)，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(zhǎng)時(shí)間飛行，極大地限制了無人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用。文章提出一種自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的方案，即采取多個(gè)機(jī)場(chǎng)“接力”的方式來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)作業(yè)半徑的擴(kuò)展，大大拓寬了無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍。文章還提出了一種解決無人機(jī)與輔助機(jī)器人在該系統(tǒng)的輔助導(dǎo)航方法，即超寬帶技術(shù)。利用超寬帶技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)模塊之間的高速通信，也能夠利用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的定位，解決了機(jī)場(chǎng)內(nèi)輔助機(jī)器人和無人機(jī)在機(jī)場(chǎng)附近的導(dǎo)航問題。