微型室内无人机集群智能系统的设计与实现文献综述

 2022-09-22 11:09

  1. 文献综述(或调研报告):

由于本项目注重的通过python端完成的机群控制,可参考的资料较多以官方文档为主,大多数文献综述的研究集中在tag或者anchor的c语言代码上,跟本次实验相关性略显不足,如有需要也会一并提及。

  1. 有关无人机定位,目前主要存在两种主要协议,第一种主要是针对单无人机飞行的TWR[1]协议。其通过四次发包,两次tag到anchor,两次anchor到tag来进行确认,而后通过其四次包中的时间戳计算包传输时间,在减去必要的一些天线延迟修正之后,将此时间乘以光速即可得到anhor到tag的距离,再通过获既定的anchor三维空间坐标位置信息联立方程即可得到tag(无人机)在空间当中的位置信息。但由于协议中缺少对无人机id信息的判断,此协议无法分辨不同无人机发出包的不同,因此不支持多无人机飞行。

第二种协议为TDOA[2],此协议Tag只负责接收信息,anchor负责向外发送信息并监听其他anchor传来的信息。每个anchor发出的信息包含了其他remoteAnchors的信息,包括与remoteAnchor的距离以上一次收到remoteAnchor包的时间戳。当Tag接收到此anchor信息之后,通过其中的时间戳将收到两anchor包的时间差减去两anchor发包的时间差,同时利用同一个anchor的两个连续包进行anchor与tag的时钟换算,即可得到发包anchor和remoteAnchor对于tag的TDOA值,及两个anchor对于tag的距离差。两个anchor在根据TDOA值可以得到一定的在空间中画出一条等TDOA线,多条线的交点即可确定tag在空间中的位置。此定位方法虽然不如TWR直观,但因为tag不发送信息,而且采用的是时间差数据,所以对于天线延迟等参数的调参步骤就可以省去,一开始使用就获得了较好的的精确度和飞行稳定性,而TWR要达到相同精度则需要手动调参。由于tag只负责接收anchor包的广播以此来确定自己的位置,所以此系统中可容纳多无人机同时定位飞行,也是本次实验主要采用的协议。

  1. 上述无人机定位的协议已经在无人机的扩展lpsdeck以及基站上通过c语言代码实现了,真正使用到的底层通信技术则是兼容IEEE 802.15.4—2011标准的超宽带(Ultra Wideband,UWB)[3]。相比于蓝牙技术 、Wi-Fi技术、RFID(Radio Frequency Identification)技术等的室内定位技术,UWB在定位精度、实时性能、带宽等方面具有很大的优势,超宽带定位技术理论上可以实现厘米级的定位精度。 基于TDOA(Time Difference of Arrival)的UWB定位技术目前已经能实现厘米级的定位精度,但是目前在实际应用中仍存在不少问题,例如基站之间的时钟同步问题以及UWB的信号传输受电磁干扰、非视距(Non⁃line⁃of⁃sight,NLOS)等影响,使得实际定位精度不高、定位稳定性差。

UWB采用的TOF测距,利用飞行时差来测距,它主要利用了信号在两个anchor之间飞行的时间来测量节点间的距离。模块从启动开始都会产生一条独立的时间戳。由于在视距视线环境下,基于TOF测距方法是随着距离呈现线性关系,所以结果会更加精准。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为Ttot,接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为Ttat,那么数据包在空中单向飞行的时间Ttof可以计算为:Ttof=(Ttot-Ttat)/2,然后根据Ttof与电磁波传播速度的成绩便可计算出两点间的距离D=CxTtof

TOF测距方法和两个关键侧约束:

1、发送设备和接收设备必须始终同步;

2、接收设备提供信号的传输时间的长短;

为了实现始终同步,TOF测距方法采用了时钟偏移量来解决始终同步问题,单由于TOF测距方法的时间以来与本地的远程几点,侧距精度容易受两端节点中的始终偏移量的影响。为了减少此类错误的影响,这里采用反向测量方法,即远程节点发送数据包,本地节点接收数据包,并自动响应。通过平均正向和反向多次测量的平均值,减少对任何始终偏移量的影响,从而减少测距误差。

UWB的定位原理就是通过在室内布置多个已知坐标的定位基站,而在基站间的标签TAG即无人机按照一定频率发送脉冲,不断和已知的定位基站进行测距,通过一定的精确算法定出标签的位置。

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