基于UWB技術(shù)的無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)*

盛 利， 段 斌， 鐘小鵬

(1.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.長(zhǎng)沙北斗產(chǎn)業(yè)安全技術(shù)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

相比室外復(fù)雜的環(huán)境，寬闊無(wú)干擾的室內(nèi)環(huán)境能更好地利于無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試。而解決無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行測(cè)試的前提是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航[1]。針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[2]中提出慣性/光流/磁組合，通過(guò)對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合提高定位精度，減少對(duì)全球定位系統(tǒng)(GPS)信號(hào)的依賴性。文獻(xiàn)[3]中提出視覺(jué)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping,SLAM)系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)載慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit,IMU)傳感器融合，自主完成環(huán)境建模、探索并重建出目標(biāo)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。文獻(xiàn)[4]中提出利用自身傳感器實(shí)現(xiàn)完成對(duì)無(wú)人機(jī)室內(nèi)位置信息獲取、避障及路徑規(guī)劃。

以上研究均僅對(duì)無(wú)人機(jī)自身自適應(yīng)接收和處理所有可用的導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)源，以實(shí)現(xiàn)其室內(nèi)自主導(dǎo)航。而針對(duì)于無(wú)人機(jī)廠大批量無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行測(cè)試，此類自適應(yīng)導(dǎo)航方法不具有實(shí)用性且實(shí)現(xiàn)成本高。本文提出了一種可借助外部輔助導(dǎo)航設(shè)備搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)廠大批量無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行測(cè)試。該平臺(tái)由以下三步驟組成：1)利用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)完成室內(nèi)固定的定位基站的絕對(duì)大地坐標(biāo)獲取，并轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)，構(gòu)建室內(nèi)三維坐標(biāo)系。此方法可塑性較強(qiáng)，簡(jiǎn)單且快速；2)利用基于超寬帶(ultra wide band,UWB)技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)獲取無(wú)人機(jī)室內(nèi)位置信息。該定位系統(tǒng)定位精度高、穩(wěn)定性好、系統(tǒng)復(fù)雜度低、抗多徑效應(yīng)強(qiáng)；3)采用衛(wèi)星模擬源[5]，根據(jù)定位系統(tǒng)獲取的位置信息生成模擬的衛(wèi)星信號(hào)并室內(nèi)播發(fā)。長(zhǎng)沙北斗產(chǎn)業(yè)安全技術(shù)研究院的GNS80000衛(wèi)星模擬源，實(shí)時(shí)性優(yōu)于10 ms，完全滿足可實(shí)時(shí)播放信號(hào)的應(yīng)用要求。

綜合以上三點(diǎn)，本設(shè)計(jì)主要完成了步驟(1)、步驟(2)工作。設(shè)計(jì)了一種基于UWB技術(shù)[6,7]的高精度無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)。利用該室內(nèi)定位系統(tǒng)，可高精確地獲取無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行的位置信息，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)其室內(nèi)自主導(dǎo)航研究及飛行測(cè)試平臺(tái)搭建做基礎(chǔ)。

1 測(cè)試平臺(tái)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位系統(tǒng)的基站與無(wú)人機(jī)內(nèi)置標(biāo)簽均基于DW1000無(wú)線收發(fā)芯片進(jìn)行信號(hào)間的收發(fā)，算法上采用到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival,TDOA)進(jìn)行標(biāo)簽的位置解算[8]。本定位系統(tǒng)主要應(yīng)用于無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行對(duì)無(wú)人機(jī)的定位[9]、無(wú)人機(jī)位置信息獲取、無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航同步定位。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

定位系統(tǒng)主要由：4個(gè)定位基站、無(wú)人機(jī)搭載的標(biāo)簽、構(gòu)建的三維直角坐標(biāo)地圖、數(shù)據(jù)傳輸通道、定位服務(wù)器組成。當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入定位基站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，無(wú)人機(jī)搭載的標(biāo)簽與定位基站自動(dòng)地進(jìn)行信號(hào)收發(fā)。其中當(dāng)標(biāo)簽、基站接收到信號(hào)時(shí)，依據(jù)存儲(chǔ)的測(cè)距算法完成各自間的距離解算。將PC端連接其中一個(gè)基站，利用該基站將解算數(shù)據(jù)包通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸通道發(fā)送至定位服務(wù)器，定位服務(wù)器將完成無(wú)人機(jī)內(nèi)置標(biāo)簽的原始數(shù)據(jù)獲取、坐標(biāo)解算、坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入衛(wèi)星模擬源。針對(duì)TDOA算法的三維定位中，4個(gè)基站布局不能共面，其中一個(gè)基站將測(cè)出標(biāo)簽高度，實(shí)現(xiàn)三維定位效果。為防標(biāo)簽產(chǎn)生多徑效應(yīng)[11]，確?；揪嚯x最近墻面或任何其他物體大于15 cm。其中,定位基站分布于室內(nèi)各個(gè)墻角，有利于信號(hào)覆蓋范圍最大。利用衛(wèi)星接收機(jī)測(cè)出各個(gè)基站的坐標(biāo)位置，以構(gòu)建一個(gè)實(shí)際的三維坐標(biāo)地圖。

2 硬件設(shè)計(jì)

基站節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)組成與功能特性相似且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，功能特性均采用單一的按固定周期發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包并接收傳來(lái)的數(shù)據(jù)包。圖2為基站硬件設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)。

圖2 基站硬件設(shè)計(jì)框圖

基站/標(biāo)簽硬件設(shè)計(jì)主要由：控制器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、接口模塊、外圍被控制電路以及電源模塊等幾部分組成。控制器模塊以STM32F103芯片為微控制器單元(micro-controller unit,MCU)，通過(guò)SPI[12]連接DW1000芯片，完成對(duì)DW1000芯片內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)操作并發(fā)送命令。因STM32F103自帶有可配置的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器(FSMC)，接口模塊可依托具有完善的TCP/IP協(xié)議即集成的W5100芯片與MCU連接，通過(guò)RJ45可作為以太網(wǎng)接口，用于數(shù)據(jù)上傳到PC端，該芯片也可以存儲(chǔ)基站節(jié)點(diǎn)MAC地址、PHY地址。外圍被控制電路模塊主要通過(guò)I2C總線(數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成)實(shí)現(xiàn)各種被控制的電路都并聯(lián)在這條總線上，完成器件間信息傳遞。設(shè)計(jì)有電源模塊，采用AMS1117穩(wěn)壓芯片用于提供3.3 V電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)基站、標(biāo)簽的硬件電路設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)軟件功能上的設(shè)計(jì)需完成：基于卡爾曼濾波的測(cè)距方法完成基站與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的距離測(cè)量、將獲得的距離信息傳送給定位服務(wù)器。軟件設(shè)計(jì)的信息處理流程采用串行處理，單線結(jié)構(gòu)完成各模塊初始化及配置，主要包括有：STM32復(fù)位和時(shí)鐘模塊配置(STM32-RCC)、I2C讀取模塊配置、Ethernet模塊配置、DW1000無(wú)線收發(fā)器模塊配置、接口模塊配置等。其中當(dāng)DW1000芯片收到或發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，會(huì)向MCU發(fā)送中斷請(qǐng)求，MCU內(nèi)的中斷程序?qū)⑴袛嘀袛辔恢檬欠裾_并產(chǎn)生中斷類型、接收數(shù)據(jù)幀并判斷數(shù)據(jù)接收幀的類型、讀取TOA信息并將讀取的信息進(jìn)行封裝發(fā)送給定位服務(wù)器。輪詢處理，完成芯片間信息交互。如圖3所示。

圖3 硬件驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 定位服務(wù)器

定位服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)包括：數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層等幾部分組成。其中各層之間的通信利用UDP端口協(xié)議[13]完成。數(shù)據(jù)庫(kù)：當(dāng)定位系統(tǒng)運(yùn)行后，完成對(duì)定位數(shù)據(jù)包的接收與存儲(chǔ)，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)也存儲(chǔ)了基站在各個(gè)墻角的坐標(biāo)信息；數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：當(dāng)數(shù)據(jù)包接收完成后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，數(shù)據(jù)包提供標(biāo)簽到達(dá)基站節(jié)點(diǎn)之間的卡爾曼濾波后的TOA信息；業(yè)務(wù)邏輯層：數(shù)據(jù)訪問(wèn)層完成對(duì)數(shù)據(jù)包的解析后，業(yè)務(wù)邏輯層利用TDOA計(jì)算線程調(diào)用定位算法函數(shù)進(jìn)行標(biāo)簽位置計(jì)算；表示層：主要完成標(biāo)簽坐標(biāo)顯示與輸出、基站狀態(tài)顯示、以及系統(tǒng)配置管理等。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)基站與標(biāo)簽采用TOA測(cè)距方法，理想測(cè)距精度需達(dá)到厘米級(jí)。設(shè)備在沒(méi)進(jìn)行任何標(biāo)校之前，實(shí)際距離7.914 m下，測(cè)出的基站與標(biāo)簽距離為162 m，光速傳播下可得信號(hào)空氣傳輸時(shí)延為513 ns。當(dāng)基站、標(biāo)簽嵌入式軟件中設(shè)定初始時(shí)延為513 ns時(shí)，測(cè)距精度為±30 cm左右,沒(méi)達(dá)到理想要求。經(jīng)分析，即測(cè)距過(guò)程中存在受DW1000天線發(fā)射電路到發(fā)射天線、接收天線到接收電路的信號(hào)延遲影響。基站與標(biāo)簽間信號(hào)傳輸時(shí)延如圖4所示。

圖4 基站與標(biāo)簽信號(hào)間傳輸延時(shí)

根據(jù)圖4可知，基站與標(biāo)簽信號(hào)傳輸?shù)目傃舆t包括三部分：tADTX,TOF,tADRX?？傃舆t為

Tm=tADTX+TOF+tADRX

(8)

式中tADTX為信號(hào)從傳輸時(shí)間戳到達(dá)天線的時(shí)間延遲，tADRX為信號(hào)從天線到達(dá)接收時(shí)間戳的時(shí)間延遲，TOF為信號(hào)在空氣中傳輸?shù)臅r(shí)間延遲。

4.1 天線延遲標(biāo)校

基于芯片內(nèi)部電路存在的延時(shí)值，無(wú)法精確地測(cè)出。為達(dá)到理想的測(cè)距精度，本文定性地對(duì)天線延遲進(jìn)行了標(biāo)較。設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 時(shí)延標(biāo)校與評(píng)估流程

根據(jù)定位精度30 cm的誤差的大小,可以計(jì)算出延遲大概為1 ns；數(shù)據(jù)產(chǎn)生按照以初始時(shí)延513 ns為中心點(diǎn)，即在(510,516 ns)內(nèi),以擾動(dòng)步伐0.02 ns為基準(zhǔn)，產(chǎn)生300個(gè)隨機(jī)均勻分布的時(shí)延。

實(shí)驗(yàn)最終，當(dāng)基站1天線延遲為514.48 ns、基站2天線延遲為514.60 ns、基站3天線延遲為515.04 ns、基站4天線延遲為514.74 ns時(shí)，定位系統(tǒng)定位精度達(dá)到最大。將延遲得出的數(shù)據(jù)寫(xiě)入程序中，以標(biāo)簽為參考點(diǎn)，在0～20 m范圍內(nèi)，以每隔0.8 m距離進(jìn)行測(cè)距實(shí)驗(yàn)，標(biāo)簽與基站測(cè)距結(jié)果如圖6所示。

圖6 各基站與標(biāo)簽測(cè)距精度

根據(jù)測(cè)距精度作為定位精度評(píng)判的重要指標(biāo)，從測(cè)距結(jié)果可知，時(shí)延標(biāo)校后的基站與標(biāo)簽測(cè)距精度在±10 cm內(nèi)，可應(yīng)用于標(biāo)簽定位。定位服務(wù)器再利用基于非視距(non-line of sight,NLOS)下卡爾曼濾波的TDOA定位算法進(jìn)行定位計(jì)算，即可獲取標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。

4.2 標(biāo)簽位置坐標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)

利用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可室外測(cè)出對(duì)應(yīng)于室內(nèi)所布局的各個(gè)基站大地坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)，其中大地坐標(biāo)選取以橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)的WGS-84坐標(biāo)系，此方法可構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航所需的室內(nèi)地圖坐標(biāo)。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)計(jì)算，以某室內(nèi)籃球館搭建測(cè)試環(huán)境，如圖2布局自定義一個(gè)參考的空間直角坐標(biāo)系。設(shè)基站1為坐標(biāo)原點(diǎn)：(0，0，0)，利用激光測(cè)距儀測(cè)出另3個(gè)基站的坐標(biāo)。測(cè)得基站2：(40，0，0)m、基站3：(24，0，0)m、基站4：(0，0，12)m。將標(biāo)簽依次擺放在室內(nèi)對(duì)角線上5個(gè)點(diǎn)，且高度不一，如圖7所示。此5個(gè)點(diǎn)的選取具有一定的代表性，可代表定位系統(tǒng)在整個(gè)室內(nèi)環(huán)境下對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位的定位效果。利用UWB定位系統(tǒng)測(cè)出的標(biāo)簽位置坐標(biāo)與激光測(cè)距儀測(cè)出的實(shí)際位置坐標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

圖7 標(biāo)簽選取的擺放位置點(diǎn)

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 m

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，標(biāo)簽在不同位置下，定位偏差滿足于0～15 cm范圍之內(nèi)。因此，可判定本定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較高的穩(wěn)定性與可靠性，完全可適用于無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航研究中。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航同步定位，進(jìn)行了前部分的技術(shù)工作，設(shè)計(jì)了一種基于UWB技術(shù)的無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航飛行的定位系統(tǒng)。利用該定位系統(tǒng)獲取無(wú)人機(jī)位置信息，以便實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主飛行。下一步工作，將其獲取的定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地注入衛(wèi)星模擬源，利用模擬源實(shí)時(shí)地播發(fā)模擬的衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航飛行。針對(duì)無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試，整個(gè)無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行測(cè)試系統(tǒng)的建設(shè)將相對(duì)無(wú)人機(jī)室外飛行測(cè)試受外界環(huán)境影響小，具有高精度、高效率、低成本等特點(diǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。