一种无人机蜂群入室定位系统

文献发布时间：2023-06-19 12:18:04

技术领域

本发明属于无人机蜂群作战技术领域，尤其涉及一种基于UWB、GPS与惯性导航组合的无人机蜂群入室定位系统。

背景技术

近年来，随着人工智能技术的广泛运用，由大量无人机组成，以机间协同交互能力为支撑，以群体智能为核心的无人机蜂群作战新概念的技战术与装备的研发得到快速发展。在未来城市作战中，可替代战斗人员遂行各种高危险性的作战任务，成为有人作战的重要补充。

在城市作战中，室内作战是重要的作战场景，无人机蜂群需具有入室作战的能力，能够将战场从室外转移到室内。定位技术在无人机蜂群作战中发挥着重要的作用，既能为情报侦查、航线规划、目标打击、态势分析等任务提供战场位置信息，又能为蜂群中无人机飞行控制提供精确、可靠、实时的相对定位信息。

无人机在室外通常采用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）进行定位，而在室时，由于信号遮挡，无人机无法接收到GPS信号，需采用室内技术。目前，广泛采用的室内定位技术是惯性导航技术和超宽带（Ultra Wide Band，UWB）定位技术。其中，惯性导航技术利用惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）提供的角速度和加速度进行积分获得无人机相对初始位置的坐标，这种方式的特点是短时定位精准，但是定位误差累积导致长时误差较大；UWB定位技术根据信标与多个基站的距离进行三维定位，这种方式的特点是定位误差不累积，长时误差稳定。然而，无人机蜂群入室作战是由室外转入室内的连续的过程，因此需要将多种室内外定位技术进行融合，在整个作战过程中为无人机提供连续的精确定位。

公开号为CN109283565A，名称为“基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统及方法”的专利，解决了不能同时满足室内室外使用同一系统进行定位、UWB与GPS之间进行模式切换时难以衔接的问题，利用UWB技术和惯性导航实现目标用户在室内室外不同环境中的动态精确定位及完整数据采集。在这种方法中，UWB基站分系统由若干基站组成，基站固定在室内不同位置，每个独立室内目标区域至少需要固定四个基站用于对进入区域的定位装置进行定位，因此无法应用未提前部署基站的室内区域。

公开号为CN111103611A，名称为“UWB与GPS一体化定位方法及系统”的专利，根据是否搜索到所述UWB基站以及接收到的服务器发送的信息，进行UWB定位、GPS定位、UWB+GPS定位方法的选择及切换，增强了UWB基站部署的灵活性，解决了过渡区域定位偏差大或不能定位，以及通过远程通信模块进行GPS定位数据回传出现的传输成功率低，导致定位卡顿、或没有定位数据的问题。这种方法主要针对使用场景中GPS信号不好的过渡区域，采用UWB进行辅助定位，需要预先分析过渡区域的地址并提前部署UWB基站，同样无法实现在未知区域进行定位。

公开号为CN108089180A，名称为“基于UWB传感器作为轨道信标对GPS和惯性导航系统矫正的悬挂式轨道车的定位方法”的专利，通过在轨道车上安装GPS定位系统、惯性导航系统和UWB定位系统，当GPS信号无效时，通过UWB和惯性导航的定位信息进行加权得到定位结果，当GPS信号有效时，利用粒子滤波器对多种定位方式进行融合，从而克服单一定位方式的不足。在这种方法中，也无法避免需要预先部署UWB基站的前提条件。

综上，现有技术中的室内外融合导航方法，立足于提前部署的UWB进行室内定位和预设的坐标系转换标定，完成室内外定位方式的衔接。然而，在无人机蜂群作战场景下，既无法在室内作战区域提前部署UWB基站，也无法对UWB坐标系和GPS坐标系的融合进行预先设计，因此，现有方法难以满足城市作战动态场景的应用需求。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，针对蜂群无人机在动态作战环境下室内外精确定位的迫切需求，在综合考虑室内外定位方式不同、定位方式切换衔接问题的情况下，提出一种基于UWB、GPS与惯性导航组合的无人机蜂群入室定位系统，解决无法提前在作战场景的室内环境下提前部署UWB基站进行室内定位的问题，实现在室内外环境下可以无缝衔接的定位方式切换，提升无人机蜂群入室作战定位能力，为无人机蜂群进行侦察、控制与打击提供精准的位置信息。本发明的具体技术方案如下：

一种无人机蜂群入室定位系统，包括：基站型无人机、信标型无人机与蜂群地面控制站，其中，

所述基站型无人机和所述信标型无人机采用相同的硬件构成，均包括定位系统和飞行平台；所述定位系统包括GPS定位模块、惯性导航模块和角色可配UWB模块；所述飞行平台包括飞控计算机、作战载荷、动力系统和链路模块；

所述GPS定位模块分别用于所述基站型无人机和所述信标型无人机在室外定位；所述基站型无人机的所述惯性导航模块用于所述基站型无人机在入室过程中的定位；所述信标型无人机的所述惯性导航模块用于所述信标型无人机在入室过程中GPS信号失效且尚未收到UWB基站的定位信号时进行定位；

所述基站型无人机需将所述角色可配UWB模块配置为基站模式，在系统中担任UWB基站，提供室内定位信号；所述信标型无人机需要将所述角色可配UWB模块配置为信标模式，利用UWB基站提供的定位信号获取无人机位置，为执行预定的作战任务提供导航与控制；

所述飞控计算机用于接收所述基站型无人机的定位数据，进行飞行的导航与控制；所述作战载荷用于提供图像侦察、火力打击能力；所述动力系统用于提供飞行动力，在所述飞控计算机的控制指令下进行飞行动作；所述链路模块用于无人机与所述蜂群地面控制站的数据传输；

所述蜂群地面控制站用于操作人员对无人机蜂群系统的整体飞控管理与控制，实时显示所有无人机的类型、状态、位置，操作人员通过所述蜂群地面控制站规划所述基站型无人机的入室线路和降落点，并在其降落后将所述角色可配UWB模块配置为基站模式，开启UWB基站功能，操作人员通过所述蜂群地面控制站进行一键基站互定位标定和GPS/UWB坐标系转换标定，完成标定后，操作人员通过所述蜂群地面控制站指挥信标型无人机入室执行任务。

进一步地，所述基站型无人机的定位模式为：在室外采用所述GPS定位模块定位，将定位数据发送到所述飞控计算机后进行导航与控制；在入室过程中，当GPS信号失效，无法进行卫星定位时，采用所述基站型无人机的所述惯性导航模块进行定位，然后飞行至装订的目标航点降落，开启UWB基站功能，利用所述链路模块广播其状态；当所有所述基站型无人机或者超过4个所述基站型无人机到达目标航点后，启动基站互定位标定，标定完成后，进行GPS/UWB坐标系转换标定，将转换结果通过所述链路模块广播到所有所述信标型无人机及所述蜂群地面控制站。

进一步地，所述无人机蜂群入室定位系统中，需至少4个所述基站型无人机，以保证所述信标型无人机实现准确定位。

进一步地，所述信标型无人机的定位模式为：在室外采用所述GPS定位模块定位；在所述基站型无人机入室完成标定后，进入室内利用基站进行定位；所述信标型无人机在室内利用UWB基站定位，根据坐标系转换标定信息计算对应的GPS坐标，利用转换后的GPS坐标进行导航与控制，并通过所述链路模块将GPS坐标实时广播至其他所述信标型无人机及所述蜂群地面控制站。

一种无人机蜂群入室定位系统的定位方法分为三个阶段：第一阶段为所述基站型无人机的配置；第二阶段为所述基站型无人机的标定；第三阶段为所述信标型无人机的部署；完成上述三阶段后，无人机蜂群开始依据所述蜂群地面控制站的指挥和携带的载荷能力开展作战任务，操作人员根据任务需求和战场态势通过所述蜂群地面控制站对所有无人机进行实时作战指挥，所述信标型无人机根据配置的任务模式和所述蜂群地面控制站的实时控制指令执行作战任务。

进一步地，所述基站型无人机的配置流程为：

A1：操作人员通过蜂群地面控制站选择无人机ID号作为基站型无人机，向其发送配置指令；

A2：无人机接收指令后将角色可配UWB模块配置为基站模式；

A3：向蜂群地面控制站发送配置完成状态应答；

A4：蜂群地面控制站如果收到应答包，则进入下一步，否则返回步骤A1；

A5：操作人员通过蜂群地面控制站进行入室路线和降落点的装订；

A6：无人机接收装订指令，飞控计算机装入航线及降落点；

A7：无人机完成装订向蜂群地面控制站发送装订状态应答；

A8：进入航线模式，在入室飞行过程中当GPS信号失效后，无人机将切换为惯性导航模块定位；

A9：到达预定降落点后执行降落操作；

A10：关闭动力装置，向蜂群地面控制站回报当前状态，完成本机的配置流程；

A11：蜂群地面控制站接收到回报的降落状态后，完成当前无人机的配置流程，根据需求进行下一架次无人机的配置或进入第二阶段工作流程。

进一步地，所述基站型无人机的标定流程为：

B1：操作人员通过蜂群地面控制站向所有已到达降落点的基站型无人机广播基站标定指令；

B2：基站型无人机接收标定指令后进入标定模式；

B3：基站型无人机向蜂群地面控制站发送标定启动状态应答；

B4：蜂群地面控制站接收到所有基站型无人机的标定启动状态应答则进入下一步骤等待标定信息，否则返回步骤B1；

B5：分布式测距，获得相互之间的距离信息；

B6：坐标系标定；

B7：将标定信息发送到蜂群地面控制站，完成无人机标定；

B8：蜂群地面控制站如果接收到标定信息则进入下一步，否则继续等待标定信息；

B9：蜂群地面控制站记录标定参数，完成蜂群地面控制站标定流程，进入第三阶段工作流程。

进一步地，所述步骤B6中基站型无人机坐标系标定流程为：

B6-1：确定UWB坐标系O

B6-2：根据机间距离信息，计算所有基站型无人机在UWB坐标系下的位置；

B6-3：基于原点无人机和指向无人机利用惯性导航模块获得的GPS坐标，计算O

B6-4：根据原点无人机的GPS坐标和北向偏差角θ，计算UWB坐标系到GPS坐标系的转换矩阵中所有参数。

进一步地，所述信标型无人机的部署，具体流程如下：

C1：操作人员通过蜂群地面控制站向基站型无人机发送坐标系标定参数；

C2：信标型无人机接收坐标系标定参数后配置其标定参数；

C3：信标型无人机向蜂群地面控制站发送配置完成应答；

C4：蜂群地面控制站如果收到应答包，则进入下一步，否则返回步骤C1；

C5：操作人员通过蜂群地面控制站规划入室航线并部署任务；

C6：信标型无人机接收规划指令后进行航线的装订并配置任务模式；

C7：信标型无人机向蜂群地面控制站发送任务规划状态应答；

C8：蜂群地面控制站如果收到应答包，则进入下一步，否则返回步骤C5；

C9：操作人员通过蜂群地面控制站发送任务指令，蜂群地面控制站完成部署流程，进入作战任务流程；

C10：信标型无人机接收任务指令后进入航线，在入室飞行过程中当GPS信号失效后，无人机切换为惯性导航模块定位，随后在接收到UWB信号后切换为UWB定位模式，并根据坐标系标定参数将UWB定位信息转换为GPS定位信息用于飞行的导航与控制；

C11：信标型无人机完成本机的部署流程，然后进入作战任务流程。

本发明的有益效果在于：

1.利用无人机蜂群体系的数量优势，提供基站型和信标型两种无人机角色。基站型无人机用于部署UWB基站，提供定位信号了；信标型无人机利用UWB进行定位，为执行预定的作战任务提供精准的导航与控制。

2.针对入室作战的定位需求，利用惯性导航短时精度高的特点，派遣基站型无人机快速入室至指定位置，然后进行UWB基站的现场标定，实现在未知作战场景下快速部署定位系统。

3.通过UWB模块可配置角色的方式，操作人员可利用地面控制站对即将入室作战的无人机进行角色配置，根据入室后回传的态势信息进行后续无人机UWB模块的角色选择，具备战场应用的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是无人机蜂群入室定位系统的整体系统示意图；

图2是无人机蜂群入室定位系统的单机结构示意图；

图3是无人机蜂群入室定位过程的一阶段工作流程；

图4是无人机蜂群入室定位过程的二阶段工作流程；

图5是无人机蜂群入室定位过程的三阶段工作流程。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

现有的无人机室内外融合定位系统通常采用在室外利用GPS定位、在室内利用UWB定位的机制，能够实现室内外行为的无缝衔接。但是，这种方式存在下述不足：

无人机进入室内采用UWB进行定位，需要提前部署UWB基站，使得无人机入室失去GPS信号后，能够立即接收到UWB基站信号进行定位。然而在实战中无法在作战室内区域提前部署UWB基站；

无人机由室外转移到室内进行定位模式切换时，要实现无人机飞行控制的稳定，模式间需无缝衔接。对于采用不同坐标系的GPS和UWB定位方式，需载入坐标系转换参数才能实现衔接，而在部署UWB基站前，无法进行坐标系标定获得参数。

本发明所涉及一种基于UWB、GPS与惯性导航组合的无人机蜂群入室定位系统，针对传统室内外融合定位系统所存在的不足提出了解决方案。

如图1-2所示，一种无人机蜂群入室定位系统，包括：基站型无人机、信标型无人机与蜂群地面控制站，其中，

基站型无人机和信标型无人机采用相同的硬件构成，均包括定位系统和飞行平台；定位系统包括GPS定位模块、惯性导航模块和角色可配UWB模块；飞行平台包括飞控计算机、作战载荷、动力系统和链路模块；

GPS定位模块分别用于基站型无人机和信标型无人机在室外定位；基站型无人机的惯性导航模块用于基站型无人机在入室过程中的定位；信标型无人机的惯性导航模块用于信标型无人机在入室过程中GPS信号失效且尚未收到UWB基站的定位信号时进行定位；

基站型无人机和信标型无人机的区别在于角色可配UWB模块的配置，角色可配UWB模块上电后默认为信标模式，接收到配置指令后，基站型无人机需将角色可配UWB模块配置为基站模式，在系统中担任UWB基站，提供室内定位信号；信标型无人机需要将角色可配UWB模块配置为信标模式，利用UWB基站提供的定位信号获取无人机位置，为执行预定的作战任务提供导航与控制；

飞控计算机用于接收基站型无人机的定位数据，进行飞行的导航与控制；作战载荷用于提供图像侦察、火力打击能力；动力系统用于提供飞行动力，在飞控计算机的控制指令下进行飞行动作；链路模块用于无人机与集群控制站的数据传输；

蜂群地面控制站用于操作人员对无人机蜂群系统的整体飞控管理与控制，实时显示所有无人机的类型、状态、位置，操作人员通过蜂群地面控制站规划基站型无人机的入室线路和降落点，并在其降落后将角色可配UWB模块配置为基站模式，开启UWB基站功能，操作人员通过蜂群地面控制站进行一键基站互定位标定和GPS/UWB坐标系转换标定，完成标定后，操作人员通过蜂群地面控制站指挥信标型无人机入室执行任务。

在一些实施方式中，基站型无人机的定位模式为：在室外采用GPS定位模块定位，将定位数据发送到飞控计算机后进行导航与控制；在入室过程中，当GPS信号失效，无法进行卫星定位时，采用基站型无人机的惯性导航模块进行定位，然后飞行至装订的目标航点降落，开启UWB基站功能，利用链路模块广播其状态；当所有基站型无人机或者超过4个基站型无人机到达目标航点后，启动基站互定位标定，标定完成后，进行GPS/UWB坐标系转换标定，将转换结果通过链路模块广播到所有信标型无人机及蜂群地面控制站。

在一些实施方式中，无人机蜂群入室定位系统中，需至少4个基站型无人机，以保证信标型无人机实现准确定位。

在一些实施方式中，信标型无人机的定位模式为：在室外采用GPS定位模块定位；在基站型无人机入室完成标定后，进入室内利用基站进行定位；信标型无人机在室内利用UWB基站定位，根据坐标系转换标定信息计算对应的GPS坐标，利用转换后的GPS坐标进行导航与控制，并通过链路模块将GPS坐标实时广播至其他信标型无人机及蜂群地面控制站。

在一些实施方式中，无人机蜂群入室定位系统的定位方法分为三个阶段：第一阶段为基站型无人机的配置；第二阶段为基站型无人机的标定；第三阶段为信标型无人机的部署；完成上述三阶段后，无人机蜂群开始依据蜂群地面控制站的指挥和携带的载荷能力开展作战任务，操作人员根据任务需求和战场态势通过蜂群地面控制站对所有无人机进行实时作战指挥，信标型无人机根据配置的任务模式和蜂群地面控制站的实时控制指令执行作战任务。

如图3所示，基站型无人机的配置流程为：