特定空间无人机声波定位系统研究

作     者：高超 

作者单位：山西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：禹健

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：无人机 声波定位 ANT无线通信协议 时钟同步 脉冲压缩 

摘      要：随着国家军民融合战略的布局和推进,我国民用无人机技术得到快速发展,市场规模也不断扩大,尤其在工业级市场无人机具有巨大的商业价值和广阔的发展前景。现阶段,民用无人机的飞行作业都是通过专业操手地面遥控实现的,专业无人机操手的培养和使用成本很高,在一些对位置控制要求较高的应用场景,单纯依靠人眼观察很难达到作业要求。因此,实现民用无人机的自主飞行具有重要意义。定位是无人机实现自主飞行的基础,而受续航、体积、重量等因素的影响,军用无人机的定位导航系统无法应用在民用无人机上。本课题针对该问题,综合考虑成本、功耗、精度以及鲁棒性等因素,设计一种基于声波的无人机定位系统,主要研究内容包括:(1)在充分对比分析常见测距定位算法的基础上,采用有同步的基于到达时间TOA的主动式测距定位方案,对定位方案的功能和性能指标进行分析。根据功能指标要求,基于ANT协议建立以无人机终端为主节点,声波定位基站为从节点的无线通信网络,实现无人机终端对声波定位基站的单点广播以及二者之间的通信。根据性能指标要求,将锁相环原理应用到多节点时钟同步中,结合ANT协议的周期性单点广播特性,提出一种基于微处理器时钟同步锁相环实现方案。实验结果表明,该方案可达到微秒级的同步精度,同时多节点间的时钟漂移得到有效补偿。(2)针对声波的传播特性以及噪声干扰等问题,利用脉冲压缩技术对声波信号进行识别检测,选取满足脉冲压缩要求并且对多普勒效应不敏感的大时宽带宽积HFM信号作为定位信号,并在MATLAB中对HFM信号进行脉冲压缩仿真分析。利用构造的同步时钟和无人机终端的单点广播功能设计多节点同步测距方案。(3)对无人机终端和声波定位基站定位组件的硬件结构进行设计,制定系统时钟同步和测距定位流程。分别在安静和嘈杂环境中进行测距定位实验,结果表明,定位系统可在特定空间提供稳定的高精度测距定位,在嘈杂环境中的平均定位均方根误差在10cm左右。本文所研究的基于声波的无人机定位系统在不需要过多硬件支持的情况下实现特定空间的稳定高精度测距定位,对民用无人机定位导航方面的研究有一定的参考价值。同时该系统成本低、可移植性强也可被室内定位等方面的研究借鉴。