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基于支持向量机的无人机定位信号分离算法研究

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电子与信息学报 2021年第9期43卷 2601-2607页

作者：李晓辉方坤樊韬刘佳文吕思婷西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室西安710077

为了解决无人机(UAV)无源定位中难以从多径干扰严重的环境中提取无人机定位信号的问题,该文提出一种基于支持向量机(SVM)的无人机定位信号分离算法,在SVM模型训练时,通过计算无人机相邻数据集之间的欧氏距离获取信息熵,为SVM映射高维空... 详细信息

为了解决无人机(UAV)无源定位中难以从多径干扰严重的环境中提取无人机定位信号的问题,该文提出一种基于支持向量机(SVM)的无人机定位信号分离算法,在SVM模型训练时,通过计算无人机相邻数据集之间的欧氏距离获取信息熵,为SVM映射高维空间提供模型数据。在此基础上,加入映射函数阈值软边界,使模型具有参数自适应调整能力,来适应无人机运动灵活所导致的数据差异。最后构建了观测者操作特性曲线获取无人机定位信号分离结果。仿真结果表明所提算法能够有效分离无人机定位信号与噪声,在多径干扰严重的情况下具有较高的信号分离准确率。

关键词：无人机定位支持向量机信息熵噪声分离

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基于全局点云地图的煤矿井下无人机定位方法

工矿自动化 2023年第8期49卷 81-87,133页

作者：高海跃王凯王保兵王丹丹北京天玛智控科技股份有限公司北京101399

即时定位与建图(SLAM)技术应用于煤矿井下无人机自主定位时,由于采用特征点构建地图,易出现退化问题,导致定位不准确,且因其以机体作为参考坐标系,无法实现全局定位。针对该问题,提出了一种基于全局点云地图的煤矿井下无人机定位方法。... 详细信息

即时定位与建图(SLAM)技术应用于煤矿井下无人机自主定位时,由于采用特征点构建地图,易出现退化问题,导致定位不准确,且因其以机体作为参考坐标系,无法实现全局定位。针对该问题,提出了一种基于全局点云地图的煤矿井下无人机定位方法。以Fast-LIO2算法作为激光SLAM算法,获得无人机位姿估计;采用迭代最近邻算法,对获取的激光雷达实时点云和全局点云地图进行两步匹配,实现无人机位姿校正;针对因点云数量过多导致点云匹配速度无法保证定位实时性的问题,设计了基于时间的位姿输出策略,提高了无人机位姿数据输出频率。在1000 m煤矿井下巷道中测试无人机定位方法的SLAM精度和位姿校正效果,结果表明:在长距离巷道环境中,Fast-LIO2算法的定位累计误差小于1 m,在600 m以上范围内小于0.3m,明显小于LOAM-Livox算法和LIO-Livox算法;Fast-LIO2算法输出的位姿估计经校正算法校正后,飞行路径全部位于全局点云地图中,验证了位姿校正算法有效;单次SLAM算法运行耗时14.83 ms,单次位姿校正耗时883 ms,位姿数据输出频率为10 Hz,满足无人机定位实时性要求。

关键词：无人机定位即时定位与建图激光雷达惯性测量单元全局点云地图位姿校正

GNSS干扰环境下的无人机定位修正及路由研究

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GNSS干扰环境下的无人机定位修正及路由研究

作者：罗浩航西南科技大学

学位级别：硕士

无人机自组织网络(Unmanned Aerial Vehicle Ad-hoc Networks,UANET)是一种自治通信网络,具有组网方式灵活、极强的自愈能力等特点。由于UANET节点高度移动性和网络拓扑频繁变化等特点,传统的自组织网络路由协议在UANET中应用时网络性... 详细信息

无人机自组织网络(Unmanned Aerial Vehicle Ad-hoc Networks,UANET)是一种自治通信网络,具有组网方式灵活、极强的自愈能力等特点。由于UANET节点高度移动性和网络拓扑频繁变化等特点,传统的自组织网络路由协议在UANET中应用时网络性能会大幅下降,影响无人机自组网的任务执行。将地理位置和路由协议相结合是一种常见的改进方法,但这对无人机的定位有一定要求,如果路由过程中使用了错误的地理位置信息,无法改善网络性能甚至导致性能降低。为此本论文对无人机的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)干扰抑制方法、精确定位以及UANET的路由协议展开了研究和实现,主要工作如下:鉴于GNSS在现实环境中的干扰问题,本文提出了一种抑制干扰算法,并以全球定位系统(Global Positioning System,GPS)为例,详细介绍了该算法的应用。该算法利用Zak变换将GPS接收信号转换到时延多普勒域(Delay-Doppler domain,DD),求解构成干扰信号的子信号,这些子信号的频域都集中在特定中心频率附近以此得到干扰信号的子信号估计,将干扰信号的子信号转换回时域,并从GPS接收信号中减去,得到所需的GPS信号。在仿真分析中,本文将该算法与PCA抗干扰算法以及STFT抗干扰算法进行了对比,仿真结果表明,在GPS受到线性调频干扰的情况下,该方法亦可在高功率干扰环境下,有效地提高干扰抑制性能。然后,由于应用了GNSS干扰抑制算法后的无人机定位仍然存在一定的误差,针对在UANET中使用基于地理位置的路由对地理位置信息准确性的需求,提出了一种基于强化学习的自适应卡尔曼滤波定位方法(RLKF)。该方法利用强化学习模型来学习噪声协方差矩阵变化的规律,在卡尔曼滤波进行数据更新前,使用强化学习模型输出的动作来调整噪声协方差矩阵,使卡尔曼滤波能够根据环境来改变噪声协方差矩阵,以得到更加准确的定位。与经典的自适应定位方法AEKF相比,RLKF的最大定位误差减小,均值和标准差也更小,定位精度更高。最后,本文提出了一种基于地理位置的通信稳定度量路由协议(Communication Stability Metric Routing,CSMR)。该方法在选择下一跳时考虑节点之间的链路的通信稳定度量以及下一跳节点与目标节点之间的距离,从而选择最稳定、距离目标节点最近的下一跳节点。为了验证该协议的有效性,本文利用Exata网络仿真平台进行了分析对比,并将其与速度和位置动态感知路由协议(Speed and Position Aware Dynamic Routing,SPDR)以及基于机会和位置的混合路由协议(Hybrid opportunistic and positionbased routing,OPBR)进行了对比。仿真结果表明,提出的CSMR协议在数据包投递率、网络吞吐量和平均端到端时延这三项指标上均优于SPDR协议和OPBR协议。

关键词：无人机自组网路由协议无人机定位 GNSS干扰 GNSS干扰抑制

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基于图像匹配的无人机定位算法研究与实现

基于图像匹配的无人机定位算法研究与实现

作者：高闯沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

基于图像匹配的无人机定位是一种估算无人机位置信息的方法,采用图像匹配算法来对无人机航拍图像和高精度离线地图进行对比分析,以找出两幅图像之间的对应关系。由于无人机航拍图像与卫星遥感图像具有许多差异,例如光照条件、视角、尺度... 详细信息

基于图像匹配的无人机定位是一种估算无人机位置信息的方法,采用图像匹配算法来对无人机航拍图像和高精度离线地图进行对比分析,以找出两幅图像之间的对应关系。由于无人机航拍图像与卫星遥感图像具有许多差异,例如光照条件、视角、尺度等,因此跨源图像匹配算法的设计是一个具有挑战性的课题。本文提出了一套实用、快速、鲁棒和精确的基于图像匹配的无人机定位技术方案,主要研究内容和成果包括以下几个方面:对于低空无人机图像与卫星地图匹配存在着诸多问题,两者在尺度、特征、定位精度等方面都存在很大差异,如卫星地图和低空无人机图像的采集方式和应用场景不同,它们之间的特征差异较大。卫星地图的采集和制作需要耗费大量的时间和精力,而低空无人机图像的采集则可以在极短的时间内完成。这种时间差异和不同的采集方式可能导致两种图像的特征提取和匹配变得困难。因此本文提出了一种基于邻里共识网络的稀疏特征匹配算法。该算法采用双注意力机制和深度残差神经(Deep residual network,Resnet)网络相结合来提取遥感图像的强纹理特征,并采用子流形稀疏卷积对其进行4D卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)处理以克服大内存消耗和推理时间问题。最后,通过邻里共识网络和两级重定位模块剔除误匹配的点对。实验结果表明,该算法在内存消耗和匹配精度上都具有显著优势。线段检测的最大难点是线段极其容易受到光照、噪声、线条曲度的影响,例如线条曲度可能存在弯曲和不规则的形状,这回增加检测难点,这也是遥感图像中包含的重要特征信息,因此本文根据高空遥感图像的山川、河流、建筑物等明显的线状特征,提出了一种基于改进沙漏网络的线段检测方法。该方法利用多分支改进堆叠沙漏网络的残差块捕获图像多尺度特征信息,并对堆叠沙漏网络进行级联和均值化以获取丰富的上下文信息,从而有效提升对具有强纹理特征图像的线段检测精度。针对高空无人机图像与卫星地图匹配速度问题,本文提出了一种由粗到细的两阶段匹配方法。第一阶段对地图进行分块处理,利用航拍图像进行线段检测并进行匹配,提高了大尺寸、高分辨率图像的匹配速率。第二阶段将匹配得分最高的图像块进行拼接并扩充,然后采用邻里共识网络的稀疏特征匹配算法进行精匹配,最后通过定位算法进行无人机定位。

关键词：图像匹配线段检测无人机定位遥感图像

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基于麦克风阵列的无人机定位与跟踪

基于麦克风阵列的无人机定位与跟踪

作者：徐若铭电子科技大学

学位级别：硕士

随着无人机技术的普及,无人机被广泛应用于农业、测绘、侦测和航拍等诸多方面,但广泛的应用也引入了更多的问题:不法分子用无人机进行敏感区域的拍摄,比如民用机场和军事设施等。对无人机的实时监测对保障敏感地区的安全十分必要。本文... 详细信息

随着无人机技术的普及,无人机被广泛应用于农业、测绘、侦测和航拍等诸多方面,但广泛的应用也引入了更多的问题:不法分子用无人机进行敏感区域的拍摄,比如民用机场和军事设施等。对无人机的实时监测对保障敏感地区的安全十分必要。本文利用麦克风阵列对无人机进行实时定位、跟踪和监测的方法,并在硬件平台上实现了128通道的麦克风阵列,测试了监测性能,论文主要贡献如下:1.分析了几种基于麦克风阵列的定位算法,包括对目标对于麦克风阵列的方位角和俯仰角估计,以及运动单站测量目标距离的方法。对无人机运动时产生的多普勒频移,根据不同通道、不同时刻的接收频率之间的差值测定无人机距离的方法。通过仿真对以上算法进行对比分析,并加以验证。2.分析表明基本的卡尔曼滤波无法完成对无人机的跟踪,因为无人机的运动观测方程是非线性的。通过引入无人机频率状态信息,利用伪线性算法进行非线性化,求解方程得到目标状态估计结果。以增加无人机频率信息量的方式对目标进行跟踪,可以克服纯方位跟踪要求观测站必须作有效机动的限制。3.设计128通道麦克风阵列和数据接收系统,使用转换芯片完成对麦克风收集数据的转换与收集;利用FPGA对系统进行控制,负责数据的预处理和发送。此外对软件设计方案进行介绍,对用户交互界面、软件的整体框架以及功能模块进行阐述。4.通过设计实验,对麦克风阵列进行校准。在周围环境较为安静和嘈杂的条件下对麦克风阵列的探测距离进行测试,测试结果表明阵列能够在一定范围内监测无人机。通过划分网格点,使无人机悬停于点位上,对无人机的定位准确度进行测试,结果表明精度满足要求。本文最后通过在户外放飞无人机对系统性能进行测试。结果表明,在较为良好的信噪比下,该系统能够很好地对无人机进行跟踪,有一定的实用价值,证明了利用声学系统对无人机进行监视具有可行性。

关键词：麦克风阵列无人机定位目标跟踪无源定位

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无人机定位下绝缘子劣化状态检测系统设计

电子设计工程 2019年第19期27卷 15-18,24页

作者：李京黄良王博禹刘晨刘鹏主贵州电网有限责任公司六盘水供电局贵州六盘水553000 贵州电网有限责任公司电力科学研究院贵州贵阳550000

普通检测系统存在绝缘电阻率下降趋势快、绝缘击穿量大等问题,造成严重的绝缘子劣化现象。为解决此问题,设计无人机定位下的新型绝缘子劣化状态检测系统。在模块检测电路中,促进无人机定位传感器、绝缘子劣化数据处理模块间定向传输的... 详细信息

普通检测系统存在绝缘电阻率下降趋势快、绝缘击穿量大等问题,造成严重的绝缘子劣化现象。为解决此问题,设计无人机定位下的新型绝缘子劣化状态检测系统。在模块检测电路中,促进无人机定位传感器、绝缘子劣化数据处理模块间定向传输的快速连接,完成新型状态检测系统的硬件运行环境搭建。利用完成定点识别的待检测劣化绝缘子,对检测状态协议进行配置支撑调试,再将所有处理数据在满足传输需求的前提下,输出至关联数据库进行长久存储,至此完成新型状态检测系统的软件运行环境搭建,结合软硬件运行模块,实现无人机定位下绝缘子劣化状态检测系统的应用。对比实验结果表明,与普通检测系统相比,应用无人机定位下的新型绝缘子劣化状态检测系统后,绝缘电阻率下降速度得到有效控制,单位时间内绝缘击穿量的最大值仅能达到5.39×10~7T。

关键词：无人机定位绝缘子劣化状态检测定位传感器定点识别协议配置关联数据库

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面向无人机探测与定位的信号分析与特征提取

面向无人机探测与定位的信号分析与特征提取

作者：李燚重庆邮电大学

学位级别：硕士

随着无人机技术的快速发展,消费级无人机使用成本逐渐降低且操作简单,给社会带来了极大的便利。但也存在诸多安全问题,例如无人机“黑飞”导致的人员受伤和建筑损坏等,因此无人机探测与定位技术是目前研究热点之一。现有无人机探测与定... 详细信息

随着无人机技术的快速发展,消费级无人机使用成本逐渐降低且操作简单,给社会带来了极大的便利。但也存在诸多安全问题,例如无人机“黑飞”导致的人员受伤和建筑损坏等,因此无人机探测与定位技术是目前研究热点之一。现有无人机探测与定位技术主要基于声光电、雷达和视觉等,这些技术在某些特殊环境中精度较低,而通过无人机信号对无人机进行探测与定位的方式对环境容忍度更高。软件无线电(Software-Defined Radio,SDR)具有成本低、设计灵活等优点,可以很好地对无人机信号进行特征提取与分析。因此本文通过无人机信号进行特征提取与分析从而对无人机进行探测并定位,并利用SDR平台进行测试验证。本文研究内容如下:首先,在详细分析无人机信号的基础上,利用经验模式分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)、小波变换(Wavelet Transform,WT)和短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)等方法提取无人机振动特征、移动特征和信息熵特征。利用机器学习分类算法联合上述特征设计无人机信号探测算法,并在真实环境下采集无人机数据,通过SDR平台对无人机探测精度进行测试验证。其次,在详细介绍信道模型的基础上,对超分辨参数估计算法进行分析并估计方位角(Angle of Azimuth,AOA)、俯仰角(Angle of Elevation,AOE)和飞行时间(Time of Flight,TOF)等信号特征参数。在分析接收机数量对定位精度的影响后,设计基于多接收机的无人机定位模型。通过SDR平台进行小范围无人机定位测试验证,利用Wireless Insite模拟软件进行大范围定位测试验证。实验结果表明,本文基于信号特征的无人机探测与定位系统在真实环境下达到95.57%的无人机探测精度,置信度为50%的三维空间定位误差是1.16米,在Wireless Insite模拟软件中置信度为50%的三维空间定位误差是2.35米。

关键词：无人机探测无人机定位信号特征信道状态信息软件无线电

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基于双站光学测角法的无人机定位算法研究

中国民航飞行学院学报 2022年第6期33卷 41-45页

作者：王镜旭四川省机场集团有限公司司四川成都610202

无人机对机场航路安全以及机场运行效率产生不利影响,其捕获需要以无人机位置为先验信息引导执行机构进行相应动作。传统定位方法对操作人员的依赖度大,且对处于不规则机动的无人机,位置估计误差显著增大,极大地降低了对执行机构的引导... 详细信息

无人机对机场航路安全以及机场运行效率产生不利影响,其捕获需要以无人机位置为先验信息引导执行机构进行相应动作。传统定位方法对操作人员的依赖度大,且对处于不规则机动的无人机,位置估计误差显著增大,极大地降低了对执行机构的引导精度。针对无人机的定位问题,本文重点研究了基于双站光学测角法的无人机定位算法。首先对单个光学测站及多个光学测站情况下的定位进行了讨论;其次建立了双站光学测角定位算法的物理模型以及对应的求解过程;之后使用了C++与MATLAB搭建了算法仿真平台,并对双站光学测角这一典型问题进行了相关仿真测试;最后,对仿真测试结果进行了分析并对今后研究工作提出了展望。结果表明,本文算法在1角分的大测角误差下依然能保证平均位置估计误差小于1m,具有较好的测量精度、鲁棒性以及经济性。

关键词：无人机定位仅测角交汇测量

超宽带和差波束天线及其在无人机定位方面的应用

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广东通信技术 2024年第6期 46-48+62页

作者：李瑞红刁伟豪移动通信国家工程研究中心清华大学电子工程系

使用雷达可以进行大型目标的定位，但是对于无人机这种可以超低空飞行的小目标，使用雷达有一定困难。此外，无人机发射的信号可能跨了很宽的频带，因此定位用的天线需要是超宽带的，这同样对雷达有很高的要求。超宽带和差波束天线可以... 详细信息

使用雷达可以进行大型目标的定位，但是对于无人机这种可以超低空飞行的小目标，使用雷达有一定困难。此外，无人机发射的信号可能跨了很宽的频带，因此定位用的天线需要是超宽带的，这同样对雷达有很高的要求。超宽带和差波束天线可以解决这些问题。和差波束天线定位依赖于和波束接收电平与差波束接收电平的差值，这通常是一个较大的值，所以和差波束天线不需要很高的增益但是分辨率很高。将和差波束与频谱分析的接收机接到一起之后组成双站系统，就可以进行无人机的定位，同时还可以确定无人机信号的频段。为了实现这个应用，设计了一个超宽带和差波束天线，该天线两个对数周期偶极子天线(LPDA)和馈电网络组成，可以覆盖1.45～5.95 GHz的带宽，零点深度低于-27 dB。

关键词：无人机定位超宽带和差波束天线干扰信号定位