一种无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法技术

本发明专利技术提供一种无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法，包括步骤1，基于飞行器的飞行任务信息，将测量信息投影在当地水平坐标系下以建立等效测量模型，得到二维加速度和距离信息；步骤2，基于二维加速度积分的位置信息和二维距离信息建立水平坐标系下飞行器间相对位置及航向角的线性求解模型；步骤3，通过至少5次测距以求解所述线性求解模型，当测距次数等于5时，通过5次测距通信求解算法求解线性求解模型；步骤4，当测距次数大于5时，通过递推最小二乘算法求解线性求解模型，实时输出递推结果，实现飞行器仅测距初始相对位姿求解。本发明专利技术仅依靠机载惯性单元、气压高度计与数据链TOA测距组合就能实现集群无人飞行器相对导航任务。任务。任务。

【技术实现步骤摘要】
一种无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法


[0001]本专利技术属于集群无人飞行器自主相对导航
，具体涉及一种无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法。

技术介绍

[0002]集群无人飞行器在区域协同侦察，森林火灾探测及危险环境中执行搜救等诸多任务中有广泛应用前景。相比单个高集成度无人飞行器，集群无人飞行器具有雷达截面小，成本低，数量多，容错率高等特点，能够通过群体效应实现单个大型飞行器难以完成的任务。而实现集群成员间的高精度相对定位是保障集群任务与安全的关键前提。
[0003]传统的集群飞行器常使用独立于集群外的公共参考坐标的外部定位系统实现成员间相对定位，如运动捕捉系统（MCS）,全球导航卫星系统，但MCS系统需要预先布置于环境中，无法应用于未知环境。GNSS导航信号在复杂环境中存在衰减、多路径效应、无信号、甚至信号欺骗等问题。因此，GNSS拒止环境下无人飞行器集群的自主相对导航已经成为了行业内的热点问题。
[0004]目前集群无人飞行器的自主相对导航主要分为：基于视觉传感器的相对导航方式及基于机载无线电测距的相对导航方式。基于视觉传感器的相对导航方式如基于无人飞行器的仅测角机载红外传感系统，利用红外传感相机获得相邻飞行器的方向角。由于红外传感器视野范围有限，需要在不同方向布置机载传感器阵列以实现目标飞行器始终处于测量视野范围内。也有基于无人飞行器的仅测角视觉相机相对定位系统，类似于红外传感系统，同样存在视场(FOV)有限的问题，需要测量飞行器对目标飞行器进行追踪机动，以保证目标处于观测视野内，且当目标飞行器距离较远时，视觉相机存在特征识别点模糊等问题，一定程度上限制了无人飞行器间的相对飞行距离。
[0005]机载无线电设备能够实现全方位通信测距，且相邻设备间的通信几乎不受空间环境的影响，近年来受到了领域内研究人员的广泛关注。此类机载无线电设备包括：超宽带（UWB），蓝牙传感器等。集群成员利用机载蓝牙传感器向相邻成员交换彼此的地理北及速度信息，实现集群间的相对定位。此外，也有利用蓝牙传感器通信测距，并使用光流法测速辅助的相对定位方法，因光流法测速只适用于低速，光线良好的环境，因此对无人飞行器的飞行速度及环境均有一定限制。由于蓝牙传感器传输带宽较小，传输距离较近，因此对无人飞行器间远距离飞行环境下的测距通信带来一定限制。由于超宽带测距通信系统具有传输距离远，通信带宽大，信号传输稳定等优点，因此在集群无人飞行器的相对导航研究中得到了广泛应用。通过在环境中布置多个超宽带固定锚点可以实现对无人飞行器的测距定位，但这种方式无法应用于未知的飞行环境。因此，也可以利用单架悬停的无人飞行器作为UWB通信测距锚点，进而实现集群成员间的相对定位。这种相对定位算法的初始化需要集群成员中的单架无人飞行器首先做悬停机动，同时集群中的其他成员向该悬停无人飞行器发送自身的运动信息及地理北信息才能启动。利用UWB测距与视觉即时定位与地图构建（V
‑
SLAM）组合的相对定位方法无需设备充当静止锚点，仅通过最少6次通信测距，同时交换由视觉
SLAM装置测量得到的每台设备相对于各自位置原点的位移，进而求解得到两台设备的4自由度相对位姿。V
‑
SLAM设备同样只适用于低速环境，且对机载计算资源有较高要求。
[0006]因此，现有技术中，集群无人飞行器自主相对导航，需要利用多视觉传感器、具有锚点的无线电测距设备或无线电测距与光流法测速辅助的方法完成相对导航，以上相对导航方法增加了飞行器的额外负重，对飞行器的机动有较大限制，且对机载在线计算有较高要求。

技术实现思路

[0007]针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法，仅使用具有全向性通信功能的测距天线，结合气压高度计及机载惯性单元即可快速递推求解无人飞行器间的初始相对位姿，实现集群无人飞行器间的自主相对导航。
[0008]本专利技术的一种基人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法，包括步骤如下：步骤1，基于飞行器的飞行任务信息，将测量信息投影在二维平面上以建立等效测量模型，具体为：将飞行器的三维加速度和角速度、测距信息的投影至当地水平坐标系，得到二维加速度和距离，对二维加速度进行二次积分得到位置信息；步骤2，基于步骤1得到的位置信息和距离建立水平坐标系下飞行器间相对位置及航向角的线性求解模型；步骤3，通过至少5次测距以求解所述线性求解模型，当测距次数等于5时，通过5次测距通信求解算法对所述线性求解模型进行求解，得到飞行器仅测距初始相对位姿；步骤4，当测距次数大于5时，通过递推最小二乘算法对所述线性求解模型进行求解，实时输出递推求解结果，实现飞行器仅测距初始相对位姿的求解。
[0009]作为优选，步骤1中建立飞行器三维加速度和角速度、测距信息的水平坐标系投影等效测量模型如下：步骤1.1，将三维加速度和角速度投影到二维空间，得到加速度的二维投影等效模型：其中，i表示标号为i的飞行器，S
i
为飞行器本体系下的加速度，a
i
为当地水平坐标系下的等效加速度，θ
i
为飞行器i的俯仰角、φ
i
为滚转角；步骤1.2，对二维加速度进行二次积分，得到位置信息；步骤1.3，将测距信息投影到二维空间，得到距离信息的二维等效模型：其中，D
i
为两架飞行器间的空间距离，
△
h
i
为两架飞行器间的高度差，d
i
为飞行器在二维平面下的相对距离。
[0010]作为优选，步骤2中构造的线性求解模型的方法为：以两个飞行器为一组，分别在
各自的初始水平坐标系（里程系）下得到各自位置信息，转换位置信息至同一里程系下，并利用二维测距信息构建相对距离关系等式，得到飞行器间的相对位置及相对航向角的线性求解模型。
[0011]作为优选，线性求解模型具体为：，其中，M为关于两个飞行器各自位置信息的关系矩阵，未知量x为待求解的仅测距初始相对位姿，B为关于两个飞行器的位置信息及测距信息的位置矩阵；未知量x包含飞行器间相对位置（u,v）及相对航向角
△
ψ，表示如下：，L1,L2,L3为关于飞行器相对位置和相对航向角的算子。
[0012]作为优选，线性求解模型中的M及B矩阵表示如下：其中，（A，B）、（x，y）分别表示飞行器在各自二维里程系下的位置，下标1,2，
…
n表示对应的测距次数；其中，，d
i
为无人飞行器在二维平面下的相对距离，下标i表示第i次测距。
[0013]作为优选，未知量x中的L1,L2,L3算子表示如下：其中，u,v为相对位置，
△
ψ为相对航向角。
[0014]作为优选，步骤3中测距通信求解算法具体为：，其中，为当测距次数n为5时，矩阵H=[M5×7–
B5×1]的极大线性无关组，λ1，λ2为待求解系数，利用关于飞行器相对位置和相对航向角的算子L1,L2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1，基于飞行器的飞行任务信息，将测量信息投影在二维平面上以建立等效测量模型，具体为：将飞行器的三维加速度和角速度、测距信息投影至当地水平坐标系，得到二维加速度和距离，对二维加速度进行二次积分得到位置信息；步骤2，基于步骤1得到的位置信息和距离建立当地水平坐标系下飞行器间相对位置及航向角的线性求解模型；步骤3，通过至少5次测距通信以求解所述线性求解模型，当测距次数等于5时，通过建立对应的5次测距通信求解算法对所述线性求解模型进行求解，得到飞行器仅测距初始相对位姿；步骤4，当测距次数大于5时，通过递推最小二乘算法对所述线性求解模型进行求解，实时输出递推求解结果，实现飞行器仅测距初始相对位姿求解。2.根据权利要求1所述的无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法，其特征在于，步骤1中建立飞行器三维加速度和角速度、测距信息的水平坐标系投影等效测量模型如下：步骤1.1，将三维加速度和角速度投影到二维空间，得到加速度的二维投影等效模型：其中，i表示标号为i的飞行器，S
i
为飞行器本体系下的加速度，a
i
为当地水平坐标系下的等效加速度，θ
i
为飞行器i的俯仰角、φ
i
为滚转角；步骤1.2，对二维加速度进行二次积分，得到位置信息；步骤1.3，将测距信息投影到二维空间，得到距离信息的二维等效模型：其中，D
i
为两架飞行器间的空间距离，
△
h
i
为两架飞行器间的高度差，d
i
为飞行器在二维平面下的相对距离。3.根据权利要求1或2中所述的无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法，其特征在于，步骤2中构造的线性求解模型的方法为：以两个飞行器为一组，分别在各自的初始水平坐标系即二维里程系下得到各自位置信息，转换位置信息至同一里程系下，并利用二维测距信息构建相对距离的关系等式，得到飞行器间的相对位置及相对航向角的线性求解模型。4.根据权利要求3中所述的无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法，其特征在于，所述线性求解模型具体为：，其中，M为关于两个飞行器各自位置信息的关系矩阵，未知量x为待求解的仅测距初始相对位姿，B为关于两个飞行器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚柏春，丁鑫，王沙，李爽，张新，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：