兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (S2): 22-34.doi: 10.12382/bgxb.2023.0829
所属专题: 群体协同与自主技术
邓廷祥1, 任鹏1,*(), 程甲1, 汪建兵2,3, 梁振杰2,3, 相征1
收稿日期:
2023-08-31
上线日期:
2024-01-10
通讯作者:
DENG Tingxiang1, REN Peng1,*(), CHENG Jia1, WANG Jianbing2,3, LIANG Zhenjie2,3, XIANG Zheng1
Received:
2023-08-31
Online:
2024-01-10
摘要:
无人集群节点间精确位置获取是集群协同的基础,但在复杂多变的应用环境中,全球导航卫星系统(GNSS)难以提供稳定准确的位置信息;难以部署辅助锚点;传统相对定位方法大多存在节点数量限制。针对上述3个问题,提出了一种GNSS拒止条件下的集群节点相对定位的新方法。以搭载惯性测量单元(IMU)和超宽带传感器的两个节点为例建立了相对定位模型,采用扩展卡尔曼滤波算法,融合机载IMU和机间距离信息,实现了相对位置的最优估计。仿真实验结果表明:在无人机相距200m的范围内,所提方法可达到约1.3m的相对定位精度,与现有多节点相对定位算法相比,提高了约4倍;在无需GNSS和辅助锚点的支持下,即可实现两个节点之间的高精度相对定位,能够为无人集群在复杂应用环境下的协同定位提供有效可行的解决方案。
中图分类号:
邓廷祥, 任鹏, 程甲, 汪建兵, 梁振杰, 相征. 面向集群协同的两点相对定位技术[J]. 兵工学报, 2023, 44(S2): 22-34.
DENG Tingxiang, REN Peng, CHENG Jia, WANG Jianbing, LIANG Zhenjie, XIANG Zheng. Relative Positioning Technology for Two Points Based on Cluster Cooperative Orientation[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(S2): 22-34.
参数 | 数值 |
---|---|
IMU采样率/s | 0.005 |
陀螺仪常值漂/(deg·h-1) | 0.1 |
加速度计常值漂移/ug | 100 |
测距误差/m | 0.5 |
初始位置误差/m | (2,2,2) |
初始速度误差/(m·s-1) | (0.1,0.1,0.1) |
UWB位置(x,y,z)/m | UWB1(0.4,0,0) UWB2(-0.3,0,0) UWB3(0,0.3,0.4) |
状态噪声矩阵 | diag(10-5×I3×1;10-2×I3×1; 10-8×I6×1) |
表1 仿真实验参数
Table 1 Simulation experiment parameters
参数 | 数值 |
---|---|
IMU采样率/s | 0.005 |
陀螺仪常值漂/(deg·h-1) | 0.1 |
加速度计常值漂移/ug | 100 |
测距误差/m | 0.5 |
初始位置误差/m | (2,2,2) |
初始速度误差/(m·s-1) | (0.1,0.1,0.1) |
UWB位置(x,y,z)/m | UWB1(0.4,0,0) UWB2(-0.3,0,0) UWB3(0,0.3,0.4) |
状态噪声矩阵 | diag(10-5×I3×1;10-2×I3×1; 10-8×I6×1) |
运动参数 | 数值 |
---|---|
飞行时长/s | 600 |
初始相对位置/m | 18 |
初始速度/(m·s-1) | 0 |
表2 运动参数设置
Table 2 Motion parameter setting
运动参数 | 数值 |
---|---|
飞行时长/s | 600 |
初始相对位置/m | 18 |
初始速度/(m·s-1) | 0 |
UWB传感器编号 | 位置(x,y,z)/m |
---|---|
UWB1 | (0.4,0,0) |
UWB2 | (-0.3,0,0) |
UWB3 | (0,0.3,0.4) |
UWB4 | (0,-0.5,0) |
UWB5 | (0,0,-0.5) |
表3 UWB传感器设置
Table 3 UWB sensor settings
UWB传感器编号 | 位置(x,y,z)/m |
---|---|
UWB1 | (0.4,0,0) |
UWB2 | (-0.3,0,0) |
UWB3 | (0,0.3,0.4) |
UWB4 | (0,-0.5,0) |
UWB5 | (0,0,-0.5) |
[1] |
陈炜军, 邹庆, 涂卫军. 空面武器智能化发展趋势与应用[J]. 直升机技术, 2021(e2): 69-72.
|
|
|
[2] |
郝菁. 基于惯导/数据链协同的无人机集群导航定位算法研究[D]. 北京: 中国电子科技集团公司电子科学研究院, 2019.
|
|
|
[3] |
裴凌, 李涛, 花彤, 等. 多源融合定位算法综述[J]. 南京信息工程大学学报(自然科学版), 2022, 14(6): 635-648.
|
|
|
[4] |
doi: 10.1016/j.inffus.2023.01.025 URL |
[5] |
韩煜, 宋韬, 郑多, 等. 基于冲突触发避碰机制的无人飞行器集群协同制导技术[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1881-1895.
doi: 10.12382/bgxb.2022.0152 |
doi: 10.12382/bgxb.2022.0152 |
|
[6] |
doi: 10.1109/Access.6287639 URL |
[7] |
doi: 10.1109/ACCESS.2021.3071921 URL |
[8] |
doi: 10.3390/s22010210 URL |
[9] |
|
[10] |
doi: 10.1109/ACCESS.2019.2902127 URL |
[11] |
doi: 10.3390/s23135918 URL |
[12] |
doi: 10.1063/1.5117341 URL |
[13] |
夏楠, 邱天爽, 李景春, 等. 一种卡尔曼滤波与粒子滤波相结合的非线性滤波算法[J]. 电子学报, 2013, 41(1): 148-152.
doi: 10.3969/j.issn.0372-2112.2013.01.026 |
doi: 10.3969/j.issn.0372-2112.2013.01.026 |
|
[14] |
刘燕, 张健, 肖庆高, 等. UKF与EKF在导航定位中的对比研究[J]. 微处理机, 2023, 44(4): 30-33.
|
|
|
[15] |
刘向阳. 几种典型非线性滤波算法及性能分析[J]. 舰船电子工程, 2019, 39(7): 32-36.
|
|
|
[16] |
doi: 10.1007/s10586-018-1803-1 |
[17] |
高嵩, 宋佳鹏, 房穹, 等. 抗差自适应容积卡尔曼滤波在UWB室内定位中的应用[J]. 导航定位学报, 2023, 11(1): 142-147.
|
|
|
[18] |
徐阳扬, 陈明, 赵艳, 等. 基于粒子滤波的室内机器人定位加速收敛算法[J]. 电子设计工程, 2023, 31(14): 6-11.
|
|
|
[19] |
苏佳, 杨泽超, 易卿武, 等. 基于遗传算法优化BP神经网络的GNSS干扰源定位技术[J/OL]. 无线电工程, 2023(2023-08-29)[2023-12-06]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/13.1097.TN.20230829.1520.006.html.
|
|
|
[20] |
|
[21] |
鱼瑜, 吴明亮, 张来喜, 等. 多传感器融合定位方法探讨[J]. 导航定位学报, 2023, 11(5): 151-163.
|
|
|
[22] |
冯硕. 基于UWB与深度学习融合的单基站定位算法[D]. 海口: 海南大学, 2022.
|
|
|
[23] |
李玉柏, 孙迅. 基于迁移学习提高WiFi室内定位中信道状态信息指纹库的鲁棒性[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(10): 3657-3666.
|
|
|
[24] |
|
[25] |
吴杰宏, 李丹阳. 无人机集群编队控制方法研究综述[J]. 无线电通信技术, 2023, 49(4): 589-596.
|
|
|
[26] |
武成锋, 程进, 郭晓云, 等. 飞行器集群协同定位与导航对抗技术发展与展望[J]. 宇航学报, 2022, 43(2): 131-142.
|
|
|
[27] |
doi: 10.1109/JSEN.2023.3252019 URL |
[28] |
doi: 10.3390/rs13244987 URL |
[29] |
朱徐东, 赖际舟, 周本川, 等. 基于构型寻优的多无人机鲁棒自适应协同定位方法[J]. 中国惯性技术学报, 2023, 31(7): 650-658,64.
|
|
|
[30] |
朱奎宝, 温紫晴, 狄世彦, 等. 多机器人系统的可观测性及协同定位精度分析[J/OL]. 电讯技术, 2023(2023-06-05)[2023-12-06].https://doi.org/10.20079/j.issn.1001-893x.230417003.
|
|
|
[31] |
刘杨. 多AUV协同导航优化算法与编队构型设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2015.
|
|
|
[32] |
|
[33] |
王小刚, 郭继峰, 崔乃刚. 基于数据链的智能导弹协同定位方法[J]. 中国惯性技术学报, 2009, 17(3):319-323.
|
|
|
[34] |
|
[35] |
闵海根, 李尧, 汪建球, 等. 考虑通信时延的智能网联汽车协同定位方法[J]. 中国公路学报, 2023, 36(6): 220-234.
doi: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.06.019 |
|
|
[36] |
张红娟, 钱闯, 招倩莹, 等. 顾及通信延迟的车路协同高精度定位[J/OL]. 测绘学报, 2023(2023-06-08)[2023-12-06]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2089.P.20230608.0903.002.html.
|
|
|
[37] |
卢健, 陈旭, 罗毛欣, 等. 考虑通信延迟的多自治水下航行器协同定位算法[J]. 控制理论与应用, 2020, 37(9): 2061-2072.
|
|
|
[38] |
刘天豪. 空中自组织网络优化分簇相对定位算法研究[D]. 北京: 中国电子科技集团公司电子科学研究院, 2019.
|
|
|
[39] |
彭宏泽. 无人机组合导航与多机协同定位研究[D]. 长春: 吉林大学, 2023.
|
|
|
[40] |
严恭敏, 翁浚. 捷联惯导算法与组合导航原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2019.
|
|
|
[41] |
秦永元, 张洪钺, 王叔华. 卡尔曼滤波与组合导航原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2012.
|
|
|
[42] |
doi: 10.3390/s23094366 URL |
[43] |
doi: 10.1109/JSEN.2023.3258432 URL |
[44] |
doi: 10.1109/TCST.2020.3027627 URL |
[45] |
杨彬. 基于MDS的无人机群协同定位算法研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2021.
|
|
[1] | 申程, 张连超, 张卓, 朱文亮, 陈雨康. 轻量化弹道解算系统火控修正和瞄准线滤波预测[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 429-442. |
[2] | 张福斌, 张炳烁, 杨玉帅. 基于单目/IMU/里程计融合的SLAM算法[J]. 兵工学报, 2022, 43(11): 2810-2817. |
[3] | 张福斌, 林家昀. 深度相机与微机电惯性测量单元松组合导航算法[J]. 兵工学报, 2021, 42(1): 159-166. |
[4] | 孙欢, 杨宾峰, 管桦, 王润. 基于联合估计迭代算法的三轴磁力仪标定补偿方法[J]. 兵工学报, 2020, 41(5): 902-910. |
[5] | 张伽伟, 喻鹏, 姜润翔, 孙宝全. 基于舰船电场的目标跟踪方法研究[J]. 兵工学报, 2020, 41(3): 559-566. |
[6] | 董春梅, 任顺清, 陈希军, 李巍. 一种激光陀螺捷联惯性导航系统级标定方法[J]. 兵工学报, 2019, 40(8): 1618-1626. |
[7] | 颜冰, 孙宝全, 张伽伟. 基于滤波器组的船舶静电场跟踪[J]. 兵工学报, 2019, 40(7): 1468-1475. |
[8] | 刘生攀, 王文举, 饶兴桥. 单轴旋转捷联惯性导航系统误差分析与转位方案研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(9): 1749-1755. |
[9] | 高飞, 孙磊. 基于首达波与次达波到达时差的深海浅层移动声源定位[J]. 兵工学报, 2018, 39(11): 2243-2248. |
[10] | 张石, 张百海, 王飞帆, 关子霄. 基于跳数量化的无线传感器网络节点定位算法[J]. 兵工学报, 2017, 38(5): 932-939. |
[11] | 曹俊, 郑翠娥, 孙大军, 张殿伦. 基于凸优化的水下载体定位研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(3): 520-526. |
[12] | 白涛, 蒋运华, 韩云涛. 基于混合扩展卡尔曼滤波的超空泡航行体变深运动控制研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(10): 1980-1987. |
[13] | 郑玉军, 田康生, 刘俊凯, 田耕. 早期预警雷达和多功能相控阵雷达的目标指示交接方法[J]. 兵工学报, 2017, 38(1): 106-113. |
[14] | 王洁, 熊智, 邢丽, 戴怡洁, 华冰, 刘建业. 基于新息自适应滤波的惯性测量单元误差在线标定方法研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(7): 1203-1213. |
[15] | 刘泳庆, 蒋硕, 于栋, 邵晓田. 窄带干扰抑制对码相位测量零值的影响分析[J]. 兵工学报, 2016, 37(2): 293-298. |
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