超宽带技术在多旋翼无人机自动机场中的应用

张宝译

（山东师范大学信息科学与工程学院，山东 济南 250358）

1 多旋翼无人机自动机场概况

当前，多旋翼无人机（以下简称“无人机”）被广泛应用于许多行业。无人机系统以无人机作为载体，搭配各种模块化载荷设备，实现相应的功能，如拍照、录像、照明、喊话、喷洒、投掷等模块。由于无人机具有灵活方便、性价比高、适应性强、操作简便等特点，被广泛应用在环保、交通、测绘、林业、消防、电力、公安边防等领域。

由于无人机续航载重等多种因素的限制，单架次无人机的作业范围还不够广，而土地测绘、电力巡检、边境巡查等应用场景都要求无人机制滞空时间长、作业距离远。为了满足此类需求，且随着无人机行业智能化水平的不断提升，无人机自动机场应运而生。

无人机自动机场的主要特性是所有飞行操作全部由终端操作人员完成，可以不需要飞手到现场操作。无人机自动机场不需要有人值守，机场设置好之后，可远程操控，实现无人机机场的自动化运行，包括自动起飞、自动执行任务、自动返航、自动充放电等一系列自动化智能化操作。因为现场无须人员值守，所以可以将无人机自动机场建设在上述应用场景内。如边境巡逻，可以沿边境线建设多个无人机自动机场，这样无人机就可以沿边境线执行巡逻任务，而建设的多个无人机自动机场就成为无人机的“驿站”，每2个机场之间的距离可以按照无人机的单次最大航程进行设计。在每个自动机场内，均配置1个地面辅助机器人系统（以下简称“机器人”），当无人机降落后，机器人与无人机共同配合，实现电池更换、电池充放电、载荷更换、无人机检测等诸多功能。

通过多个无人机自动机场的“接力”使用，大大提高了无人机的作业范围，扩展了无人机的应用范围，具有很大的现实意义。

2 系统需要解决的问题

考虑到防雨、防盗、无人值守等诸多因素，无人机自动机场都是全封闭状态，在没有无人机执行任务的时候，上盖一直处于关闭状态。且机场外壳必须具备一定的强度。这就导致无人机机场内部（以下简称“机库”）没有卫星信号。机库的面积有限，这就要求无人机必须精准地降落在机库范围内。而当前无人机普遍采用的GNSS卫星导航系统无法满足无人机的高精度降落要求。

无人机降落到机库后，机器人需要在机库内找到无人机的位置，并且能够感知自己在机库中的位置，这样才能够实现上文中提到的各种功能。有一种方法是采取“视觉定位”方案，通过系统内多个摄像头拍摄图片（标志物），然后计算出机器人和无人机在机库中的位置，并指引机器人的导航。不过此方法对光照、图片清晰度、拍摄速率等都有很高的要求，干扰因素较多，不够稳定。

为此，文章提出了使用超宽带技术解决上述问题的方法。

3 超宽带技术概况

超宽带技术（Ultra Wide Band,UWB）是一种新型的无线通信技术，它是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使得信号具有GHz量级的带宽。

超宽带技术具有以下特点：（1）抗干扰性能强；（2）数据传输速度快；（3）带宽大；（4）系统容量很大；（5）保密性好；（6）通信距离相对较短。

以上特点决定了超宽带技术可以应用在测距及定位领域，在短距离范围内，利用超宽带技术进行高频率的测距运算，进而根据相应算法计算出物体的位置信息。由于超宽带技术通信速率很快，可以将该技术应用在系统的模块通信功能上。

4 超宽带技术的测距原理

2个使用超宽带技术的模块可以互相通信，并利用通信过程中的时间参数，计算出2个模块之间的距离。

文章使用的是双边双向测距方法，记录了信号在2个模块之间往返的时间戳，并在最后计算出飞行时间。虽然增加了响应的时间，但是这样做可以降低测距误差，提高测量精度，对提高后续的定位精度有很大影响。

假设有甲、乙2个设备，使用双边双向测距法进行距离测定。设备甲主动发送第一条测距消息，等待设备乙响应。当设备甲收到设备乙返回的响应后，设备甲立刻返回数据，最终得到4个时间戳。根据4个时间戳参数，能够计算出信号在设备甲、乙之间的飞行时间，并据此计算出设备甲、乙之间的距离。而且，在测距时，设备甲、乙进行了数据通信，也就是说，在测距时，能够在2个设备之间传递数据。

5 利用超宽带技术解决系统存在的问题

假设一套系统中，超宽带应用有5个模块，其中4个命名为基站，另外1个命名为标签。则有基站A、基站B、基站C、基站D和标签1。

该方案使用的是DECAWAVE公司生产的DW1000芯片，兼容IEEE802.15.4-2011协议，其数据传输速率最高能达到6.8Mb/s，对于多路径衰弱有更强的抗干扰能力，低功耗，物理尺寸也非常小，做出的超宽带模块尺寸和重量都很小，完全满足无人机的负重要求。

该方案中，把基站A、B、C分别固定放置在机库外墙的3个角的同一高度位置上，基站D固定放置在机库的第4个角上，且高度高出其他3个基站1m。以机库某一角为坐标原点，绘制出三维坐标图，这样，基站A、B、C、D在该坐标系下的坐标值得以确定。

该方案中，可以通过标签1，利用超宽带技术分别与基站A、B、C、D进行测距，这样就可以计算出标签1距离基站A、B、C的距离，得到这3个距离后，利用三边测量定位算法（Trilateration），就可以计算出2个三维坐标（X，Y，Z1）和（X，Y，Z2）。通过基站D与标签1的实际测量距离，判断计算出的坐标点与基站D的距离，哪一个与测量距离更接近，就可以判断出2个坐标中哪一个三维坐标才是标签1在自定义坐标系中的坐标值。

通过以上算法，可以得到标签1在自定义坐标系中的位置信息。在设置坐标系的时候，该方案将坐标系横轴对准地理正东，将纵轴对准地理正北，垂直方向上的轴垂直指向上方。设置完后，就可以利用在自定义坐标系中计算出的位置信息指引无人机进行导航控制。

因为超宽带技术是在纳秒级别进行的定位，所以通信非常快，且测距精度很高，测距精度能达到10cm以内。在保证使用频率能够满足导航需要的前提下，将三边测量定位算法计算出的坐标值进行数字滤波处理。因无人机控制频率一般为200～400Hz，远低于超宽带测距频率，所以经过滤波后的坐标值，水平精度在5cm以下，垂直精度在15cm以下，完全满足无人机精准降落的需求。

根据以上分析，在整个系统中，可实现如下流程：无人机在自动机场起飞执行任务，任务结束后，无人机返回某机场（事先确认该机场是否有空余停机位），依靠卫星导航系统返回到自动机场附近。在逐渐接近机场的过程中，无人机自身携带的标签与机场内架设的基站进行测距通信，无人机实时计算自己在该机场自建坐标系中的位置，并根据此信息指引无人机精准降落到机库内。而机库内的机器人同样与基站进行测距定位，计算出自己的坐标值。待无人机降落后，机器人根据系统告知的无人机位置信息，导航至无人机处，进行电池更换、载荷更换等操作。操作完毕后，机器人回到始发区继续待命，等待系统的下一步指示。而无人机则可以继续起飞完成后续飞行任务。通过多个自动机场的“接力”，可以实现无人机的不间断飞行，大大提高了无人机的作业半径，拓宽了无人机的应用领域。

6 结束语

普通的多旋翼无人机，由于起飞重量和电池密度等的影响，续航能力有限，无法长时间飞行，极大地限制了无人机的行业应用。文章提出一种自动机场的方案，即采取多个机场“接力”的方式来实现无人机作业半径的扩展，大大拓宽了无人机的应用领域和应用范围。文章还提出了一种解决无人机与辅助机器人在该系统的辅助导航方法，即超宽带技术。利用超宽带技术不仅能够实现系统内模块之间的高速通信，也能够利用此技术实现设备的定位，解决了机场内辅助机器人和无人机在机场附近的导航问题。