长距离地下通道的无人装备定位方法

钟映春,王宗洋,王 彪,王 波

1.广东工业大学自动化学院;2.广东省机械技师学院机电工程系

0 引言

长距离地下通道指的是地铁隧道、煤矿坑道等工作场景,近年来,无人机或者机器狗等无人装备在长距离地下通道中得到越来越广泛的使用[1-2]。获得准确的定位数据是无人装备在长距离地下通道中开展全自主工作的关键和难点之一[3-4]。

目前常用的定位方法主要有GPS/RTK定位、视觉定位、基于UWB技术的定位等[5-7]。关家华等提出基于GPS/RTK的无人机自主定位系统[8],通过改进定位算法,对GPS信号进行延时补偿,同时对GPS漂移进行及时修正,能够得到较为准确的实时定位数据,引导无人机完成自主巡线工作。然而在长距离地下通道环境中,由于岩土层等对卫星信号的屏蔽作用,无人装备在地下空间很难获取GPS/RTK信号。架设信号基站的方式面临成本高、施工难度大、利用率低的问题。聂伟等提出了一种基于视觉的室内无人机定位方法[9],利用特征点法和直接法对特征点进行跟踪,再对特征点进行深度估计,在稀疏地图建立的基础上进行仿真实验,定位精度可达到0.04 m。单春艳等提出了一种面向井下无人机自主飞行的人工路标辅助位姿估计方法[10],该方法采用视觉注意机制提取反光标志牌的轮廓,利用标志牌与相机之间的坐标关系对无人机进行位姿估计。然而在地下长距离通道环境中,周围环境的光照情况不稳定,周围景物时明时暗,使得视觉定位的精度难以得到保证,因此视觉引导定位难以适用于长距离地下通道的场景。

基于超宽带(ultra wide band,UWB)的定位是一种通过发送和接收具有ns或ns级以下的极窄脉冲来传输数据,从而实现定位的方法[11-12]。钟映春等基于UWB技术提出了一种无人机自主降落的引导系统[13],该系统通过布置合理的UWB地面基站群,将UWB标签的定位数据作为无人机实时定位数据,可引导无人机在无GPS信号、弱光照的环境中自主降落,平面降落误差在0.3 m以内的可靠度可达到100%。采用UWB技术获取定位数据可以有效解决弱光照、无GPS/RTK信号情况下的定位问题。符世琛等提出了一种基于超宽带技术的掘进机自主定位定向方法[14],该方法可提供实时的掘进机位置数据,但是文中只进行了仿真模拟实验,未进行实物实验。文献[15-16]提出了地铁定位系统的宏观设计,文献[17-18]设计了基于UWB技术的地下工作人员定位系统。这些研究提出,在获取初始定位信息时,UWB定位标签先尝试与通道中所有的UWB基站依次进行通信,等待各个UWB基站的回信,再使用有回信的基站数据进行初始定位。可见,这些研究在获取定位数据过程中采用了传统轮询基站组的方法。这不仅会显著延长初定位时间,且由于基站硬切换而导致定位数据的突变,使得无人装备在地下运行过程中由于快速调节而发生短时剧烈抖动。

三边定位法是UWB定位系统中最为广泛应用的定位算法,使用3个及以上的地面基站可对标签进行二维定位。系统中每3个地面基站布局呈三角形方能进行定位,基站的布局会影响标签与各地面基站的几何结构,从而使定位精度发生变化,即地面基站的布局是定位性能的重要决定因素[19]。周艳等[20-21]通过优化基站选择算法,在已有的地面基站中选择出一组基站使定位误差最小。但这需要建立在有大量基站的基础上,会极大增加成本,实用性较差。吴晓军等[22]引入均匀搜索粒子群算法,提出一种实现最小误差的基站选择方法,但仅进行了仿真实验,且以近似正方形为实验模拟环境,与通道型环境相差较大。

针对在无GPS/RTK信号、弱光照、长距离地下通道场景下无人装备定位困难的问题,本文提出了一种基于UWB技术的长距离地下通道定位方法。首先,本文提出了一种适合于长距离地下通道的、高性价比的定位拓扑构型;其次,针对无人装备可以在定位拓扑构型中任意位置启动的情况,研究了无人装备的初始定位方法;然后,针对定位拓扑构型中存在信号辖区交汇区域的定位单元切换问题,提出了动态切换系数方法实现定位单元平滑切换。

1 总体研究架构

本文的总体研究架构如图1所示。从图1可见,本文选择以UWB定位技术作为基础,以获取无人装备在长距离地下通道中的定位信息。其原因在于UWB定位技术具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度不高等优点,但是也存在成本比较昂贵,网络部署复杂等不足[23-24]。长距离地下通道定位要求平面的定位误差δ≤±25 cm。为此,在长距离地下通道中定位实现高精度定位,需要解决以下3个关键问题:

图1 总体研究架构

1)采用何种拓扑构型布局UWB定位基站,能够在长距离地下通道中提供成本合理、定位误差小且满足实时性要求的定位数据;

2)在长距离地下通道中,如何让无人装备快速简便获取其在拓扑构型中的初始位置;

3)在提出的定位拓扑构型中,存在信号辖区交汇区域,在该区域,如何获得连续、稳定的定位数据,避免位置数据突变对无人装备的冲击。

2 拓扑构型研究

2.1 无人机降落引导系统的基站拓扑

目前,UWB定位技术主要应用在室内定位和无人机降落引导过程。以无人机降落引导系统中的定位基站拓扑的构型为案例。降落引导系统在地面布置6个定位基站,如图2所示。将定位标签固定在无人装备上。通过定位标签与定位基站拓扑的交互,无人机可以实时获取到自身位置坐标,进而实现精准降落。这种6个定位基站形成的拓扑布局在本文中称为偏π形状的布局。

图2 无人机降落引导系统的基站拓扑

2.2 定位基站的拓扑构型

基于无人机降落引导系统基站拓扑的思路,结合长距离地下通道的实际场景,设计了2种基站布局的拓扑构型,分别为连续延伸的构型和间接延伸的构型。通过实验结果来选择性价比更高的构型作为后续研究的基础。

2.2.1 连续延伸的构型

在无人机降落引导系统中,定位标签中的算法会将基站拓扑中3个距离较远的基站作为1个组合,而后运用三角定位方法做计算。可见,只要有能够形成三角形的3个基站,就可以实现定位。为此,本文设计的第1种基站布局的拓扑构型采用锯齿形连续延伸的构型,如图3(a)所示,定位基站在通道两侧的间距相同,设通道宽度为k,则同侧2个基站的间距设置为nk(其中n为1,1.5,2,2.5,…),定位基站在整个地下通道中呈锯齿形连续延伸。

(a)连续延伸的构型

2.2.2 间断延伸的构型

在无人机降落引导系统中发现,在定位基站拓扑的外部仍然能够获取准确的定位数据。为此,本文设计了一种间断延伸的定位基站拓扑构型,如图3(b)所示,其中,以偏π形为一个定位单元,每个定位单元之间有50～80 m的距离。这种方式的优点在于定位基站数量显著少于连续延伸构型。

2.3 2种构型的实验与结果分析

实验目的:在满足误差要求的情况下,在2种构型中,找到性价比更高的构型。

实验过程:采用实验方法对比图3中提出的2种构型的定位精度,即让定位标签分别位于拓扑内坐标已知的200个位置并处于静止状态,高度维持在1.5 m左右。在每个位置自动采集100次定位标签的数据,获得采样平均值并与真实的坐标位置对比,获得的误差结果,如表1和表2所示。

表1 连续延伸构型的定位误差

表2 间断延伸构型的定位误差

3 确定定位单元的合适拓扑

3.1 其他形状的定位单元拓扑

在确定采用间断延伸方式布局定位单元后,需要探索定位单元的合适拓扑。其原因在于,从表2的数据可见,以偏π形为定位单元的间断延伸构型的误差只是刚刚能够满足定位要求。为此,新增设计了标准矩形和直角三角形的定位单元,如图4所示。

(a)标准矩形作为定位单元拓扑

3.2 定位单元拓扑的实验与结果分析

3.2.1 实验目的

在满足误差要求的情况下,在3种定位单元拓扑中,找到性价比更高的拓扑。

3.2.2 实验过程与结果

对图4的2种定位单元进行实验,实验过程与2.3节一样。结果如表3、表4所示。

表3 标准矩形作为定位单元拓扑的实验误差

表4 直角三角形作为定位单元拓扑的实验误差

结合表2～表4中3种定位单元拓扑的实验结果可见:基站间距为5m的标准矩形作为定位单元拓扑时,具有最小的定位误差。此外,标准矩形的定位单元拓扑比偏π形状的定位单元拓扑少2个基站,具有更高的性价比。

虽然直角三角形作为定位单元拓扑时具有最少的基站数量,但是这种拓扑的定位误差不能满足误差要求。

3.2.3 结论

文中选定了基站间距为5m的标准矩形作为定位单元拓扑,以间断布局定位单元构建长距离地下通道的构型。

4 获取初始定位的方法

无人装备在长距离地下通道启动工作时,可能位于定位基站拓扑构型中的任意位置。为了能够让无人装备自主运行,需要设计算法让无人装备快速自动获得其初始定位坐标。

4.1 初始定位的获取方法

由于每个UWB基站ID在整个拓扑构型中具有唯一性,文中提出按照某种既定的顺序呼叫各个基站(每个定位单元中只有一个基站是待呼叫基站),在与某个基站(记为n号基站)首次建立通信后,再由图5所示流程,获得无人装备所在的定位单元。

图5 初始定位数据获取流程

根据长距离地下通道定位的实际需求,本文尝试以下3种搜索定位标签附近基站的方法:

1)依次轮询法:是最简单的查找方法,按照通道中待搜索基站摆放的空间顺序,依次呼叫,直到标签与某个基站建立通信;

2)随机法[25]:每次搜索前随机生成一个基站ID,呼叫该ID号对应的基站,直到与某个基站建立通信;

3)二叉树遍历查找法[26]:首先将待搜索的基站ID进行二分排序,再构建二叉树,使用层次遍历的方法对二叉树中的基站进行呼叫,直到与某个基站建立通信。

4.2 实物实验环境配置

实验用机如图6(a)所示,无人机机架为“X”型机架,电机对角轴距380 mm。定位标签和毫米波雷达通过串口与无人机相连,为使定位无线信号传输更为稳定,使用低色散、圆极化天线。将定位标签、定高雷达与天线都固定在无人机上,如图6(b)所示。

(a)安装UWB定位标签的多旋翼无人机

长距离地下通道的定位单元拓扑构型如图6(c)所示(俯视图)。实验通道宽度为5 m,直线通道长度135 m。坐标系的x轴与y轴正方向如图6(c)所示,定位单元I内部正中间位置为坐标系的原点。

4.3 初始定位方法的实验与结果

4.3.1 初始定位方法对比的实验

4.3.1.1 实验目的

在3种初始定位计算方法中,找到初始定位效率最高的方法。

4.3.1.2 实验过程

使用Dev-C++作为仿真平台,根据定位原理模拟定位标签对各基站的搜索。改变通道的总长度以及标签的位置,记录每次模拟搜索的次数。统计并计算每种搜索方法的平均搜索次数,结果见表5所示。

表5 3种搜索方法的平均搜索次数

4.3.1.3 实验结论

由表5可知,不论实验所模拟的通道总长度为多长,二叉树遍历法的平均搜索次数都是最少的,故本文选择使用二叉树遍历法为初定位中基站搜索方法。

4.3.2 初始定位的实验与结果分析

4.3.2.1 实验目的

实物平台上,验证二叉树遍历法能否准确找到无人机所在的定位单元,实现初始定位。

4.3.2.2 实验过程

按图6(c)构建长距离地下通道模型,将无人机分别放置通道中的多个位置,开启定位标签算法,获取其定位数据。结果如表6所示。

表6 初始定位的实验结果

4.3.2.3 实验结论

由表6可得,无人机在实验所设的各个位置点都可完成初定位,并且所使用的定位单元也符合预期。

4.3.3 通道长度与初始定位花费时间的相关性

在实际应用中,为了便于根据通道长度对初始定位时间有一定的预判,统计不同通道长度下初定位所需的平均时间和最大用时。最大用时指的是定位标签将所有待搜索基站搜索一遍才完成初定位,在此过程中所耗用的时间。结果如图7所示。

图7 初始定位用时与通道长度的关系

由图7可知,当长距离地下通道长度为5.2 km时,初定位平均用时16.42 s,最大用时25.88 s。长距离地下通道长度为5.2 km,基本包括了大多数情况下相邻地铁站的间距。初定位的平均用时和最大用时都与通道总长度成近似正比例关系,使用最小二乘法可得到平均用时、最大用时的估计方法,回归线性方程分别表示为:

Tava=2.61C+3.31

(1)

Tmax=4.49C+2.93

(2)

式中C为通道长度。

5 定位单元的切换

5.1 信号辖区交汇区域的含义

针对标准矩形的拓扑构型,本文经过反复实验确定:在定位单元外35 m范围内,均可获得稳定的、高精度的定位数据。为了能够让无人装备始终能够持续稳定获取定位数据,本文设计2个定位单元的间距为60 m。由此会产生一个问题,即2个定位单元的信号辖区会产生10 m的交汇区域,如图8所示。在交汇区域中需要完成定位单元的切换。在切换过程中可能会有定位数据的突变,进而引起无人装备的剧烈动作。这不利于无人装备的平稳运行。因此,需要研究如何切换定位单元才能尽量减少在交汇区域定位数据的突变。

图8 信号辖区交汇区域的含义

5.2 切换方法

5.2.1 硬切换与组合切换方法

根据图8的设计,假设无人装备从定位单元I启动运行,在到达交汇区域前,完全依靠定位单元I提供定位数据;在进入交汇区域后,无人装备应该尽量平滑切换到依靠定位单元Ⅱ提供定位数据,以减少位置突变产生的冲击。

根据切换机制的不同,本文提出了2种不同的定位单元切换方法,分别为硬切换法和组合切换法。

5.2.1.1 硬切换法

无人装备到达交汇区域中线附近时,强行切换采用下一个定位单元提供的定位数据。

5.2.1.2 组合切换法

无人装备进入交汇区域后,定位数据采用式(3)计算定位数据,逐步完成定位单元的切换:

Data=hi·data1+(1-hi)·data2

(3)

式中:data1和data2分别为相邻2个定位单元的定位数据;hi为切换系数。

实测表明,硬切换方法会导致定位数据产生50 cm以上的突变,难以使用。因此,本文选用组合切换方法。

5.2.2 切换系数的计算方法

根据组合切换法的思路,需要确定切换系数。为此,本文提出2种获取hi的方式,分别为静态切换系数和动态切换系数。静态切换系数:在任何情况下,在交汇区域的任何位置都有hi=0.5;动态切换系数:切换系数在交汇区域中的不同位置有不同的hi值。

本文基于统计实验数据的方法确定切换系数hi,首先,进行大量的实验,统计实验数据后发现,在交汇区域中,对于2个相邻定位单元的定位数据,某个定位单元的数据x轴误差小时,y轴误差未必小。因此,为了同时兼顾x轴和y轴的误差,本文实际位置点与测量位置点之间的综合距离误差E为评价指标:

(4)

式中ex和ey分别为x轴数据和y轴数据的误差。

在定位单元外,E与定位单元的距离并不成线性关系。将“无人装备距离定位单元Ⅰ更近”记为事件A1;将“定位单元Ⅰ的综合距离误差E更小”记为事件B。

无人装备在定位单元拓扑内,定位数据是非常准确的;无人装备在通道中运行时,y轴坐标较少变化。每当无人装备运行至定位单元拓扑内时,记录y轴坐标,以此作为参考。当无人装备进入交汇区域时,将2个定位单元的y轴数据与这个参考值做对比,得到y误差更小者。将“定位单元Ⅰ的更小”记为A2。

通过实验统计事件A1、A2不同发生情况时,事件B发生的概率,结果如表7所示。

表7 事件B发生的概率

事件B发生的概率越大,则对定位单元Ⅰ的依赖程度就越大。因此将表7中得到的各个概率作为不同条件下对定位单元Ⅰ数据权重的初始取值,命名为误差影响因子Pi0,即在4种情况下,Pi0取值分别为0.91、0.64、0.42、0.11。

为了进一步提高数据的稳定性,本文提出另一个稳定性影响因子υ,其含义是:在交汇区域中,越靠近哪个定位单元,就越依赖该定位单元的数据,表示为

(5)

式中:x为横坐标;k为定位单元内2个基站之间的距离,k=5 m;b为2个定位单元之间的距离,b=60 m;L为交汇区域长度,L=10 m;[·]表示向下取整。

对误差影响因子Pi0与稳定性影响因子v的信任度相同,因此将这两个指标各取1/2作为最终的切换系数,表示为

hi=0.5·Pi0+0.5·υ

(6)

结合式(3)、式(5)、式(6),可以获得动态切换系数情况的定位数据。

5.3 实验与结果分析

5.3.1 实验目的

通过对比实验,验证2种切换系数方法的效果。

5.3.2 实验过程

按照图8布置2个定位单元进行实验。无人机飞行速率设定为1 m/s。每s采样8次定位数据,无人机飞行环境如图9所示。从图9可见,实验环境存在明显的亮度不均匀,不适合采用图像方式定位;实验环境为半封闭场景,GPS/RTK信号极差,不能用GPS方式定位。

图9 实验环境

将静态切换的定位方法编程下载到定位标签。给定位单元和定位标签上电,让无人机飞行经过交汇区域的中线,记录无人机的平面定位数据,任选一次实验结果,见图10(a)。

(a)静态切换的实验结果

将动态切换的定位方法编程下载到定位标签。给定位单元和定位标签上电,让无人机飞行经过交汇区域的中线,记录无人机的平面定位数据,任选一次实验结果,见图10(b)。

在图10(a)中,在切换定位单元前后,定位数据的变化达到43 cm。无人装备获取到这个变化剧烈的定位数据后,为了回到设定值,无人装备控制器会立即给出调节信号,以尽快回到设定位置。这种突然的大调节量很容易引起无人装备运动的振荡。

在图10(b)中,切换系数按照式(6)动态调整,定位单元的切换是逐步过渡,在交汇区中线附近,定位数据变化仅为5 cm,定位数据几乎没有突变。

实验结论:在定位单元信号辖区的交汇区域,采用本文提出的动态切换系数方法能够较好避免定位数据突变,为减少无人装备在地下狭窄空间中运行的振荡提供数据基础。

5.4 全流程实验与结果

5.4.1 实验目的

模拟无人机在长距离地下通道的飞行,进行无人机初定位、连续飞行实验,在全流程情况下检验本文提出的定位方法的性能。

5.4.2 实验过程与结果

按照图6(c)配置基站拓扑,在图9的实验环境中,让无人机从预设初始位置点起飞,沿着通道自主飞行,降落在原点,共进行20次飞行实验。定位单元切换情况见表8。

表8 定位单元切换情况

记录无人机飞行轨迹,任选一次飞行实验的采样轨迹如图11所示。

图11 无人机飞行轨迹

结合表8与图11可得:

1)在上电后,无人机能够自动、快速且准确获取初始定位;

2)无人机在飞行通过信号辖区交汇区域时,没有定位数据的突变,无人机飞行稳定;

3)本文提出的以定位单元间断布局作为长距离地下通道的定位拓扑构型,以及标准矩形作为定位单元拓扑的模型,能够较好提供定位数据,实时性高、定位误差δ≤±25 cm,满足设计要求。

6 结论

当前,越来越多的无人装备在长距离地下通道场景中得到应用。受限于无GPS/RTK信号、弱光照等实际情况,无人装备在长距离地下通道场景中普遍存在定位困难的问题。本文提出了一种适用于长距离地下通道的定位方法。本文的主要成果有:

1)提出了一种适合于长距离地下通道的、高性价比的定位拓扑构型,即以标准矩形布局定位基站构成定位单元,沿着长距离地下通道间断方式布局定位单元;

2)针对无人装备可以在定位拓扑构型中任意位置启动的情况,研究了获取初始定位的方法;

3)提出了一种动态切换系数方法,以解决定位单元切换过程中定位数据突变的问题。

实验结果表明:

1)采用间断方式布局定位单元的构型比连续布局定位基站的构型具有更高的性价比,且能使定位误差δ≤±25 cm;定位单位间距60 m;

2)标准矩形的定位单元拓扑比直角三角形、偏π形的拓扑具有更高的定位精度;

3)采用二叉树遍历查找法能够快速确定无人装备的初始位置;

4)采用动态切换系数方法获取信号辖区交汇区域的定位数据,能够确保定位数据稳定且连续,可显著减少定位单元切换引起的无人装备运动振荡。

本文提出的定位方法为无人装备在长距离地下通道开展全自主执行任务提供了解决方案。