《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于無線信號(hào)接收強(qiáng)度定位的無人機(jī)群避碰
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
楊潤豐1，駱春波2
1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，廣東 東莞523808；2.英國?？巳卮髮W(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，英國EX4 4QF
摘要： 碰撞避免算法對(duì)無人機(jī)群的安全飛行極其重要。當(dāng)無人機(jī)無法獲得準(zhǔn)確的定位信息，特別是其全球定位系統(tǒng)（GPS）信號(hào)失效時(shí),更需要準(zhǔn)確高效的碰撞躲避和控制算法。利用無人機(jī)的無線射頻信號(hào)，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度估算無人機(jī)間的距離和飛行信息，計(jì)算碰撞概率，采用正交規(guī)則修改預(yù)設(shè)的飛行路線，提出完整的無人機(jī)碰撞避免系統(tǒng)方法。理論分析和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證實(shí)了此避碰策略的有效性，從而使無人機(jī)獲得安全的飛行路線。
中圖分類號(hào)： TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.030
中文引用格式： 楊潤豐，駱春波. 基于無線信號(hào)接收強(qiáng)度定位的無人機(jī)群避碰[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(4)：117-120.
英文引用格式： Yang Runfeng，Luo Chunbo. Study on UAV collision avoidance strategy based on received radio signal strength positioning method[J].Application of Electronic Technique，2017，43(4)：117-120.
Study on UAV collision avoidance strategy based on received radio signal strength positioning method
Yang Runfeng1，Luo Chunbo2
1.Department of Electronic Engineering，Dongguan Polytechnic，Dongguan 523808，China； 2.Department of Mathematics and Computer Science，University of Exeter，EX4 4QF，UK Exeter
Abstract： Collision avoidance is extremely important for UAV flight. When the UAV does not have accurate position information, and especially the UAV global positioning system(GPS) signal failures, collision avoidance must be proposed to control the UAV’s flight. This paper presents analysis of collision detection, based on collision probability calculated from distance measurement, given the received radio frequency signal strength, and proposes orthogonal rules to modify the UAVs’ predefined flight routes for collision avoidance. Theoretical analysis and experimental results demonstrate the validity of the collision avoidance strategy to provide safe flight routes for UAVs.
Key words : UAV；radio frequency signal strength；UAV collision avoidance

0 引言

    近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)開始在公共安全需求高漲的安全防范技術(shù)中得到重要應(yīng)用。無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，除了采用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）航點(diǎn)定位飛行、航向鎖定等固定模式外，更重要的是采用靈活的自主飛行模式。那么，必須加強(qiáng)對(duì)其飛行安全管制和保障。其中避免碰撞對(duì)無人機(jī)群的飛行極其重要，特別是在無人機(jī)無法正常接收GPS信號(hào)時(shí)，無人機(jī)本身無法獲得每個(gè)臨近的無人機(jī)準(zhǔn)確位置信息，這將帶來不可遇測的控制困難和飛行危險(xiǎn)。目前，國際上研究提出了基于無線射頻信號(hào)接收強(qiáng)度的距離測量方法[1]，對(duì)比無線射頻信號(hào)到達(dá)時(shí)間或到達(dá)時(shí)差[2]、到達(dá)角[3]等方法，無線射頻信號(hào)接收強(qiáng)度是一個(gè)更為方便和經(jīng)濟(jì)的解決方案[4]。本文在無線射頻信號(hào)接收強(qiáng)度距離測量方法的基礎(chǔ)上分析研究無人機(jī)碰撞檢測和避碰策略。

1 基于無線射頻信號(hào)接收強(qiáng)度的無人機(jī)距離測量

1.1 系統(tǒng)與信道模型

    在無人機(jī)位置估算模型中，使用3個(gè)以上已知自身位置信息的參考節(jié)點(diǎn)Rj（j=1，2，…，J）對(duì)無人機(jī)Ui（i=1，2，…，I）進(jìn)行定位，如圖1所示。這些參考節(jié)點(diǎn)可以是其他無人機(jī)、基站或接入點(diǎn)等，并且能夠獲取自己的準(zhǔn)確位置和時(shí)鐘同步的自校準(zhǔn)信息。無人機(jī)的位置信息表示為式(1)，參考節(jié)點(diǎn)位置信息可表示為式(2)，其中n表示時(shí)間戳。無人機(jī)Ui與參考點(diǎn)Rj的距離表示為式(3)。

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1.2 距離估算

    距離估算是通過應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法實(shí)現(xiàn)，根據(jù)式(3)，無人機(jī)Ui與參考點(diǎn)Rj的距離可建模型為：

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2 碰撞偵測

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    無人機(jī)的安全區(qū)域通常保持固定不變。如果一對(duì)無人機(jī)之間的距離信息完全準(zhǔn)確，碰撞預(yù)警能準(zhǔn)確地觸發(fā)，在理想條件下安全區(qū)域半徑可表示為：

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3 碰撞避免

    這里以兩臺(tái)無人機(jī)碰撞的案例分析其控制規(guī)則。無人機(jī)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可描述為式(22)，式中vi(n)是每個(gè)時(shí)間戳的速率。

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4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 安全區(qū)域與碰撞

    此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無人機(jī)的安全區(qū)域半徑和碰撞概率之間的關(guān)系。設(shè)每臺(tái)無人機(jī)安全區(qū)域的半徑為S(式(21))，兩臺(tái)無人機(jī)以最大10 m/s的相對(duì)速度相向飛行，以80%的置信水平分別在不大于4 m和16 m的距離估算誤差基礎(chǔ)上進(jìn)行了十萬次的獨(dú)立測試。

    從圖4可知，在相同估算誤差的情況下，安全區(qū)域的半徑對(duì)無人機(jī)的碰撞概率起決定性作用，半徑越大，碰撞概率越低。在半徑足夠大的情況下，執(zhí)行多次估算能提高整體精度。從距離估算誤差不大于4 m的測試數(shù)據(jù)曲線觀測得,如果安全區(qū)的半徑為118 m，碰撞的概率是10-5。這個(gè)概率值在距離估算誤差不大于16 m的測試情況下，安全區(qū)域的半徑需達(dá)到220 m。如果使用式(21)以10-5的碰撞概率計(jì)算，按以上兩種測試情況分別獲得安全區(qū)半徑為120 m和240 m。安全區(qū)域的理論計(jì)算(式(21))與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，基本能夠保證安全要求。

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4.2 碰撞檢測與避免

    此實(shí)驗(yàn)對(duì)上文所述的避碰算法進(jìn)行測試。設(shè)置兩臺(tái)無人機(jī)同時(shí)工作，飛行路線隨機(jī)生成并加入估算噪聲，此飛行路線相對(duì)實(shí)際路線極不規(guī)則。根據(jù)估算的位置信息計(jì)算這兩臺(tái)無人機(jī)之間的距離。設(shè)安全區(qū)半徑為120 m，以80%的置信水平在不大于4 m的距離估算誤差值的基礎(chǔ)上進(jìn)行測試。如果估算距離小于這個(gè)半徑，運(yùn)用上述修正規(guī)則修改飛行路線，直到獲得一個(gè)安全的路線。圖5顯示了無人機(jī)1和無人機(jī)2的路線。它們之間的距離在大多數(shù)時(shí)候都小于安全區(qū)域(如圖6所示)。應(yīng)用正交規(guī)則后，無人機(jī)2的飛行路線改變，新的距離大于或等于安全區(qū)域半徑，這證明了該路線修正規(guī)則的有效性。

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5 結(jié)論

    本文研究無人機(jī)群的碰撞檢測和避碰策略。通過接收信號(hào)強(qiáng)度定位估算提供位置信息并計(jì)算碰撞概率，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此避碰策略的有效性，使無人機(jī)飛行得到更安全的保障。

參考文獻(xiàn)

[1] WEISS A.On the accuracy of a cellular location system based on RSS measurements[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2003，52(6)：1508-1518.

[2] GOLDEN S，BATEMAN S.Sensor measurements for wi-fi location with emphasis on time-of-arrival ranging[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2007，6(10)：185-1198.

[3] PATWARI N，HERO A O，PERKINS M，et al.Relative location estimation in wireless sensor[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2003，51(8)：2137-2148.

[4] 楊潤豐，駱春波，張智聰，等．基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的無人機(jī)定位[J]．電訊技術(shù)，2016，56(1)：60－66．

[5] ALIZADEH P，CHEVALEYRE Y，ZUCKER J D.Approximate regret based elicitation in Markov decision process[C].Proceedings of 2015 IEEE International Conference on Research，Innovation, and Vision for the Future(RIVF)，Can Tho，Vietnam，IEEE 2015，2015.



作者信息:

楊潤豐1，駱春波2

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，廣東 東莞523808；2.英國?？巳卮髮W(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，英國EX4 4QF）

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