一種基於電磁地圖的無人機目標搜索方法和系統
2024-04-12 04:25:05
1.本發明屬於無人機技術領域，尤其涉及一種基於電磁地圖的無人機目標搜索方法和系統。
背景技術：
2.目前，傳統的目標定位和搜索通常是通過在靜態基站上處理接收到的無線信號來實現的。無人機(uav)作為一種新興的技術和工具，在目標定位和搜索的應用中受到越來越多的關注。無人機作為動態接收機，在基於無線信號的目標定位和搜索方面比傳統的靜態基站具有兩大優勢。一個優點是，無人機在每次目標定位估計後都可以向估計的目標坐標移動，大概率無人機將變得更接近目標，這將導致在下一次定位過程中有一個更佳的信噪比(snr)從而使得定位更加準確。另一個優點是，無人機最終可能會到達目標所在的坐標，並驗證估計的目標位置，而這不能通過使用傳統的靜態站來實現。
3.接收信號強度(rss)與到達時間(toa)、到達時差(tdoa)、到達角度(aoa)等其他測量方法相比，由於其成本低、能耗低、硬體要求簡單，因此被廣泛應用於定位。然而，rss的缺點是，無線電傳播可能會受到陸地布局的嚴重影響。因此，假設簡單的自由空間傳播模型可能會導致定位精度較差和目標搜索失敗，特別是對於地形高度複雜的地區，如山區。
4.電磁地圖可以從真實世界的地形數據中生成，它是對無線電傳播的一種更精確的描述。電磁頻譜地圖構建的質量由監測數據和構建方法兩者共同決定，前者由mcds的測量精度、布設數量和布設位置所決定，後者由相應算法的性能所決定。電磁頻譜地圖構建方法一般可分為空間插值構建法、參數構建法和混合構建法。空間插值構建法只需要mcds採集的電磁環境監測數據參與估計即可獲得構建結果。對於參數構建法，除監測數據之外，還需要利用相關先驗信息，如發射機信息和傳播模型。而混合構建法則是空間插值構建法和參數構建法的結合。總結來說，現有的生成電磁地圖的方法有如下幾種：一種被稱為測量採集，它需要大量的測量樣本來構建電磁地圖。另一種是無模型的方法，它使用機器學習從相對較少的測量樣本中構建地圖。第三種方法是基於模型的方法，利用無線電傳播模型和地形數據來估計電磁地圖。這裡值得一提的是，商業電磁地圖工具大多基於無線電傳播模型和地形數據。電磁地圖已被用於新興的無人機應用，如電磁地圖輔助無人機軌跡規劃，電磁地圖輔助無人機定位優化。而無人機的目標搜索有許多實際應用，如偵察、救援場景中的丟失目標搜索、野生動物保護場景中的動物跟蹤等。
5.通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：
6.現有的目標定位和搜索方法沒有很好的利用搜索區域的地形信息，難以重建和應用高精度的電磁地圖輔助目標搜索，難以滿足對目標搜索精度的要求。
技術實現要素：
7.針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種基於電磁地圖的無人機目標搜索方法和系統。
8.本發明是這樣實現的，一種基於電磁地圖的無人機目標搜索方法包括：
9.第一步，利用無人機端搭載的無線信號接收元件接收來自目標的射頻信號；
10.第二步，使用地形信息、場景參數以及第一步接收到的射頻信號強度，通過電磁波傳播理論構建電磁地圖；
11.第三步，根據第二步所得到的電磁地圖，通過最小均方誤差估計方法估計出準確的目標位置坐標；
12.第四步，控制無人機飛向指定的位置坐標；
13.第五步，不斷重複上述步驟直至無人機飛至目標上空(搜索成功)或未發現目標(搜索失敗)。
14.進一步，所述第二步中的電磁地圖構建中，通過無人機端接收到的信號強度，以及搜索場景參數和真實地形信息，應用longley-rice傳播模型，構建電磁地圖。
15.進一步，所述接收到的信號強度，搜索場景參數和真實地形信息中，搜索區域為
[0016][0017]
接收信號強度為γ
1：n，k
＝{γ
n，k，n
＝1，...，n}，其中，來自第n個無人機的接收信號強度為強度為是信道增益，s是來自目標的信號，v
n，k
是為均值為0，方差為σ2的加性高斯白噪聲；
[0018]
地形信息tgra，即搜索區域的地形、信號的頻率，以及該區域的氣候、天線的極化、靠近地面的大氣折射率、地面的電導率和地面的相對介電常數。
[0019]
進一步，所述地形信息tgra從全球多解析度地形高程數據獲得。
[0020]
進一步，基於地形信息的電磁地圖生成方法為：電磁地圖的元素用friis路徑損耗方程來計算其中，g
t
為發射機增益，gm為接收機增益，ω是在地形tgra的前提下，接收機信號到達接收機時信號衰減的路徑損失。
[0021]
進一步，在路徑損耗的計算中，採用longley-rice(lr)信號傳播模型，給定搜索區域中的任意兩個坐標，通過公式
[0022][0023]
其中，ω
free
是自由空間傳播路徑損失，d是無人機到目標的路徑距離，d
rl
是地面距離，是los傳播和衍射傳播的邊界點，d
dl
是衍射損失等於散射損失的邊界點，ω
rl
、ω
dl
和ω
sl
是los的增益，衍射和散射，md和ms是衍射和散射係數，n1和n2是傳播路徑損失的係數。
[0024]
進一步，所述第三步通過最小均方誤差估計方法估計出準確的目標位置坐標中，所述目標位置坐標通過以下公式估計得到：
[0025][0026]
其中，是目標的最小均方誤差估計位置，a和b為所選搜索區域的範圍，n∈n是所有n個無人機中的第n個，是第k時刻第n個無人機所對應的位於{i，j}坐標處的電磁地圖的元素，r
n，k
是第k時刻第n個無人機的接收信號強度，σ是場景內高斯噪聲的方差大小，q(
·
)是marcumq-函數，x
i，j
是位於{i，j}的坐標。
[0027]
本發明的另一目的在於提供一種計算機設備，所述計算機設備包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有電腦程式，所述電腦程式被所述處理器執行時，使得所述處理器執行所述的基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的步驟。
[0028]
本發明的另一目的在於提供一種計算機可讀存儲介質，存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時，使得所述處理器執行所述的基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的步驟。
[0029]
本發明的另一目的在於提供一種基於電磁地圖的無人機目標搜索系統，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索系統包括：
[0030]
射頻信號接收模塊，用於利用無人機端搭載的無線信號接收元件接收來自目標的射頻信號；
[0031]
電磁地圖構建模塊，用於使用地形信息、場景參數以及第一步接收到的射頻信號強度，通過電磁波傳播理論構建電磁地圖；
[0032]
目標位置估計模塊，用於根據得到的電磁地圖，通過最小均方誤差估計方法估計出準確的目標位置坐標，並控制無人機飛向指定的位置坐標。
[0033]
結合上述的技術方案和解決的技術問題，本發明所要保護的技術方案所具備的優點及積極效果為：
[0034]
第一、針對上述現有技術存在的技術問題以及解決該問題的難度，緊密結合本發明的所要保護的技術方案以及研發過程中結果和數據等，詳細、深刻地分析本發明技術方案如何解決的技術問題，解決問題之後帶來的一些具備創造性的技術效果。具體描述如下：
[0035]
本發明提出了一種基於真實世界的地形數據生成的電磁地圖輔助的多無人機目標定位和搜索的方法和系統。該方法通過無人機端接收信號強度(rss)的低成本、低能耗的硬體需求，充分利用了先驗的豐富真實地形信息，實現了對射頻目標的準確定位和搜索，準確度高且時間效率顯著優於不使用電磁地圖的算法
[0036]
本發明提出了關於目標定位的最小均方誤差估計方法。該方法顯著優於現有的目標定位所使用的三點定位等方法。
[0037]
第二，把技術方案看做一個整體或者從產品的角度，本發明所要保護的技術方案具備的技術效果和優點，具體描述如下：
[0038]
本發明通過無人機端接收信號強度(rss)的低成本、低能耗的硬體需求，充分利用了先驗的豐富真實地形信息，實現了對射頻目標的準確定位和搜索，準確度高且時間效率
顯著優於不使用電磁地圖的算法。
[0039]
第三，作為本發明的權利要求的創造性輔助證據，還體現在以下幾個重要方面：
[0040]
本發明的技術方案填補了國內外業內技術空白：
[0041]
本發明的技術方案是國內外首個利用地形信息生成的電磁地圖進行無人機射頻目標搜索的系統，填補了該領域的技術空白。電磁地圖的應用極大地提高了無人機目標搜索的性能，為複雜地形環境下無人機射頻目標搜索提供了新的解決方案。
附圖說明
[0042]
圖1是本發明實施例提供的基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的流程圖；
[0043]
圖2是本發明實施例提供的基於電磁地圖的無人機目標搜索系統示意圖；
[0044]
圖2中的(a)為在地形圖上的系統示意圖；圖2中的(b)為在電磁地圖上的系統示意圖；
[0045]
圖3是本發明實施例提供的電磁地圖生成示意圖；
[0046]
圖3中的(a)為搜索區域的衛星地圖；圖3中的(b)為搜索區域的拓撲地圖；圖3中的(c)為從搜索目標視角生成的電磁地圖；圖3中的(d)為從無人機1視角生成的電磁地圖；圖3中的(e)為從無人機2視角生成的電磁地圖；圖3中的(f)為從無人機3視角生成的電磁地圖；
[0047]
圖4是本發明實施例提供的最小均方誤差估計方法示意圖；
[0048]
圖5是本發明實施例提供的採用不同無人機數量進行目標搜索的效果圖；
[0049]
圖6是本發明實施例提供的採用不同無人機數量進行目標搜索的定位均方誤差對比圖；
[0050]
圖7是本發明實施例提供的採用不同無人機數量進行目標搜索的無人機到目標距離對比圖；
[0051]
圖8是本發明實施例提供的採用不同方法進行目標搜索的效果圖；
[0052]
圖9是本發明實施例提供的採用不同方法進行目標搜索的定位均方誤差對比圖；
[0053]
圖10是本發明實施例提供的採用不同方法進行目標搜索的無人機到目標距離對比圖。
具體實施方式
[0054]
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0055]
一、解釋說明實施例。為了使本領域技術人員充分了解本發明如何具體實現，該部分是對權利要求技術方案進行展開說明的解釋說明實施例。
[0056]
如圖1所示，本發明實施例提供的一種基於電磁地圖的無人機目標搜索方法包括：
[0057]
s101，利用無人機端搭載的無線信號接收元件接收來自目標的射頻信號；
[0058]
s102，使用地形信息、場景參數以及接收到的射頻信號強度，通過電磁波傳播理論構建電磁地圖；
[0059]
s103，根據所得到的電磁地圖，通過最小均方誤差估計方法估計出準確的目標位置坐標；
[0060]
s104，控制無人機飛向指定的位置坐標；
[0061]
s105，不斷重複上述步驟直至無人機飛至目標上空(搜索成功)或未發現目標(搜索失敗)。
[0062]
如圖2所示，本發明實施例提供的基於電磁地圖的無人機目標搜索方法中，有n個無人機正在搜索正在發射射頻信號的目標。所述搜索區域為正方形，它被分為a
×
b個網格，第{i，j}個網格中心坐標被定義為x
i，j
，其中，x
i，j
∈{(-90
°
，90
°
)，(-180
°
，180
°
)}是經度和緯度的範圍，a是對經度的分割數量，b是對緯度的分割數量；此外，在時間點k，對於第n個無人機的電磁地圖可以被給出其中，若目標在x
i，j
位置發射單位信號，是在時間點k第n個無人機的接收信號強度。接收信號強度為γ
1：n，k
＝{γ
n，k，n
＝1，...，n}，其中，來自第n個無人機的接收信號強度為個無人機的接收信號強度為是信道增益，s是來自目標的信號，v
n，k
是為均值為0，方差為σ2的加性高斯白噪聲。此時，目標坐標y可以被估計為接著，無人機朝向估計的坐標飛行，在下一個時間點k+1無人機的位置將會被更新為o(
·
)是無人機位置更新函數。如果其中一架無人機與估計目標定位之間的距離足夠小，或者達到了允許的最大搜索時間，則停止搜索。
[0063]
本發明實施例涉及的電磁地圖含義為：是一種是對無線電傳播的精確描述的地圖，它可以是信號強度、信幹噪比等，可以由真實世界的地形數據通過特殊方法生成，如直接測量、信道建模、機器學習擬合。在本發明中，所述電磁地圖使用的是經過信道建模的信號強度地圖。
[0064]
如圖3所示，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的實施例中，展示了一個由來自中國陝西省太平國家森林公園的真實世界地形數據生成的longley-rice傳播模型生成的無線電地圖的例子。電磁地圖的元素可以用friis路徑損耗(以db為單位)方程來計算其中，g
t
為發射機增益，gm為接收機增益，ω是路徑損失，它是在地形tgra的前提下，接收機信號到達接收機時信號衰減的路徑損失。在路徑損耗的計算中，採用longley-rice(lr)信號傳播模型，該模型已廣泛應用於不規則和複雜地形模型(itm)的路徑損失。給定搜索區域中的任意兩個坐標，通過公式其中，ω
free
是自由空間傳播路徑損失，d是無人機到目標的路徑距離，d
rl
是地面距離，是los傳播和衍射傳播的邊界點，d
dl
是衍射損失等於散射損失的邊界點，ω
rl
、ω
dl
和ω
sl
是los的增益，衍射和散射，md和ms是衍射和散射係數，n1和n2是傳播路徑損失的係數。上述參數取決於tgra，即搜索區域的地形、
信號的頻率，以及該區域的氣候、天線的極化、靠近地面的大氣折射率、地面的電導率和地面的相對介電常數。地形數據tgra，可以從全球多解析度地形高程數據(gmted2010)獲得，利用matlab天線工具箱射頻傳播，可以獲得ω
lr
(tgra)和最終可以獲得無線電地圖m
n，k
。
[0065]
如圖4所示，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的實施例中，說明了一個應用單一無人機進行最小均方誤差估計的過程。對於每架無人機，計算目標在地圖上的概率分布，通過結合所有分布，得到目標在地圖上的聯合分布。最後，利用聯合分布，可以計算出目標坐標的最小均方誤差估計值。最小均方誤差估計器的基本形式為：在時刻k，目標位置的最小均方誤差估計形式為基於貝葉斯理論，目標位置後驗概率我們假定先驗的目標位置y為均勻分布，即由於p(γ
1：n，k
＝r
1：n，k
)和y獨立，前述無人機接收噪聲服從復高斯分布v
n，k
～cn(0，σ2)，則服從萊斯分布，因此，q(
·
)是marcum q-函數。因此，所述關於目標位置的後驗概率為
[0066][0067]
其中，α是歸一化常數，即
[0068]
因此，所述關於目標位置的最小均方誤差估計為：
[0069][0070]
如圖5所示，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的實施例中，展示了本發明所提出的方法進行不同數量無人機搜索目標的軌跡。考慮了一架無人機、兩架無人機、三架無人機和四架無人機的情況。在模擬中，搜索通過使用兩個或更多的無人機最終可以找到目標，這表明更多的無人機提供更有效的搜索。而對於只使用了一架無人機的情況，最終無法找到目標。以上觀察結果與我們的直覺一致，很明顯，該算法適用於目標搜索。
[0071]
二、應用實施例。為了證明本發明的技術方案的創造性和技術價值，該部分是對權利要求技術方案進行具體產品上或相關技術上的應用實施例。
[0072]
應當注意，本發明的實施方式可以通過硬體、軟體或者軟體和硬體的結合來實現。硬體部分可以利用專用邏輯來實現；軟體部分可以存儲在存儲器中，由適當的指令執行系統，例如微處理器或者專用設計硬體來執行。本領域的普通技術人員可以理解上述的設備和方法可以使用計算機可執行指令和/或包含在處理器控制代碼中來實現，例如在諸如磁碟、cd或dvd-rom的載體介質、諸如只讀存儲器(固件)的可編程的存儲器或者諸如光學或電子信號載體的數據載體上提供了這樣的代碼。本發明的設備及其模塊可以由諸如超大規模集成電路或門陣列、諸如邏輯晶片、電晶體等的半導體、或者諸如現場可編程門陣列、可編程邏輯設備等的可編程硬體設備的硬體電路實現，也可以用由各種類型的處理器執行的軟體實現，也可以由上述硬體電路和軟體的結合例如固件來實現。
[0073]
三、實施例相關效果的證據。本發明實施例在研發或者使用過程中取得了一些積極效果，和現有技術相比的確具備很大的優勢，下面內容結合試驗過程的數據、圖表等進行描述。
[0074]
如圖6所示，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的實施例中，展示了本發明所提出的方法進行不同數量無人機搜索目標的定位均方誤差。除了只使用一架無人機的情況外，對於其他三種情況，均方誤差收斂於零，收斂速度取決於所使用的無人機的數量，即更多數量的無人機會帶來更快的搜索效果。
[0075]
如圖7所示，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的實施例中，展示了本發明所提出的方法進行不同數量無人機搜索目標的無人機到目標的平均距離，結果與圖6中的定位均方誤差的結果一致。
[0076]
如圖8所示，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的實施例中，展示了三架無人機採用不同的方法進行搜索目標的軌跡。本發明所提出的方法和電磁地圖輔助的三點定位方法最終都能找到目標，而其他兩種算法最終都無法找到目標。此外，本發明所提出的方法在尋找目標的時間要少得多。
[0077]
如圖9所示，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的實施例中，展示了三架無人機採用不同的方法進行搜索目標的定位均方誤差。本發明所提出的方法和電磁地圖輔助的三點定位方法的定位均方誤差，隨著時間的推移最終都收斂為零，其他兩種算法都未能找到目標。此外，該算法的均方誤差收斂速度更快。
[0078]
如圖10所示，所述基於電磁地圖的無人機目標搜索方法的實施例中，展示了三架無人機採用不同的方法進行搜索目標的無人機到目標的平均距離，結果與圖9中的定位均方誤差的結果一致。
[0079]
綜上所述，無人機作為一種動態接收機，在目標定位和搜索方面比傳統基站具有優勢。此外，電磁地圖生成過程所用的真實拓撲數據可以提供更精確的無線電傳播建模。本發明提出了基於電磁地圖輔助的多無人機目標搜索方法。我們建模了這個問題，並推導出了它的最小均方誤差估計器。我們從一個山區的真實世界的地形拓撲數據中生成了電磁地圖，其中無線電傳播過程中的路徑損耗高度複雜，並在各種場景和設置下進行了模擬和仿真。仿真結果表明，在電磁地圖的輔助下，可以顯著提高多無人機目標搜索的性能。此外，推導出的最小均方誤差估計器在定位精度方面是最優的。
[0080]
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，凡在本發明的精神和原則之內所
作的任何修改、等同替換和改進等，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。