SHcednc小型无人机进入灾害现场侦测灾害情况分析(组图)

上海赛德

矿山灾害频发,严重威胁人民群众生命财产安全。由于地下环境特殊,灾害伴随着毒气、高温、大雾、二次爆炸等危险。救援人员冲入灾区,他们的生命将受到威胁。为了解决这个问题,许多专家对井下探测救援机器人进行了研究。但矿难后,地下路况复杂,行走不便。为了快速抢救灾民,最大程度保障救援人员的安全,利用微型无人机进入灾区探测灾情是最方便快捷的方式。. 因为旋翼无人机可以垂直升空、悬停在空中、侧飞和倒飞,再加上其体积小、成本低、结构简单、可维护性和可控性好,选择微旋翼无人机作为探测载体对地下环境进行探测。上海赛德

由于无人机可以深入到浓烟、高温、浓雾、有毒、突变等空间,飞行员无法在复杂环境下根据首视视频操作无人机,飞行员无法完成单独无人机操作。无人机需要能够自主飞行并带回现场检测数据。为了避免无人机在执行任务过程中发生碰撞和轰炸的危险,无人机需要在动态环境中自主完成飞行和侦察任务。上海赛德

因此,利用飞行环境中的地磁场信息结合无人机的惯性导航系统对无人机进行定位可能是一种解决方案。上海赛德

国外无人机轨迹规划研究现状 SHcednc

A*算法是一种较好的路径搜索算法,在无人机轨迹规划中也有广泛的应用。在 1960 年代,Halt 等人。提出了一种启发式搜索算法,即 A* 算法,该算法随后被广泛用于轨迹规划。1995年,Stentz在A*算法的基础上提出了用于动态环境中轨迹规划的A*算法,即D*算法。该算法虽然动态规划速度快,但需要提前规划参考轨迹。2000 年,Szczerba 等人。提出在A*算法中加入约束,以解决A*算法计算复杂和扩展点多的问题。此时只针对二维环境,算法不用于三维环境,不考虑动态约束。2009 年,Lim 等人。提出了一种新的制导律,使用A*算法根据不同的代价函数进行轨迹规划。2011 年,董等人。提出了一种结合虚拟力和A*算法的混合算法,使路径规划更简单、更可靠。2014 年,林等人。针对旋翼无人机的特点,提出以角位移为标准改进A*算法的轨迹规划,规划效果良好。2015 年,Tsai 等人。针对旋翼无人机的特点,提出了一种快速扩展的随机树算法,并结合A*算法进行分层航迹规划,解决了算法中冗余点过多的问题。同时,为了降低能源成本,改进算法。A*算法的代价函数以轨迹方向为主要指标。上海赛德

为了提高轨迹规划的速度和实时性,还研究了不同的规划算法。1996 年,Michalewicz 等人。介绍了轨迹规划问题的遗传算法,改进了编码方法,利用浮点数对要解决的问题进行编码,提高了算法的效率。2004 年,Vagners 提出用竞争规则的思想对遗传算法进行改进,以解决经典遗传算法的不足。2012 年常用的无线传感器网络aoa定位方法原理,Roberge 等人。首先将威胁信息的等效潜在高程数据按照网格法组合成原始地形数据,最后利用遗传算法结合粒子算法完成迭代计算,直至规划出最优飞行路径。2013年,Nuri Ozalp等人将进化思想引入遗传算法规划飞行路径,取得了不错的效果。2013 年,耿等人。在粒子群算法中引入收缩因子和学习因子,提出了一种混合粒子群算法进行轨迹规划,以提高算法的性能平衡和收敛速度。上海赛德 并提出了一种用于轨迹规划的混合粒子群算法,以提高算法的性能平衡和收敛速度。上海赛德 并提出了一种用于轨迹规划的混合粒子群算法,以提高算法的性能平衡和收敛速度。上海赛德

国内无人机轨迹规划研究现状SHcednc

国内的轨迹规划起步较晚,但研究成果依然丰富。A*算法因其最优性而被广泛用于轨迹规划。2005年,周成平在轨迹规划过程中加入了约束,以减少扩展点,提高了A*算法的效率,但考虑的约束并不全面。2009 年,丁明月等。提出了3D稀疏A*算法,充分利用了规划环境的3D信息,可以更好地避开威胁和障碍物。2013年,根据3D环境信息的特点,张俊峰等。在轨迹规划中选择了稀疏A*算法,并对其节点扩展模型进行了相关改进,对目标点的入射角约束采用反向搜索法,并采用围绕点局部展开的方法解决发射段方向问题,规划效果较好。2014年,健康提出了一种快速A*算法,解决了传统A*算法中搜索节点过多,将单位限制在扇形区域内,只需要扩大扇形区域边界即可搜索的问题常用的无线传感器网络aoa定位方法原理,从而缩短搜索时间。时间并将该方法应用于 3D 环境。2014年,张东浩基于D*算法的二次规划特性,利用混合算法解决复杂环境下的路线规划问题。而在目标位置的环境中,运用层次分析法和DS证据理论来判断遇到的威胁强度能否成为本次行动的目标。2016年,刘群芳等。提出进化算法的思想,将文化算法①与稀疏A*算法相结合,利用文化算法对稀疏A*算法规划的路径进行修正,使轨迹规划更加可靠。上海赛德

文化算法是Robert G. Reynolds在1994年提出的一种两层进化机制。文化是一个知识库,人们在其中存储着以前的经验,让后代可以在没有直接经验的情况下在知识库中学习经验知识。. 上海赛德

许多专家研究了不同的规划算法。2011年,胡中华将蚁群算法和蜂群算法结合起来规划轨迹,同时在传统蚁群算法的基础上增加了引导因子,使规划速度更快。2014年,辛培源提出的无人机轨迹规划方法对三维空间进行网格化处理,结合自身约束和规划空间约束,提高了路径搜索效率。上海赛德

随着执行工作的多样化,无人机逐渐向小型化方向发展,小型无人机的轨迹规划问题也越来越受到关注。2013年,刘莉等人。研究了小型无人机的快速路径规划问题。在序列规划思想的基础上,通过粒子群优化算法实现全局参考航迹的规划和选择,并在在线航迹修正时选择改进。稀疏A*算法完成。对于三维飞行环境,采用分层规划的方法来提高算法的效率。它分为平面和高度规划,最后将两者结合成三维。2014年,何宇峰等人研究了微型旋翼无人机的室内路径规划。2015年,方旭等人。讨论了小西宣仪无人机在三维环境下的航线规划与跟踪控制,并采用人工势场法规划无人机的三维轨迹。振动问题提出了联合威胁的概念。2016年,姜海勇等人研究了小型多旋翼无人机的辅助避障技术。上海赛德

图片[1]-SHcednc小型无人机进入灾害现场侦测灾害情况分析(组图)-老王博客

国外定位技术研究现状SHcednc

为了解决复杂未知环境下定位精度低的问题,国外学者提出了多种定位算法并进行了改进。2007 年,Abramuich 等人。基于卡尔曼滤波和隐马尔可夫模型对AOA/TOA/TDOA等定位方法进行分析和集成,测量复杂环境下的定位信息,降低定位误差。提出了一种可以动态调整定位结果的无线传感器网络算法。该算法根据待测点和已知节点的若干个接收信号强度指示(RSSI)值得到待测点的环境参数,然后输入参数。在定位节点测距模型中,最终得到精度更高的定位结果,但如果待检测节点的RSS值与已知节点相等,则无法确定待检测点的环境参数,影响定位精度。上海赛德

质心算法是布鲁速提出的经典定位算法,许多专家对该算法进行了改进。2011年Palo比较分析了基于相对广度指数的加权质心定位算法和经典的加权质心定位算法的特点,并在此基础上建立了理论框架,提出了解决电磁信号在传播过程。并且准确性得到了提高。2014 年,赵等人。根据三边定位算法的原理对质心定位算法进行了优化改进,在不再一条线上选取四个信标点组成一个四边形。找到它的质心坐标,并使用质心定位算法,加权平均后得到更高精度的坐标信息。上海赛德

国外很多专家对指纹定位算法进行了讨论,并做出了相应的改进。2008 年,Saxena 等人。对指纹数据的获取、指纹数据库的建立、待测节点的估计等进行了详细的讨论,并通过邻近算法对数据库进行了修正。2010 年,Jain 等人。研究了机器人室内定位算法,首先采集机器人当前位置的RSSI值,然后根据建立的数据库进行匹配,最后利用定位估计的方法确定机器人的室内位置。该算法可以减少定位环境的局部变化。曹政定位错误。上海赛德

地磁定位技术是一种新兴的不需要接受外部信息的导航定位方法。它是一种可应用于潜艇、地下等环境的主动定位方法,因此越来越受到国外专家学者的关注。1960 年代中期,美国 E-Systems 公司通过收集地磁异常数据并以此为基础制作地磁参考图,开发了 MAGCOM(Magnetic Contour Matching)系统。1970年代,美国海军成功完成了该系统的离线实验。1968年,英国有关专家学者对组合导航算法进行了研究。在地磁参考图的基础上,通过现场数据测量,再与参考图中的位置进行匹配,获得了较好的定位效果。1975年,前苏联公司Ramenskoye根据现有实测地磁数据验证了MAGCOM导航定位算法的可行性。1980年,瑞典隆德研究所完成了海上地磁定位实验。考虑到船舶自身磁场的影响,通过将实测数据与地磁序列数据库进行匹配来确定船舶位置。1990年代以后,地磁点高位导航领域逐渐扩大,美国波音公司将全球地磁模型研制的地磁导航设备应用到该公司的飞机上。上海赛德 前苏联公司Ramenskoye根据现有实测地磁数据验证了MAGCOM导航定位算法的可行性。1980年,瑞典隆德研究所完成了海上地磁定位实验。考虑到船舶自身磁场的影响,通过将实测数据与地磁序列数据库进行匹配来确定船舶位置。1990年代以后,地磁点高位导航领域逐渐扩大,美国波音公司将全球地磁模型研制的地磁导航设备应用到该公司的飞机上。上海赛德 前苏联公司Ramenskoye根据现有实测地磁数据验证了MAGCOM导航定位算法的可行性。1980年,瑞典隆德研究所完成了海上地磁定位实验。考虑到船舶自身磁场的影响,通过将实测数据与地磁序列数据库进行匹配来确定船舶位置。1990年代以后,地磁点高位导航领域逐渐扩大,美国波音公司将全球地磁模型研制的地磁导航设备应用到该公司的飞机上。上海赛德 瑞典隆德研究所完成了海上地磁定位实验。考虑到船舶自身磁场的影响,通过将实测数据与地磁序列数据库进行匹配来确定船舶位置。1990年代以后,地磁点高位导航领域逐渐扩大,美国波音公司将全球地磁模型研制的地磁导航设备应用到该公司的飞机上。上海赛德 瑞典隆德研究所完成了海上地磁定位实验。考虑到船舶自身磁场的影响,通过将实测数据与地磁序列数据库进行匹配来确定船舶位置。1990年代以后,地磁点高位导航领域逐渐扩大,美国波音公司将全球地磁模型研制的地磁导航设备应用到该公司的飞机上。上海赛德 美国波音公司将全球地磁模型开发的地磁导航设备应用到该公司的飞机上。上海赛德 美国波音公司将全球地磁模型开发的地磁导航设备应用到该公司的飞机上。上海赛德

由于地磁子束技术的快速发展,大量的研究机构开始研究地磁技术。2003年,美国国防部将地磁导航技术列为重点研究技术,其研制的单一地磁定位系统精度已达到30-50m。2006年,Goldenberg研究了将地磁导航应用到无人机上的可能性,通过将实时测量的地磁数据与地磁库进行匹配,获得了更好的定位效果。2009年,日本相关专家学者开展了无人机潜艇定位研究,将地磁数据库与等深线相结合,进行了水下模拟实验,实验结果较为理想。2010 年,B. 来自爱达荷大学的 Armstrong 研究了基于扩展卡尔曼滤波技术的地磁定位算法,并进行了仿真实验。仿真结果表明该算法具有一定的可行性。2011 年,哈维宁等人。研究井下磁异常并将其应用于定位,分析了封闭环境下地磁定位的可行性。上海赛德

国内定位技术研究现状

国内许多专家学者在定位过程中提出了一些基于测距的新定位算法,以提高定位精度。2009年,张建武等人提出了低成本。基于低功耗RSSI的定位方法不需要额外的硬件设备,但RSSI值对环境敏感,因此算法的定位精度降低。2012年,姚云全等人研究了地下环境中载波接收电磁波的特性,并在此基础上通过信息融合技术构建幅频矢量,然后进行模式匹配和马尔可夫滤波,完成地下定位方法。马尔可夫滤波匹配,最终定位精度小于2m。于慧霞详细分析了经典质心算法,并在此基础上改进了RSSI加权质心算法的RSSI值校正方法,同时采用倒数距离之和作为权重,提高了定位精度。2013年,韩东升等。根据井下环境特点改进RSSIDE加权质心算法,根据定位环境中实时采集的路径衰落指数计算路径损耗,并结合加权质心定位算法提高适应性和定位精度的算法。2013年,李进分析了基于地下环境的支持向量机算法,并在此基础上改进了指纹定位方法。在指纹库构建阶段,对数据进行预处理,提出奇异数据点以减少定位误差。2014年,郭银静等。研究了DV-Hop算法。根据幅频矢量匹配原理,对算法进行了改进。首先采用DV-Hop算法得到初始定位区域,然后搜索该区域内信标节点的幅频矢量。将该值与数据库中的数据进行匹配,最终确定待测点的位置。2014年,卢文宏等。基于SVM分类方法,改进指纹定位算法,计算测量奇异值去除定位信息的动态图像,并得到数据库匹配后目标的位置。2015年,董军对质心定位算法进行了研究,等效采用RSSI值作为权重因子。根据计算的待测范围路径衰减参数,通过最优距离确定待测电的作用半径,改进了定位过程。精确。2015年,孙宏宇等。研究分析了地下指纹定位算法,进一步将定位精度提高到2m。该算法虽然定位效果好、精度高,但大多没有考虑复杂的地下电磁环境和电磁波的传播环境。这些因素往往对定位产生更大的影响。2015年,张扬勇对ZigBee无线传感器网络进行了研究,结合RSSI定位算法,通过平均值模型和高斯滤波器的功能,提高了无线传感器网络的性能。算法抵抗多径效应的能力,算法通过信标权重值确定最优的信标点,进一步提高了算法的定位精度。上海赛德 该算法通过信标权重值确定最佳信标点,进一步提高了算法的定位精度。上海赛德 该算法通过信标权重值确定最佳信标点,进一步提高了算法的定位精度。上海赛德

地磁定位由于其被动性、独特性和良好的隐蔽性,逐渐成为国内导航定位技术研究的热点。虽然国内对地磁导航的重视程度越来越高,但总体水平仍低于世界水平。2007年,杨云涛等人对地磁导航进行了深入研究,实验发现地磁导航具有很强的鲁棒性和稳定性。2009 年,蔡红等人。将卡尔曼滤波器应用于地磁导航,研究了不同的卡尔曼滤波器,发现无损卡尔曼滤波器的性能更好。2010 年,郭庆等。研究了多维数据特征匹配算法并将其应用于地磁导航。卢云晓等。研究了地磁测量数据的信号参数,并在此基础上提出了一种基于频域相关性的地磁匹配算法。周军等人对人工神经网络技术进行了深入研究,并结合地磁匹配算法提高了定位精度和应用范围,在地磁特征较弱的环境中可以获得更好的定位效果。2011年,李明明等。针对运动体运动状态估计问题,提出了一种基于无损卡尔曼和卡尔曼的地磁匹配导航算法。2014年赵忠伟将卡尔曼滤波与传统地磁导航研究相结合,可与地磁数据库完全分离,实现自主场测导航,有效克服噪声的干扰。2015年,宋度等。分析了不同类型的地理匹配算法,并基于地磁异常,实现了机器人的自主室内定位,并通过惯性导航和地磁的结合提高了精度。2016年,常坤分析了地磁测量数据的数学特征,提出了一种基于粒子滤波的多传感器数据融合的地磁定位室内定位算法。2017年,王金华等。研究了常用的地下地磁定位技术,并提出通过对地磁数据进行分段线性插值可以提高数据的收敛性。实验发现,该算法准确率高,数据拟合度好。可完全应用于井下地磁定位。肖静等人。在地磁匹配空间和策略四个方面对算法进行了改进。仿真结果表明,有效地提高了地磁匹配的精度和速度。2018年,毛军利用迭代最近等值点算法实现了惯性导航与地磁定位相结合的技术,提出了基于模糊自适应算法的卡尔曼滤波算法。在井下采煤机定位实验中,他发现该算法可以有效克服噪声的影响,可以提高采煤机的定位精度。上海赛德

如果能够消除地下电磁场的干扰,基于惯性导航和地磁联合定位结合A*算法,实现地下无人机自主导航和自主控制是一个不错的选择。以上观点存在认知错误,敬请指正并批评指正。上海赛德

本文相关资料引用自论文《矿山微型无人机航迹规划与定位算法研究》。上海赛德

本文作者:Qi DoF,原发于知乎。上海赛德

责任编辑:ChalleySHcednc

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