DW1000在无人机集群中的应用及系统设计

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DW1000在无人机集群中的应用及系统设计

中国民航大学电子信息与自动化学院 莫浩杰

中国民航大学航空工程学院 张靖宇 马溢泽

中国民航大学电子信息与自动化学院 王启鑫

中国民航大学航空工程学院 于 宙

无人机集群技术和UWB无线定位技术都是当代热门的研究课中基站。类似的，在三台从机的中心位置也各安装了一个上述评估

题。为探究DW1000在无人机集群中的应用，建立了一个无地面基板，作为实现主从机之间测距和定位的依仗。在算法上分别采取

站的小型无人机集群系统，以STM32F411作为核心处理器，接收并TDOA和TWR算法，对比两者测距和定位精度，验证系统可行性。系

处理DW1000的数据，将处理完毕的信息发送给飞控，由飞控执行完统整体构架如图1所示。

成无人机运动控制。对比TDOA、TWR算法对于无人机之间测距和定

位的精度，验证了DW1000对于实现无人机集群化具有一定的应用价

值。

引言：随着人工智能技术和网络化通信技术的发展，无人机系统中主机与从机的硬件结构相似，主要由飞控模块和评估板

集群化越来越受到社会各界的广泛关分销业务 注，其在农业、工业以及国组成。本文旨在探究DW1000在无人机集群中的应用，重点讲述此款

防建设上的应用价值也日渐突出。DW1000作为UWB无线定位技术的评估板，对飞控模块不做赘述。系统硬件总体结构如图2所示。

产物，理论上可获得厘米级定位精度,在精确定位应用中极具潜力

（李园园，李勇，基于DW1000的室内定位系统设计与测距优化方

法，无线互联科技，2016年第21期76-78页），常被用于室内定位

等领域。本文旨在研究DW1000在无人机集群中的应用，验证DW1000

在无人机集群控制中对于无人机之间精确测距和定位的可行性和实

用性。

2 系统硬件设计

2.1 硬件总体结构

图2 系统硬件总体结构图

图1 系统整体构架图图3 评估板结构图

2.2 评估板

1 系统整体构架

本系统是为探究DW1000在无人机集群中的应用而搭建的一个模块组成。由电源管理模块提供各模块所需电源，由DW1000模块获

无地面基站的小型无人机集群系统，系统分为一台主无人机和三台取各无人机之间的直线距离、气压计模块获取各无人机当前垂直高

从无人机。在主机上三个连接机翼的桥臂下方各安装有一个包含度，将数据传输给处理器模块，由处理器模块解算出无人机的三维

DW1000的硬件模块（下文均称评估板，将在本文第2部分做详细介坐标并做出路径规划，将数据发送给飞控模块，由飞控执行无人机

绍），各模块与无人机中心位置距离相等，以此作为集群系统的空运动控制。评估板结构如图3所示。

评估板由电源管理模块、处理器模块、DW1000模块和气压计

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2.2.1 电源管理模块

系统工作的稳定性与电源电路密切相关。设计优良的电

源电路能够为系统提供稳定的电流与电压，使电子器件与设备

的使用寿命延长，并保证其工作稳定性（刘琦，沈锋，王锐，

基于UWB定位系统硬件平台设计[J/OL].电子科技,2019(10):1-

7[2019-03-06]./kcms/detail/61.1291.

.）。本电源管理模块采用4.7V锂电池

供电，由TP4054芯片给锂电池充电，该芯片是一款单节锂电池恒定

电流/恒定电压线性充电器，具有高达800mA的可编程充电电流。锂

电池经由RT9193线性稳压器产生3.3V电压，电容滤波后使得电源输

出更加平稳，供给其他模块使用，满足系统供电要求。

2.2.2 处理器模块

处理器模块是整个评估板的核心，其承担着与DW1000模块、

气压计模块和飞控模块通讯的任务，同时也是整个系统进行路径规

划的决策中心。本系统处理器的主控芯片采用意法半导体公司的

STM32F411芯片，该芯片具有带DSP和FPU的ARM Cortex-M4内核，最

高工作频率可达100MHz，拥有出生人口 512K字节的程序储存空间，极大程度

上满足了本系统的使用需求。

2.2.3 气压计模块

安装在主机上同一水平面的三个基站评估板只能确定从机在水

平面上的坐标，为获取各机三维坐标，在评估板上安装有MS5611气

压计芯片用以测量各机垂直高度。MS5611是由MEAS（瑞士）推出的

一款SPI和IC总线接口的新一代高分辨率气压传感器，分辨率可达

到10cm，满足系统精度要求。

2.2.4 DW1000模块

DecaWave的DW1000是世界上第一个单片机UWB无线收发器，它

是一个低能耗、低成本无线收发芯片,支持精度定位和同步数据传

输,定位精度可达到10cm，抗干扰能力强,在支持TOA、TDOA、TWR等

多种算法，支持6个从3.5GHz到6.5GHz射频波段,数据传输速率为

110kbps，850kbps，6.8Mbps（解延春阿米巴经营管理模式 ，唐佳，倪荣霈，许鲁宁，

基于DW1000的超宽带室内定位系统设计，数字技术与应用,2016

年第4期187-190页）。本系统中分别采用TDOA和TWR算法，通过

DW1000完成各机之间的距离测量，以此为基础获取各机定位信息，

对比实验结果，验证DW1000在无人机集群中应用的可行性。

3 评估板系统软件和算法设计

本系统无人机集群过程的实现首先需要DW1000提供的精确测距和

气压计提供的精准定高，然后由处理器执行定位算法完成各机的定

位。因此整个评估板系统软件主要包括系统初始化、测距算法、定位

算法、路径规划以及各系统模块之间的数据传输。这里主要讲述与

DW1000相关的测距和定位算法，系统软件的主要流程如下图4所示。

3.1 测距和定位算法

以主机中心即主机上三个基站的几何中心作为坐标原点，在三维

空间上建立空间坐标系，结合气压计数据，分别通过TDOA和TWR算法

计算各机空间坐标，比较二者定位精度，验证系统可行性。

3.1.1 TDOA夜泊荆溪 算法

TDOA算法是一种利用时间差进行定位的方法。通过测量信号到

达基站的时间，可以确定信号源与基站的距离。利用信号源到各个

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基站的距离(以基站为中

心，距离为半径作圆)，

就能确定信号的位置（俞

一鸣，姚远，程学虎，

TDOA定位技术和实际应用

简介，中国无线电，2013

年第11期）。TDOA算法是

对TOA算法的改进，不同

于TOA，TDOA是通过检测

信号到达各个基站的绝对

时间差，而不是通过检测

传输时间来确定信号源的

位置，降低了信号源与各

基站间的时间同步要求，

仅要求各个基站之间的时

间同步，使得测量精度大

图4 评估板系统软件主要流男生古风名字 程图

幅提高。

图5 TDOA算法示意图

如上图所示建立空间坐标系，在本系统中，主机上的三个基

5

站位于同一水平面上，且。利用评估板上的气

A,B,C

压计可确定从机与基站平面的垂直距离，可设从机的坐标为

hM

(X,Y,h)s1

。若测得第个基站与第个基站接收到从机信号的时间差为

T

S1

，则第个基站与第个基站到从机的距离差为（

s1Mc

为光速），利用传输距离差可求解从机的坐医院义诊 标。

M

将代入上式，化简后可得：

当，时，可得方程组：

s=23

式中，可求得，的值，把二者带入中，

XYR

1

可求得的值，依此类推，求得，读书沙龙 的值。即求得从机到各基站

RRR

123

的距离和从机坐标。

3.1.2 TWR算法

TWR即DS双向测距算法。由于SS单边测距算法仅测量一次通讯所

用的时间，对于信号源与基站之间的时钟同步有很高的要求，一点点

时钟偏差就会引入很大的测量误差。而TWR双向测距算法在单边测距

的基础上再增加了一次通讯，两次通讯的时间可以互相弥补因为时钟

偏移引入的误差，使得测量更加精确（方晨晨，基于UWB的自主跟随机

器人定位方法，软件导刊，2016年第9期127-129页）。

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飞行时间乘以光速即为设备A与设备B之间的距离。在本系统

中，以此计算从机到各基站之间的距离，利用如图7所示的三角质

心原理，可得从机的水平坐标，结合气压计可确定从机与基站平面

的垂直距离，从而求得各基站的空间坐标。

4 结语

图6 TWR双向测距算法示意图

本文旨在探究DW1000在无人机集群中的应用，验证其可行性和

实用性。按照前文所述建立了一个无地面基站的小型无人机集群系

统，分别使用TDOA和TWR算法探究无人机集群过程中的测距和定位

精度，最终得到如下表1所示的测距和定位误差。

表1 误差测试表

算法

TDOA1314

测距误差定位误差

单位：（cm）单位：（cm）

1113TWR

图7 三角质心原理

如图6所示，设备A首先向设备B发送一次数据，并记下发

送的时间t，在设备B接收到数据时，记下时间t。设备B在t

123

（t=t+T）时刻向设备A返还一次数据，在t时刻设备A接收到

32reply14

B返还的数据。t(t=t+T)时刻设备A再次向设备B发送一次数

554reply2

据，并于t时刻设备B接收到数据。又有T=t-t，T=t-t，

6round141round263

可得电磁波在两设备间的飞行时间均值为：

上表表明TWR算法较之TDOA算法具有稍高的测距和定位精度，同

时验证了DW1000在无人机集群中应用的可行性和实用性。与同属射频

信号的蓝牙技术、ZigBee技术相比，DW1000所属的UWB技术在定位精

度上有着显著的提高（李园园，李勇，基于DW1000的室内定位系统设

计与测距优化方法，无线互联科技，2016年第21期76-78页），对于

未来无人机集群技术的发展有着很高的应用价值。

（上接第134页）

于一个电阻电容网络，对于“天线电压驻波比”由C22和R13设置电流和入射功率平方根成比例的电压。射频厄流圈L1和电容C2形成一

脉冲宽度为14毫秒；对于“带通滤波器”由C36和R21设置脉冲宽个滤波器来滤除射频分量，串联电阻R1使耦合器与负载隔离。电阻R1

度为19毫秒。和电容C1也形成一个低通滤波器滤除调制产生音频变化。

图3 单稳态多谐振荡器

3.5 调制监测采样

调制检测采样电路提供的射频输出电平到调制监测器。来自输

出网络箱里的电容分压器的信号X7-1进入板中，在X5-1和X8-1输出

图2 单稳态多谐振荡器

两路射频信号，一路作为发射机的载波监测，另一路送到调幅度指

示板作调幅度指示的输入信号，到调制监测器的信号由电容分压器

来调整，以适应不同测试仪器的要求。来自输出取样板的与射频电流成比例的电压信号在X1-3和X1-5

3.4 定向耦合器电路简述

进入板中、并送到VD1和VD2的正极。此电压取自射频电流变压器

的反相端，所以他们相差180相位，详见图3。综上所述，通过分析相关电路，我们自己调试了DX-50KW全

取自输出取样板上的两个电容分压器的电压采样信号在X1-15固态中波发射机驻波比保护电路。通过调试，当雷雨季节来临时，

和X1-17进入板中，“入射平衡”调整电容C3与输出取样板上的分尤其在今年这种雨水多、雷电活动频繁的时候，我台机器出现倒

压器电容并联。机、封锁保护的问题相对几年前减少了约70%，同时，机器整体在

在正常工作情况下，P1和P2在1和2间联接，VD1阳极和阴极上的雷雨天气也得到了可靠度较高的封锁保护，从而在很大程度上保证

电压和电流采样信号相差180相位，流过R2的直流电流产生一个与了发射机安全播出。

4.结论

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