基于RRT改进算法的伪卫星导航轨迹纠偏策略研究.pdf
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1、 2023 年 8 月第 4 期 现代导航 235 基于 RRT 改进算法的伪卫星导航轨迹纠偏策略研究 何 鑫,陈鲤文(福建工程学院泛在感知与多传感器智能融合研究所,福州 350118)摘 要:针对现有基于伪卫星的室内小车导航实际轨迹偏离的问题,提出了一种基于快速搜索随机树法(RRT)改进算法的导航轨迹纠偏方案。在轨迹纠偏方案中,利用软件无线电(SDR)软件对小车原有的遥控信号进行采集并进行调制,得到可以操控小车的信号;并在纠偏程序中添加改进的 RRT 算法在小车轨迹偏离时进行轨迹规划,从而达到小车轨迹纠偏。结果表明,此方案在进行伪卫星室导航时减小了小车的轨迹偏差,纠偏效果明显。关键词:伪卫星
2、;室内导航;软件无线电;快速搜索随机树算法 中图分类号:TN953 文献标志码:A 文章编号:1674-7976-(2023)-04-235-07 Research on Trajectory Correction Strategy for Pseudo Satellite Navigation Based on Improved RRT Algorithm HE Xin,CHEN Liwen Abstract:A navigation trajectory correction scheme based on improved Rapidly-exploring Random Tree(RR
3、T)algorithm is proposed to address the issue of actual trajectory deviation in indoor car navigation based on pseudo satellites.In the trajectory correction scheme,Software Defined Radio(SDR)is used to collect and modulate the original remote control signals of the car,obtaining signals that can con
4、trol the car;And an improved RRT algorithm is added to the correction program to plan the trajectory of the car when it deviates,thereby achieving the correction of the car trajectory.The results show that this scheme reduces the trajectory deviation of the car during pseudo satellite navigation,and
5、 the correction effect is significant.Key words:Pseudo Satellite;Indoor Navigation;Software Defined Radio;Rapidly-exploring Random Tree Algorithm 0 引言 全球导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)主要由美国 GPS、俄罗斯 GLONASS、中国北斗和欧盟伽利略等组成1。GNSS 在各行各业的运用愈加广泛,但是复杂的室内环境或者室外有大范围建筑物遮挡的情况使得用户无法正常接 收稿日期:2023-
6、04-28。何鑫(1999.02),福建福州人,硕士研究生,主要研究方向为导航定位技术与无线通信技术。收到卫星信号。面对此问题,提出了超声波、红外线、地磁、可见光和无线电等技术方案,实现了为待检测目标提供主动的导航定位或者是被动的目标位置检测的服务。其中无线电方案中,有 WiFi、超宽带、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)和伪卫星技术等。其中伪卫星技术是一种能发射出类似于GNSS卫星信号的无线电导航信号的手段,伪卫星设备通常安装于露天矿场、地下空间、城市峡谷、大型室内环境及高度较低的开阔地带等,因GNSS卫星信号的遮蔽现象而需测试验证和增强GNS
7、S 卫星信号的定位性能,从而让用户享受更便 236 现代导航 2023 年 捷、更高效的定位服务2。伪卫星技术在 GPS 卫星发射之前就得到了验证研究。伪卫星技术相较于无线电方案中的其他方案,优点在于:1)其传输距离可以达到数百米甚至是数百千米远,在一次投入建设后,可以在很大的范围内实现室内定位,相对而言建设成本会相应减少;2)伪卫星信号类似于真实的卫星信号,其信号组织结构与真实的卫星信号高度相似,可以根据实际需求更改其定位方式,以确保实现其室内外的无缝定位可能性。在伪卫星技术中,伪卫星室内导航技术是一个重要的使用场景,此技术通过模拟轨迹和发射 GPS生成式信号3,可以为在室内接收不到 GPS
8、 信号从而无法行驶的设备提供帮助。但由于室内环境复杂,会产生多径效应等问题4,发射端发射的路径与小车接收到的路径信号产生较大的偏差,导致小车最终的导航路径不理想5。为了解决此问题,提出了一种室内导航轨迹纠偏的策略,在进行伪卫星导航的同时,通过小车传回的实际轨迹数据与模拟轨迹作对比,在轨迹偏差达到一定范围的情况下,在纠偏程序中利用快速搜索随机树法(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)改进算法规划偏离点到指定点的路径,再采用软件无线电(Software Defined Radio,SDR)和全向天线发送遥控信号遥控小车,最终实现对室内小车的轨迹纠偏。此套策略首先使用
9、 SDR采集小车的遥控信号和并编写含有使用 RRT 改进算法的纠偏程序,再搭建硬件平台进行测试。1 系统模型 在此章节中,介绍了以下四个部分。首先是此纠偏系统的系统总体流程,其次是 SDR,最后是RRT 改进算法的基本原理和纠偏方案。1.1 系统总体流程图 系统总体流程如图 1 所示。此系统总体模型由三个部分组成:1)伪卫星导航系统;2)采集信号系统;3)轨迹纠偏系统。在采集信号方面,通过连接 SDR 以及开发板HackRF 对小车的原遥控信号进行采样。图 1 系统总体流程 40.82 MHz1.575 42 GHzRRT改进算法规划轨迹偏离误差3 m 开始 室内导航轨迹纠偏系统伪卫星导航 实
10、时星历 制定的模拟轨迹 数字卫星 信号 软件无线电SDR 模拟信号 功放1 天线1 采集信号小车原遥控信号 软件无线电SDR 功放2 天线2 小车 轨迹纠偏 小车实际轨迹数据 实际和模拟轨迹对比 导航继续 进行 结束YN 第 4 期 何鑫等:基于 RRT 改进算法的伪卫星导航轨迹纠偏策略研究 237 系统总体流程如下:1)在伪卫星导航系统方面,首先通过 Socket编程将计算机与树莓派连接实现相互通信,树莓派生成数字信号。再连接 SDR 开发板 BladeRF 实现信号的数字信号转换为模拟信号(Digital-to-Analog,D/A)转换,通过外部功率放大器实现输出模拟信号,此信号被放大。
11、最后将 1.575 GHz 的伪卫星轨迹生成式信号通过全向天线发送给小车进行基础的导航。小车在接收到伪卫星信号后会通过内部解析伪卫星轨迹信号程序生成小车下一步的轨迹,并通过小车底层 stm32 模块控制连接车轮的电机转动实现小车的导航移动。2)通过里程计计算出实际轨迹数据,并将数据传回上位机。上位机将接收到的实际轨迹与原先制定的模拟轨迹进行误差对比。判断是否需要进行轨迹纠偏。3)若需要轨迹纠偏,轨迹纠偏程序会选取当前小车的位置为起点,通过 RRT 改进算法规划出当前点到下一个导航点的路径,将它们转化为相应的控制信号。此后再将这些控制信号传给开发板HackRF,HackRF 把这些信号通过 40
12、.82 MHz 的频率发射给小车,从而达到轨迹纠偏的目的。1.2 SDR 及硬件平台 SDR,就是用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。SDR 技术的重要价值在于:传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台,而许多的通信功能则是由软件来实现,打破了有史以来设备通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。SDR 技术的出现是通信领域继固定通信到移动通信,模拟通信到数字通信之后第三次革命6。在 20 世纪 90 年代,美国的 Joe Mitola 首次提出了 SDR 的概念7,随后 SDR 技术便引发了一场通信领域的技术革命。其中美军首先对其进行了技术开发,研制出了为军方服务
13、的一种多频段多模式的无线电系统(Multi-Band Multi-Mode Radio,MBMMR)8,目的是方便不同的军种之间实现共同作战。之后,美国在此基础上进行了多次研究,并且在 1997 年通过了联合战术无线电系统计划,此无线电作战系统使用 SDR 技术实现的硬件架构可以真正做到统一海陆空等各个军种之间所使用的不同频段不同制式的无线电平台,并且还具有保密以及抗干扰的功能。SDR 接收信号流程图如图 2 所示。在图 2 左侧,samp_rate 是采样率,代表接收电磁波频率的宽度,也将是生成波形图的宽度。center_freq 是中心频率,此系统中定义中心频率为 40 MHz,chann
14、el_freq 是引导频率。在图 2 右侧,总共有四个模块:1)osmocom Source(开源移动通信协议)模块,是最基本的获取信号输入的模块;2)Signal Source 模块是人工加一个输入信号,由 CPU 生成需要的信号,和 osmocom 的原始信号相乘,起到转移中心频率的效果;3)Multiply(乘法)模块;4)QT GUI Sink 模块用来显示收到的波形。图 2 SDR 接收信号流程图 outoutin0in1outin 238 现代导航 2023 年 硬件平台如图 3 所示,此硬件平台由四个部分组成:1)搭载 Ubuntu 系统的发射伪卫星信号和进行纠偏算法计算的电脑;
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