一种复杂环境下多车协同定位装置

本发明属于室外无线通信及无人车定位系统领域，具体为一种复杂环境下多车协同定位装置。

背景技术：

1、无人车(unmanned ground vehicle,ugv)可以在高危、复杂、重复的任务中展现出优良的特性，已成为研究热点。尤其随着智能化技术的发展，无人车可完成越来越多的任务。然而在实际复杂环境下，许多任务不是仅靠单一无人车完成，需要不同功能的无人车协作完成。比如森林火灾巡查、重要物资运输、野外大范围搜救等。稳定可靠的定位是无人车协同完成任务的基础，但无人车在战场、矿场等复杂环境下运行时，现有的定位装置中的传感器易失效导致无法提供可靠的定位。

2、目前主要的定位技术包括：全球导航卫星系统、激光雷达定位、视觉定位、航迹推算等。目前全球导航卫星系统定位技术已经成熟应用，但在树木、建筑物等遮挡情况下，gnss定位信号将受到干扰变差，因此在复杂环境下gnss定位技术无法完成对无人车的高精度定位。激光雷达由激光扫描仪和激光接收器组成，通过扫描周围物体建立地图实现定位，此类系统有出色的定位精度，但价格高昂且易受天气影响、不适合在有烟尘的环境下使用。视觉是人类的主要感觉，很自然地尝试使用相机和计算机视觉算法进行定位，根据其工作原理，在非常黑暗或非常明亮的环境中，其性能将会下降，另外雾、雨和灰尘也会对光学系统产生严重的负面影响。航迹推算通过在给定的时间长度内利用已知的航向和速度信息推算智能车的当前位姿信息，它简单的实现是轮式里程计。轮式里程计价格低廉，在短时间内可以提供良好的精确度，但随着时间的推移，定向误差将不断累积导致大的位置误差。

3、为解决无人车准确可靠定位这一问题，已提出许多定位装置，但这些系统存在测量范围小、测量精度低、造价高昂、基础设施复杂、环境适应性差等缺点。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的上诉技术缺陷，本发明提出了一种复杂环境下多车协同定位装置。

2、实现本发明目的的技术方案为：一种复杂环境下多车协同定位装置，包括两个结构相同的定位单元；每个定位单元均包括发射天线、接收天线、射频模块、数字信号处理模块；所述发射天线用于辐射发射信号，接收天线用于接收另一定位单元发射的信号；所述射频模块包括发射射频组件、接收射频组件；发射射频组件与发射天线相连，用于产生射频信号；接收射频组件与接收天线相连，用于将各天线阵列接收的信号下变频至中频信号；所述数字信号处理模块与射频模块相连，用于调控射频模块、对两个定位系统进行同步、调理并处理中频信号、为射频模块提供时钟参考信号；所述发射射频组件通过功分器为接收射频组件次谐波混频器提供本振信号。

3、优选地，所述发射射频组件包括分数n频率合成器、环路滤波器、压控振荡器、功分器、倍频器、带通滤波器；数字信号处理模块提供的参考时钟信号与从压控振荡器二分频后输出的信号进行鉴频鉴相、分数n频率合成器根据鉴相结果输出电流，电流由环路滤波器转换为调谐电压，调谐电压传输给压控振荡器，压控振荡器根据调谐电压输出相应频率的信号；分数n频率合成器不断调节直至参考时钟信号频率与压控振荡器输出信号频率一致，实现相位和频率的锁定；压控振荡器输出的扫频或点频信号通过功分器一路传输至倍频器，另一路传输至接收射频组件次谐波混频器作为本振源；倍频器用于将压控振荡器输出的信号进行倍频并传输至带通滤波器，这样有利于减小发射信号在微带线上的损耗；带通滤波器与发射天线相连，用于滤除杂散信号及谐波信号以降低相位噪声，从而提高系统的定位精度。

4、优选地，所述接收射频组件包括八个接收通道，每个通道分别连接至一个接收天线阵列；每个接收通道包括低噪声放大器、带通滤波器、次谐波混频器、功分器；低噪声放大器用于分别放大天线接收的微弱信号、本振信号；带通滤波器用于滤除杂散信号及谐波信号以提高中频信号的纯度；次谐波混频器用于将本振信号与经滤波处理后的接收信号混频得到中频信号；功分器用于将本振源信号分别传输至八个次谐波混频器。

5、优选地，所述数字信号处理模块包括低通滤波器、中频放大器、adc、fpga芯片、mcu、zigbee模块、电源模块、压控晶体振荡器、ram、spi接口、usb通信接口；低通滤波器依次与中频放大器、adc相连，低通滤波器与中频放大器对中频信号进行放大、滤波后传输至adc；adc、mcu、ram、spi接口、usb接口均与fpga芯片连接；fpga芯片用以实现接收机输出信号模数转换、测量数据处理、与外部通信及信息显示；mcu用于控制zigbee模块和压控晶体振荡器对两个定位单元进行精准同步、对fpga处理后的数据进行处理以实现对被测无人车的定位；压控晶体振荡器为fpga芯片和射频模块提供同步时钟信号；spi接口用于控制射频模块。

6、本发明与现有技术相比，其显著优点为：只需两个定位单元相互协作即可在复杂环境下实现对无人车的高精度定位，基础设施简单，成本低，易维护。本发明采用调频连续波体制，因此本装置具有探测速度快、探测距离远、不受光照条件、烟雾、粉尘等外部因素影响，相较于激光雷达、视觉等感知手段，具有较好的环境适应能力。相较于gnss和视觉定位，本定位装置有利于保护目标和周围环境的隐私。此外，本装置还有低功耗、体积小等优点，便于集成在无人车上。

技术特征：

1.一种复杂环境下多车协同定位装置，其特征在于，包括两个结构相同的定位单元；每个定位单元均包括发射天线、接收天线、射频模块、数字信号处理模块；所述发射天线用于辐射发射信号，接收天线用于接收另一定位单元发射的信号；所诉射频模块包括发射射频组件、接收射频组件；发射射频组件与发射天线相连，用于产生射频信号；接收射频组件与接收天线相连，用于将各天线阵列接收的信号下变频至中频信号；所述数字信号处理模块与射频模块相连，用于调控射频模块、对两个定位系统进行同步、调理并处理中频信号、为射频模块提供时钟参考信号；所述发射射频组件通过功分器为接收射频组件次谐波混频器提供本振信号。

2.根据权利要求1所述的复杂环境下多车协同定位装置，其特征在于，所述发射射频组件包括分数n频率合成器、环路滤波器、压控振荡器、功分器、倍频器和带通滤波器；数字信号处理模块提供的参考时钟信号与从压控振荡器二分频后输出的信号进行鉴频鉴相，分数n频率合成器根据鉴相结果输出电流，电流由环路滤波器转换为调谐电压，调谐电压传输给压控振荡器，压控振荡器根据调谐电压输出相应频率的信号；分数n频率合成器不断调节直至参考时钟信号频率与压控振荡器输出信号频率一致，实现相位和频率的锁定；压控振荡器输出的扫频或点频信号通过功分器一路传输至倍频器，另一路传输至接收射频组件次谐波混频器作为本振源；倍频器用于将压控振荡器输出的信号进行倍频并传输至带通滤波器；带通滤波器与发射天线相连，用于滤除杂散信号及谐波信号以降低相位噪声。

3.根据权利要求1所述的复杂环境下多车协同定位装置，其特征在于，所述接收射频组件包括八个接收通道，每个通道分别连接至一个接收天线阵列；每个接收通道包括低噪声放大器、带通滤波器、次谐波混频器、功分器；低噪声放大器用于放大天线接收的微弱信号、本振信号；带通滤波器用于滤除杂散信号及谐波信号；次谐波混频器用于将本振信号与经滤波处理后的接收信号混频得到中频信号；功分器用于将本振源信号分别传输至八个次谐波混频器。

4.根据权利要求1所述的复杂环境下多车协同定位装置，其特征在于，所述数字信号处理模块包括低通滤波器、中频放大器、adc、fpga芯片、mcu、zigbee模块、电源模块、压控晶体振荡器、ram、spi接口、usb通信接口；低通滤波器依次与中频放大器、adc相连，低通滤波器与中频放大器对中频信号进行放大、滤波后传输至adc；adc、mcu、ram、spi接口、usb接口均与fpga芯片连接；fpga芯片用以实现接收机输出信号模数转换、测量数据处理、与外部通信及信息显示；mcu用于对fpga芯片处理后的数据进行处理以实现对被测无人车的定位；zigbee模块用于对两个定位单元进行粗同步；压控晶体振荡器为fpga芯片和射频模块提供同步时钟信号以实现完全同步；spi接口用于控制射频模块；ram22用于存储中频信号的频谱数据；usb通信接口用于配置定位单元和输出测量数据；电源模块给数字信号处理模块和射频模块供电。

技术总结
本发明公开了一种复杂环境下多车协同定位装置，该装置包括两个结构相同的定位单元，每个定位单元包括发射天线、接收天线、射频模块、数字信号处理模块；所述发射天线用于向另一定位单元发射信号；所述接收天线用于接收另一雷达发射的信号；所述射频模块用于产生射频信号、将天线阵列接收的信号下变频至中频信号；所述数字信号处理模块用于同步两个定位单元，调控射频模块，调理及采集中频信号，并对数字化后的中频信号进行处理以计算出目标的距离和角度，实现对目标的高精度定位。本发明只需两个定位单元相互协作，即可在复杂环境下实现对无人车的高精度定位，具有基础设施简单，成本低，易维护，环境适应能力强，抗干扰能力强等优点。

技术研发人员：吴礼,叶珊珊,李佳玮,肖泽龙,胡泰洋,荣英佼,周勇军
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23