论文题目：基于无人机集群的电磁环境地图构建方法研究
摘要：电磁环境地图通过从多个维度对电磁环境进行描述,可视化展示电磁能量分布、频谱资源分布等信息。通过构建电磁环境地图,可以获取电磁环境中的电磁辐射源、电磁传播途径、空间环境实体等信息,从而实现对电磁环境态势的整体感知。为了实现电磁环境地图的构建,需要首先收集空间中的电磁信息。借助于无人机机动灵活便于布置的优势,可以实现未知区域中电磁信息的获取,但单个无人机所能搭载的测量设备有限,所能获取的电磁信息数据很少,因此需要利用无人机集群提高电磁信息的获取量。本文研究了基于无人机集群的电磁环境地图构建方法,具体内容如下:电磁环境监测主要是通过收集环境中的各类电磁辐射源信号,为后面电磁环境地图构建等技术的应用提供数据支持。因此需要无人机集群对电磁辐射源进行搜索监测。针对此问题,设计并实现了基于数字信息素的狼群算法用于无人机集群执行电磁环境监测。主要研究内容为:提出了基于数字信息素的狼群算法,用于优化无人机集群的航迹,提高搜索监测的效率。针对监测过程中单个无人机获取信息的能力有限,为了利用集群获取的局部信息构建全局地图,提出了一种基于狼群社会结构的分布式数据聚合方法,将利用无人机集群获取并进行聚合之后的电磁信息数据保存到集群的领航者中,用于实现整个区域的电磁环境地图高精度构建。由于无人机集群在电磁环境监测中仅能获取部分电磁信息数据,为了构建高精度的全局电磁环境地图,针对无人机集群在领航者处保存的电磁信息数据,设计并实现了基于部分卷积和注意力机制的电磁环境地图构建方法。主要研究内容为:考虑输入电磁信息数据的不完全性,把部分卷积和注意力机制加入到U-net网络架构中,设计了一种新的电磁环境地图构建方法。通过仿真实验验证了所设计方法与插值方法以及生成对抗网络方法相比在构建精度方面的优越性。同时,对于无人机集群基于不同监测方式下获取的数据进行电磁环境地图构建的精度进行比较,验证了基于数字信息素的狼群算法以及分布式数据聚合方法的有效性。为了验证本文所提出方法的合理性,本文以WiFi定向天线作为辐射源构建空间中电磁信息分布,通过动作捕捉系统为无人机集群提供室内定位,以ESP-8266芯片作为数据测量设备,搭建了以四旋翼无人机和测量芯片为主要实验展示载体的半实物仿真平台。通过该平台验证了本文方法的有效性。
关键词：无人机集群;电磁环境监测;电磁环境地图;狼群算法;深度学习
学科专业：仪器科学与技术
摘要
abstract
缩略词表
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 电磁环境监测
1.2.2 数据聚合
1.2.3 电磁环境地图构建
1.3 主要研究内容
1.4 论文结构安排
第二章 电磁环境地图相关知识
2.1 无线电磁波传播原理
2.1.1 电磁波基本知识
2.1.2 无线电磁波的传播机理
2.2 电磁环境地图系统
2.3 本章小结
第三章 基于数字信息素和狼群算法的电磁环境监测
3.1 概述
3.2 问题分析
3.2.1 问题建模
3.2.2 环境建模
3.3 预备知识
3.3.1 数字信息素
3.3.2 狼群算法
3.4 基于数字信息素的狼群算法
3.5 基于狼群社会等级的分布式数据聚合
3.6 仿真实验
3.6.1 参数设置
3.6.2 结果分析
3.7 本章小结
第四章 基于部分卷积和注意力机制的电磁环境地图构建方法
4.1 概述
4.2 预备知识
4.2.1 卷积神经网络
4.2.2 U-net网络
4.3 基于部分卷积和注意力机制的电磁环境地图补全构建方法
4.3.1 部分卷积
4.3.2 注意力机制
4.3.3 基于部分卷积和注意力机制的U-net网络
4.3.4 损失函数
4.4 数据集简介
4.4.1 数据集获取
4.4.2 数据预处理
4.5 仿真结果与性能分析
4.5.1 利用数据集1的算法结果与性能分析
4.5.2 利用数据集2的算法结果与性能分析
4.6 不同航迹数据下电磁环境地图构建效果对比
4.7 本章小结
第五章 无人机平台的搭建及算法验证
5.1 实验设计
5.2 平台相关技术
5.2.1 机器人操作系统
5.2.2 三维光学动作捕捉系统
5.2.3 Crazyswarm
5.3 平台搭建
5.3.1 平台硬件搭建
5.3.2 平台软件搭建
5.4 算法验证
5.4.1 信号场数据获取
5.4.2 算法验证
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 后续工作展望
致谢
参考文献