第15卷第4期 智能系统学报 Vol.15 No.4 2020年7月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jul.2020 D0L:10.11992tis.201907015 基于力传感的系留无人机定位方法研究 林海涛，张华，李永龙2，汪双2，陈财富，王皓冉 (1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621000,2.清华四川能源互联网研究院，四川成都610000,3.清华 大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084) 摘要：在无GPS或弱GPS环境下，系留无人机通常采用激光雷达或视觉进行定位，由于受距离和光线的影 响，无法实现精准定位。针对该问题，提出了一种基于力传感的系留无人机绳缆定位方法。系留无人机在室内 飞行时，绳缆的状态可等效于悬链线，通过建立系留无人机悬链线模型，可有效估计无人机所处空间位置。使 用基于力传感器的无人机、硅胶绳缆、绕线机搭建测试平台，绳缆定位数据与Marvelmind的Indoor“GPS"标定 无人机的位置做误差对比分析。实验结果表明：基于力传感的系留无人机定位方法，相较于Fotokite Pro无人 机绳缆定位方法，定位精度提升了70.86%。该定位方法的提出，有利于系留无人机在无GS环境下的稳定飞行。 关键词：系留无人机；悬链线；绕线机；室内定位：力传感器；激光雷达；视觉 中图分类号：TP242.6文献标志码：A 文章编号：1673-4785(2020)04-0672-07 中文引用格式：林海涛，张华，李永龙，等.基于力传感的系留无人机定位方法研究.智能系统学报，2020,15(4)：672-678， 英文引用格式：LIN Haitao,ZHANG Hua,LI Yonglong,.etal.Research on the positioning method of tethered UAV using force sensing J.CAAI transactions on intelligent systems,2020,15(4):672-678. Research on the positioning method of tethered UAV using force sensing LIN Haitao',ZHANG Hua',LI Yonglong,WANG Shuang,CHEN Caifu',WANG Haoran' (1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621000,China;2.Sichuan En- ergy Internet Research Institute,Tsinghua University,Chengdu 610000,China;3.State Key Laboratory of Hydroscience and Engin- eering,Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:In a GPS denied environment,the localization can be achieved by different sensors such as Lidar and camera. Due to the influence of distance and light,precise localization cannot be achieved.Aiming at this problem,this paper proposes a force sensing based tethered UAV positioning method.When the tethered UAV is flying indoors,the state of the rope can be equivalent to the catenary line.By establishing the catenary model of the tethered UAV,the spatial loca- tion of the UAV can be effectively estimated.Using an UAV based on force sensor,a silicone cable,and a winder to build a test platform,using the tether positioning data and Marvelmind's Indoor "GPS"to calibrate the position of the UAV for error comparison analysis.The experimental results show that the positioning accuracy of the mooring drone based on force sensing is 70.85%higher than the Fotokite Pro UAV cable positioning method.The proposed position- ing method is conducive to the stable flight of the tethered UAV in a GPS denied environment. Keywords:tethered UAV;catenary;winding machine;indoor positioning;force sensor,lidar;vision 系留无人机通过供电线缆连接地面供电系统能长时间续航，能在巡检测量过程中持续作业， 与无人机端，可长时间留空。由于系留无人机 目前系留无人机已被广泛应用于各领域执行复杂 任务，为电力巡检、灾后搜救、隧洞勘探等带来了 收稿日期：2019-07-08. 诸多便利4”。系留无人机定位，是系留无人机稳 基金项目：国家“十三五”核能开发科研项目(20161295)：四川 省科技计划项目(2018JZ0001.2019YFG0144):中国 定飞行的关键，目前解决系留无人机在无GPS环 大唐集团公司科学技术项目(CDT.TZK/SYD[2018] 010). 境或弱GPS环境下的定位仍是一个难题。 通信作者：林海涛.E-mail:583552478@qq.com 系留无人机在空旷的户外可依靠GPS和惯DOI: 10.11992/tis.201907015 基于力传感的系留无人机定位方法研究 林海涛1 ，张华1 ，李永龙1,2，汪双1,2，陈财富1 ，王皓冉3 （1. 西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621000; 2. 清华四川能源互联网研究院，四川 成都 610000; 3. 清华 大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084） 摘 要：在无 GPS 或弱 GPS 环境下，系留无人机通常采用激光雷达或视觉进行定位，由于受距离和光线的影 响，无法实现精准定位。针对该问题，提出了一种基于力传感的系留无人机绳缆定位方法。系留无人机在室内 飞行时，绳缆的状态可等效于悬链线，通过建立系留无人机悬链线模型，可有效估计无人机所处空间位置。使 用基于力传感器的无人机、硅胶绳缆、绕线机搭建测试平台，绳缆定位数据与 MarveImind 的 Indoor“GPS”标定 无人机的位置做误差对比分析。实验结果表明：基于力传感的系留无人机定位方法，相较于 Fotokite Pro 无人 机绳缆定位方法，定位精度提升了 70.86%。该定位方法的提出，有利于系留无人机在无 GPS 环境下的稳定飞行。 关键词：系留无人机；悬链线；绕线机；室内定位；力传感器；激光雷达；视觉 中图分类号：TP242.6 文献标志码：A 文章编号：1673−4785(2020)04−0672−07 中文引用格式：林海涛, 张华, 李永龙, 等. 基于力传感的系留无人机定位方法研究 [J]. 智能系统学报, 2020, 15(4): 672–678. 英文引用格式：LIN Haitao, ZHANG Hua, LI Yonglong, et al. Research on the positioning method of tethered UAV using force sensing[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2020, 15(4): 672–678. Research on the positioning method of tethered UAV using force sensing LIN Haitao1 ，ZHANG Hua1 ，LI Yonglong1,2 ，WANG Shuang1,2 ，CHEN Caifu1 ，WANG Haoran3 (1. School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, China; 2. Sichuan En￾ergy Internet Research Institute, Tsinghua University, Chengdu 610000, China; 3. State Key Laboratory of Hydroscience and Engin￾eering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: In a GPS denied environment, the localization can be achieved by different sensors such as Lidar and camera. Due to the influence of distance and light, precise localization cannot be achieved. Aiming at this problem, this paper proposes a force sensing based tethered UAV positioning method. When the tethered UAV is flying indoors, the state of the rope can be equivalent to the catenary line. By establishing the catenary model of the tethered UAV, the spatial loca￾tion of the UAV can be effectively estimated. Using an UAV based on force sensor, a silicone cable, and a winder to build a test platform, using the tether positioning data and MarveImind's Indoor “GPS” to calibrate the position of the UAV for error comparison analysis. The experimental results show that the positioning accuracy of the mooring drone based on force sensing is 70.85% higher than the Fotokite Pro UAV cable positioning method. The proposed position￾ing method is conducive to the stable flight of the tethered UAV in a GPS denied environment. Keywords: tethered UAV; catenary; winding machine; indoor positioning; force sensor; lidar; vision 系留无人机通过供电线缆连接地面供电系统 与无人机端，可长时间留空[1-3]。由于系留无人机 能长时间续航，能在巡检测量过程中持续作业， 目前系留无人机已被广泛应用于各领域执行复杂 任务，为电力巡检、灾后搜救、隧洞勘探等带来了 诸多便利[4-7]。系留无人机定位，是系留无人机稳 定飞行的关键，目前解决系留无人机在无 GPS 环 境或弱 GPS 环境下的定位仍是一个难题[8-9]。 系留无人机在空旷的户外可依靠 GPS 和惯 收稿日期：2019−07−08. 基金项目：国家“十三五”核能开发科研项目 (20161295)；四川 省科技计划项目 (2018JZ0001，2019YFG0144)；中国 大唐集团公司科学技术项目 (CDT-TZK/SYD[2018]- 010). 通信作者：林海涛. E-mail：583552478@qq.com. 第 15 卷第 4 期 智 能 系 统 学 报 Vol.15 No.4 2020 年 7 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jul. 2020