基于单锚点 UWB 测量的不确定性感知三维无人机跟踪

《IEEE Transactions on Vehicular Technology》：Uncertainty-Aware 3D UAV Tracking Using Single-Anchor UWB Measurements

　　摘要：本文提出了一种考虑不确定性的单锚点超宽带（UWB）框架，该框架仅利用 UWB 和飞控惯性测量单元（IMU）作为传感输入，使无人机（UAV）能够在三维空间中安全地跟踪目标。为了应对多径和非视距（NLoS）传播条件下时变的 UWB 测量性能下降，该控制器结合了估计器的后验不确定性，以在线自适应调整跟踪反馈和安全余量。首先，我们开发了一种基于传感器坐标系相对动力学的可靠性感知滑动窗口因子图。该因子图通过共享的链路一致性变量将 UWB 距离因子与伪线性三维方位因子耦合，以联合估计相对状态、链路一致性和非负距离偏差，抑制方位离群值，并计算边缘状态协方差。其次，我们开发了一种配备高阶控制障碍函数（HOCBF）安全滤波器的不确定性感知非惯性跟踪控制器。该控制器将边缘状态协方差沿径向、切向和垂直方向进行投影，以自适应基于李雅普诺夫的跟踪律，并利用径向位置和径向速率置信余量收紧 HOCBF 约束。仿真结果表明，与扩展卡尔曼滤波器（EKF）相比，所提出的估计器将位置均方根误差（RMSE）降低了高达 35.0%；与鲁棒因子图相比，降低了高达 28.4%。与基线控制器相比，所提出的控制器消除了在 UWB 测量性能下降情况下观察到的最小间隔违规现象。此外，在 Gazebo 中进行的 PX4 软件在环（SITL）评估提供了部署阶段的定量验证，而实地实验则证明了实时机载闭环的可行性。