CN101561493B - 基于双飞行机器人对有源目标的定位方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法及系统。本方法是采用两架无人飞行机器人机载主控系统，通过采集目标信号，对信号的方向进行测量，并将测向结果通过无线通讯进行两无人飞行器间的通讯，利用三角定位方法进行目标定位，并进行修正，修正航向，重复不断对目标进行定位，同时进行逼近飞行，从而实现对目标精确定位。本系统是在两无人飞行机器人上安装GPS定位仪、无线电通讯设备、飞行控制设备、主控单元和信号测向仪，基地上安装总控单元、无线通讯设备及天线，在两无人飞行机器人之间及与基地间实现无线通讯。本发明能迅速且精确搜寻并定位辐射源目标。

Description

基于双飞行机器人对有源目标的定位方法与系统

技术领域

本发明涉及一种基于无人飞行机器人对带辐射源目标的自动定位方法及其系统，可以对隐匿的各种带辐射源的目标，采用双飞行的机器人进行自动搜寻定位，实时快速有效的把实时位置信息返回给基地系统，适用于各种带辐射源失踪目标或者预定目标进行的快速搜寻定位。

背景技术

随着航空航天技术的发展，各种返回式卫星及飞船，各种失踪目标的搜寻救援问题也显得十分重要。快速实现对失踪目标的搜寻能够大大提高失踪人员生还可能，并且将可能的损失降低到最小。同时我国地域广阔，地形复杂，一些失踪目标失踪的区域环境比较复杂，也会给搜救工作带来了诸多不便。传统的搜寻方法一般采用地面、空中(载人直升机)两套搜救队伍展开搜索。由于失踪目标的区域的特殊性，传统的搜寻方法会大大降低搜寻的速度，例如山区，海上，沼泽地带等一些区域。因此一种好的搜寻方法，时效性对于目标位置的搜寻至关重要。

微型旋翼机具有体积小、重量轻、携带方便、机动灵活等特点，如果采用飞行机器人技术来搜寻目标，其优势在于：①将大大降低搜寻成本；②提高搜寻的机动性，因为飞行机器人是一个无人系统，没有人的生理限制，飞行器机动性能的发展是无约束的，并且，无人、无生命保障系统可以使飞行机器人的结构紧凑(重量轻、体积小，可做到车载随时起降)，从而更有效地完成使命；③低成本、无“性命之忧”的飞行机器人可以被用在更广泛的危险场合中。载人直升机考虑到自身的安全没有办法去搜寻，采用飞行机器人技术就不存在这方面的问题。同时，我们提出的这种新型搜寻方法能够快速的根据目标制定搜寻路线，实时优化路径，从而可以更高效，更快速的实现对未知目标的搜寻。

根据背景技术的分析，采用飞行机器人技术来搜寻定位目标是一个安全的、成本低的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出了基于飞行机器人对辐射源目标的定位方法及系统，用于对各种带辐射源的目标进行精确的搜寻定位，从而避免了传统搜寻方法的各种不便及所带来的各种问题，而可以更迅捷并且精确的搜寻并予以定位目标。

本发明的构思是：在传统的搜寻定位方法之中，不管是陆地还是海上，搜寻目标都是各个搜寻子单位直接通过对目标信号的探测来定位位置，各自搜寻独自的区域。造成可能存在的资源浪费，低效率搜寻对于目标搜寻也是不适合。而我们所提出的这种双飞行机器人的方法，脱离传统搜寻模式，两个飞行机器人能实时对目标进行搜寻，预估定位目标，并能实时相互通讯，实时的制定新的搜索飞行路线，能够迅速的缩小搜寻区域，加快搜寻的速度，使得系统能够最短的时间之内，对目标作出最实时最精确的定位，直到最终两架飞行机器人发现目标。

在我们的系统之中，主要用到两架旋翼飞行机器人，每架飞机都通过机载主控制系统，对通过采集机载信号接收测向设备，机载无线通讯系统，机载GPS全球定位系统传输过来的信号来对飞行控制系统进行调整。

在我们的发明之中，两个飞行机器人接收到搜寻任务之后，两架飞行机器人在搜寻的过程中，通过信号测向设备，不断接收辐射信号，在接收到目标信号之后，信号通过设备分别进行测向计算，分别得到目标相对于飞行器当前位置的方向α，β，同时通过机载GPS全球定位系统读出飞机的坐标位置(x1，y1)，(x2，y2)，并将采集的方向数据，位置数据发送到机载无线通讯模块，通过两飞机之间的通讯把数据传输到另一架飞行器。同时，飞机的无线电系统在接收到另一架飞机传送过来的角度信号，位置信息后，由三角定位的方法得出目标公式，如图4所示：

$x0=\frac{y1-y2+\mathrm{tg\β}\·x2-\mathrm{tg\α}\·x1}{\mathrm{tg\β}-\mathrm{tg\α}}$

$y0=\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg\β}\·(x1-x2)+\mathrm{tg\α}\·y2-\mathrm{tg\βy}1}{\mathrm{tg\α}-\mathrm{tg\β}}$

得到目标的位置坐标。得到目标位置坐标之后，主控制单元通过无线通讯单元接收对方的飞行控制指令，制定新的飞行路线。同时，通过无线通讯系统向另一架飞行器发送飞行控制指令，同时向飞行控制单元发送指令，使得飞行控制单元根据指令对飞机的航向进行修正。从而实现了两架飞行器之间的协调控制，能够最大化的优化搜寻的飞行路径，从而能够最大化的找到未知目标。

具体可以参考附图1所示，其中主控单元接受各位置信息，通过内嵌的算法对飞机控制单元给予输出量，同时通过无线通讯模块发出数据。

由于距离较远等多方面因素，定位的目标位置信息有误差，飞行机器人向目标位置飞行过程中不断进行相互的通讯和协调控制，并以一定时间间隔对目标位置重新定位，连续的定位信息一方面经飞行控制系统不断地修正飞行机器人的航线，另一方面将有误差的定位信息传回地面基站。当飞行机器人搜寻到目标的准确位置后，将目标最终的位置信息反馈给地面上的基站。由于不断更新目标实时位置，从而能跟在最短的时间能够对隐匿的各种目标予以精确的定位。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于飞行机器人对辐射源目标和定位方法，其一种基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法，其特征在于如下定位步骤：

1)将两个信号测向仪分别安装在两个无人飞行机器人上，使得两个无人飞行机器人能够在飞行过程之中接收目标发射源发出的无线电信号；

2)每个无人飞行机器人作为独立的飞行单元，搜寻到目标发射源发出的信号之后对其信号方向进行测量，并将测向结果α或β，通过无线通讯设备(3)发送给另一个飞行单元；

3)通过无线通讯设备接收另一子飞行单元发送来的测向结果β或α，结合本单元的测向结果α或β，对搜寻的目标采用三角定位方法对其进行定位；

4)通过定位得到的预定位目标信息(x0，y0)，为了逼近目标，对飞行航向进行修正；

5)修正航向之后，通过无线通讯设备，将航向修正信息发送给另一飞行单元；

6)无人飞行机器人通过接收另一飞行发送过来的修正后的航向信息，制定自己新的航向，来不断逼近目标源，并将定位结果无线通过通讯设备发送给基地系统；

7)不断重复步骤2)、3)、4)、5)和6)，不断对目标进行定位，同时进行逼近飞行，实现对目标精确定位。

上述步骤3)中的三角定位方法是：根据权利要求1所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法，其特征在于所述步骤3)中的三角定位方法是：

由以下公式求得目标预定位信息：

$\frac{y1-y2+\mathrm{tg\β}\·x2-\mathrm{tg\α}\·x1}{\mathrm{tg\β}-\mathrm{tg\α}}$

$y0=\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg\β}\·(x1-x2)+\mathrm{tg\α}\·y2-\mathrm{tg\βy}1}{\mathrm{tg\α}-\mathrm{tg\β}}$

其中，x0，y0是目标预定位信息，(x1，y1)(x2，y2)是两个无人飞行机器人的位置信息，α，β两个无人飞机机器人进行的测向结果，通过三角关系，我们可以得到目标预定位信息。

一种基于双飞行机器人对辐射源目标定位系统，应用于上述定位方法，包括两个无人飞行机器人，每个无人飞行机器人基于双飞行机器人对辐射源目标的定位系统，应用于根据权利要求1所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法，包括两个无人飞行机器人、每个无人飞行机器人上各装有GPS定位仪，无线电通讯设备、飞行控制设备、主控单元，其特征在于每个无人飞行机器人装有信号测向仪，所述信号测向仪与主控单元通过RS-232与串口连接，进行测向信号传输；飞行控制设备与主控单元CAN总线连接，实时传输导航飞行控制信息；GPS定位仪通过RS-232串口与主控单元连接，向主控单元传输无人飞行机器人的位置信息，主控单元通过RS-232串口使得无线电通讯设备能够与另一飞行单元之间实时进行交互。

上述信号测向仪、无线电通讯设备及根据权利要求3所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位系统，其特征在于所述信号测向仪、无线电通讯设备及GPS定位仪都安装在飞行机器人的下部，飞行控制设备及主控单元也安装在无人飞行机器人的下部。

上述主控单元得到的目标预定数据根据权利要求3所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位系统，其特征在于所述主控(5)单元得到的目标预定位数据通过无线通讯设备(3)与基地总控制单元(7)通讯，同时接收基地总控制单元(7)通过无线通讯装置(8)发出的飞行控制指令；主控单元(5)得到的测向方向信息，飞行单元位置，航向信息也同时通过无线通讯设备(3)与另一架无人飞行机器人进行通讯。

本发明具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明采用的双无人飞行机器人，能够在各种天气情况下进行独立飞行搜寻任务，减少了有人搜寻所带来的高成本及各种未知的风险性，同时，双飞行机器人能够在较短的时间之内完成目标的搜寻，通过实时搜寻信息优化搜寻路径，能够最大程度的提升搜寻的性价比，安全性，高效性。同时，该方法的产生对未来各种遗失目标的搜寻能够带来技术上的提升及选择。正是由于飞行机器人体积小、携带方便，成本低的特点，随着该项技术的逐渐成熟，这方面潜在的应用前景也是十分广阔的

附图说明

图1是本发明的一个实施例中一个飞行单元的定位系统结构框图。

图2是本发明实例的系统结构示意图。

图3是本发明实例的一个搜寻定位原理图。

图4是本发明中算法三角关系示意简图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

参见图1和图2，本基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法，其定位步骤如下：

1)将两个信号测向仪(4)分别安装在两个无人飞行机器人(1、6)上，使得两个无人飞行机器人(1、6)能够在飞行过程之中接收目标发射源(10)发出的无线电信号；

2)每个无人飞行机器人(1、6)作为独立的飞行单元，搜寻到目标发射源(10)发出的信号之后对其信号方向进行测量，并将测向结果α或β，通过无线通讯设备(3)发送给另一个飞行单元；

3)通过无线通讯设备(3)接收另一子飞行单元发送来的测向结果β或α，结合本单元的测向结果α或β，对搜寻的目标采用三角定位方法对其进行定位；

4)通过定位得到的预定位目标信息(x0，y0)，为了逼近目标，对飞行航向进行修正；

5)修正航向之后，通过无线通讯设备(3)，将航向修正信息发送给另一飞行单元；

6)无人飞行机器人(1、6)通过接收另一飞行发送过来的修正后的航向信息，制定自己新的航向，来不断逼近目标源，并将定位结果无线通过通讯设备(3)发送给基地系统；

7)不断重复步骤2)、3)、4)、5)和6)，不断对目标进行定位，同时进行逼近飞行，实现对目标精确定位。

参见图3和图4，上述步骤3)中的三角定位方法是：

由以下公式求得目标预定位信息根据权利要求1所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法，其特征在于所述步骤3)中的三角定位方法是：

由以下公式求得目标预定位信息：

$x0=\frac{y1-y2+\mathrm{tg\β}\·x2-\mathrm{tg\α}\·x1}{\mathrm{tg\β}-\mathrm{tg\α}}$

$y0=\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg\β}\·(x1-x2)+\mathrm{tg\α}\·y2-\mathrm{tg\βy}1}{\mathrm{tg\α}-\mathrm{tg\β}}$

其中，x0，y0是目标预定位信息，(x1，y1)(x2，y2)是两个无人飞行机器人的位置信息，α，β两个无人飞机机器人进行的测向结果，通过三角关系，我们可以得到目标预定位信息。

参见图1和图2，本基于双飞行机器人对辐射源目标的定位系统，包括两个无人飞行机器人(1、6)、每个无人飞行机器人(1，6)上各装有GPS定位仪(2)、无线通讯设备(3)、信号测向仪(4)、主控单元(5)、飞行控制设备(11)、GPS模块(12)、电源模块(13)、电子罗盘(15)和陀螺仪(16)。GPS定位仪(2)、无线通讯设备(3)、信号测向仪(4)、GPS模块(12)、电子罗盘(15)和陀螺仪(16)通过RS-232串口(14)连接主控单元(5)，主控单元(5)连接飞行控制设备(11)。

本实例采用双飞行机器人是两架SUAV-X160型超小型无人旋翼机(1，6)。GPS定位仪(2)采用RGM3000定位仪，无线通讯设备(3)采用XStream XH9-019PKC-R，机载的主控制单元(5)采用TMS320F2812系列DSP芯片来实现对各个模块的控制，同时嵌入了定位算法及导航算法，目标为发射源目标(10)，基地设有基地总控制单元(7)，负责接受基地无线通讯装置(8)送来的位置，两者通过串口相连，无线接受装置及其天线，具体可以参考图2。具体的搜寻目标定位方法如图3所示，两个无人飞行机器人(1、6)在收到搜寻指令后，从基地出发，A向A位置1搜寻，B向B位置1搜寻。在位置1时刻，飞机A第一时间搜寻到目标给出的信号，并通过测向仪对目标信号方位进行测向，得到方向角度，同时把信号反馈给总控制控制单元，与此同时，导出GPS全球定位仪的飞机A的位置信息，通过无线通讯发送器把飞机位置数据，及目标方位信息传送给B飞机。同时，总控制单元通过无线电接收器接收B飞机发送来的目标方位，及飞行器B的位置信息，结合当前飞机A的位置及目标的角度，通过三角定位原理，目标位置的数学模型得到目标位置信息。根据目标位置信息，飞机A将飞行搜寻路线修改，并把控制量传送给机载飞行控制单元修改航向。同时总控单元将航向信息，目标位置信息，飞机位置信息，通过无线电发送装置，发送给B飞行器及基地无线电信号接收器。同时，飞行器B在位置1处也完成同样的功能。飞机接着按照新的航向向目标飞行，同时，再次采用相同的原理，基于两飞行器相互协调控制飞行，协调定位，飞机A在A位置2，飞机B在B位置2，对目标方位进行修改，得到预定位目标位置2。接下来，两架无人旋翼机采用这种方法，通过的不断飞行接近，逐渐精确定位目标的位置信息，在飞机A达到位置n，飞机B到达位置n时，两飞机进行协调控制，协调定位，得到目标最终位置n。可采用机载视频采集模块，将最终目标的实时信息通过采集视频数据，通过无线传送模块发送回基地通讯系统，基地通讯系统通过接受目标位置信号然后总搜寻单元，从而实现目标位置的搜寻与定位。

Claims (5)

1.一种基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法，其特征在于如下定位步骤：

1)将两个信号测向仪(4)分别安装在两个无人飞行机器人(1、6)上，使得两个无人飞行机器人(1、6)能够在飞行过程之中接收目标发射源(10)发出的无线电信号；

2)每个无人飞行机器人(1、6)作为独立的飞行单元，搜寻到目标发射源(10)发出的信号之后对其信号方向进行测量，并将测向结果α或β，通过无线通讯设备(3)发送给另一个飞行单元；设两个无人飞行机器人(1、6)为无人飞行机器人A(1)和无人飞行机器人B(6)，两个无人飞行机器人(1、6)间的连线与无人飞行机器人A(1)同目标间的连线形成的夹角为α，两个无人飞行机器人(1、6)间的连线与无人飞行机器人B(6)同目标间的连线形成的夹角为β；

3)通过无线通讯设备(3)接收另一飞行单元发送来的测向结果β或α，结合本单元的测向结果α或β，对搜寻的目标采用三角定位方法对其进行定位；

4)通过定位得到的目标预定位信息(x0，y0)，为了逼近目标，对飞行航向进行修正；

5)修正航向之后，通过无线通讯设备(3)，将航向修正信息发送给另一飞行单元；

6)两个无人飞行机器人(1、6)通过接收另一飞行单元发送过来的修正后的航向信息，制定自己新的航向，来不断逼近目标源，并将定位结果通过无线通讯设备(3)发送给基地系统；

7)不断重复步骤2)、3)、4)、5)和6)，不断对目标进行定位，同时进行逼近飞行，实现对目标精确定位。

2.根据权利要求1所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法，其特征在于所述步骤3)中的三角定位方法是：

由以下公式求得目标预定位信息：

其中，x0，y0是目标预定位信息，(x1，y1)(x2，y2)是两个无人飞行机器人(1、6)的位置信息，α，β是两个无人飞机机器人(1、6)进行的测向结果，通过三角关系，我们可以得到目标预定位信息。

3.基于双飞行机器人对辐射源目标的定位系统，应用于根据权利要求1所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位方法，包括两个无人飞行机器人(1、6)、每个无人飞行机器 人(1、6)上各装有GPS定位仪(2)，无线通讯设备(3)、飞行控制设备(11)、主控单元(5)，其特征在于每个无人飞行机器人(1、6)装有信号测向仪(4)，所述信号测向仪(4)与主控单元(5)通过RS-232串口(14)连接，进行测向信号传输；飞行控制设备(11)与主控单元(5)CAN总线连接，实时传输导航飞行控制信息；GPS定位仪(2)通过RS-232串口(14)与主控单元(5)连接，向主控单元(5)传输无人飞行机器人(1、6)的位置信息，主控单元(5)通过RS-232串口(14)使得无线通讯设备(3)能够与另一飞行单元之间实时进行交互。

4.根据权利要求3所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位系统，其特征在于所述信号测向仪(4)、无线通讯设备(3)及GPS定位仪(2)都安装在无人飞行机器人(1、6)的下部，飞行控制设备(11)及主控单元(5)也安装在无人飞行机器人(1、6)的下部。

5.根据权利要求3所述的基于双飞行机器人对辐射源目标的定位系统，其特征在于所述主控(5)单元得到的目标预定位信息通过无线通讯设备(3)与基地总控制单元(7)通讯，同时接收基地总控制单元(7)通过无线通讯装置(8)发出的飞行控制指令；主控单元(5)得到的测向方向信息，飞行单元位置，航向信息也同时通过无线通讯设备(3)与另一架无人飞行机器人进行通讯。 

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