CN103383260A - 一种无人机导航系统及其合作导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机导航系统及其合作导航系统，其中该合作导航系统包括多个无人机，每个无人机包括导航单元、无线通信单元以及能源模块，其中导航单元包括三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器、卡尔曼滤波算法模块以及GPS接收机，无线通信单元包括MESH组网模块、数据共享和存储模块以及无线通信模块。导航单元通过卡尔曼滤波算法模块根据各种传感器采集的数据以及GPS接收模块接收的数据计算无人机的飞行参数，各个无人机之间通过MESH网络协议相互通信，从而达到协作分工完成任务。本发明的无人机合作导航系统，体积小，重量轻，无人机导航系统设备之间可以相互通信合作，并采用外部新能源供电，功耗低。

Description

一种无人机导航系统及其合作导航系统

【技术领域】

本发明是关于无人机导航系统领域，特别是关于多个无人机合作的导航系统。

【背景技术】

导航技术是无人机技术中最关键和重要的技术之一。无人机导航是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。要使无人机成功完成预定的航行任务，除了起始点和目标的位置之外，还必须知道无人机的飞行姿态、实时位置、航行速度、航向等导航参数。

目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导航以及地磁导航等。这些导航技术都有各自的优缺点，因此，在无人机导航中，要根据无人机担负的不同任务来选择合适的导航技术至关重要。

由于单一的导航系统具有各自的优缺点，组合导航是指把两种或两种以上的导航系统以适当的方式组合在一起，利用其性能上的互补特性，可以获得比单独使用任一系统时更高的导航性能。而通常完成某些预定任务时需要多个无人机相互协作分工完成某些任务，但是现有的导航系统体积大，功耗大，相互之间无法通信协作，因此需要提供一种新的导航系统以克服现有技术的缺陷。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种无人机合作导航系统。

本发明的另一目的在于提供一种无人机导航系统。

为达成前述目的，本发明一种无人机合作导航系统，其包括多个无人机，每个无人机上配置有导航系统，其中该导航系统包括导航单元、无线通信单元以及能源模块，其中导航单元包括三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器、卡尔曼滤波算法模块以及GPS接收机，无线通信单元包括MESH组网模块、数据共享和存储模块以及无线通信模块；导航系统通过卡尔曼滤波算法模块根据导航单元的各种传感器采集的数据以及GPS接收模块接收的数据计算无人机的飞行参数，各个无人机之间通过无线通信单元的MESH网络协议相互通信，能源模块为系统提供电能。

根据本发明的一个实施例，所述三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器分别为MEMS三轴加速度传感器，MEMS三轴陀螺仪传感器、MEMS三轴地磁传感器。

根据本发明的一个实施例，所述每个无人机之间的通信包括相互之间了解对方姿态和航向信息，团队间相互了解和协作完成某个任务，当某个无人机停止工作或者坏掉的时候，其它无人机成员之间立即自动组网，通过自组织自愈合网络相互通信。

根据本发明的一个实施例，所述导航系统的所有数据可以通过无线通信模块自动上传到远程中心服务器，保存到数据库。

根据本发明的一个实施例，所述无线通信模块支持RS485、USB、RS232、SPI、CAN总线多种接口。

为达成前述另一目的，本发明一种无人机导航系统，其包括导航单元、无线通信单元以及能源模块，其中导航单元包括三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器、卡尔曼滤波算法模块以及GPS接收机，无线通信单元包括MESH组网模块、数据共享和存储模块以及无线通信模块；导航系统通过卡尔曼滤波算法模块根据导航单元的各种传感器采集的数据以及GPS接收模块接收的数据计算无人机的飞行参数，各个无人机之间通过无线通信单元的MESH网络协议相互通信，共享数据并统筹分配任务，能源模块为系统提供电能。

根据本发明的一个实施例，所述三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器分别为MEMS三轴加速度传感器，MEMS三轴陀螺仪传感器、MEMS三轴地磁传感器。

根据本发明的一个实施例，所述导航系统的所有数据可以通过无线通信模块自动上传到远程中心服务器，保存到数据库。

根据本发明的一个实施例，所述无线通信模块支持RS485、USB、RS232、SPI、CAN总线多种接口。

本发明的无人机导航系统，体积小（长宽高小于40x40x20mm），重量轻（小于48克），功耗低（小于300mW5V）；横滚、俯仰的精度小于0.05；而且本发明的无人机导航系统带有外部震动发电或者太阳能供电接口，用户可远程调控，支持多种接口（RS485、USB、RS232、SPI、CAN总线），所有数据可以自动上传和存储到远程服务器中心，无人机导航系统设备相互之间可以组网、通信和合作任务。

【附图说明】

图1是本发明的多个无人机合作导航系统的示意图；

图2是本发明的无人机导航系统的结构框图。

【具体实施方式】

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

在完成某些任务时，可能需要多个无人机相互协作共同完成某些任务。所以本发明是由多个无人机组成的无人机合作导航系统。请参阅图1所示，其显示本发明的多个无人机合作导航系统的示意图。如图1中所示，本发明的多个无人机合作导航系统包括无人机A、无人机B、无人机C……无人机N等多个无人机。其中每个无人机本身含有导航系统，能够由远程用户对无人机进行远程监测和控制。而本发明的多个无人机合作导航系统的每个无人机之间可以通过无线通信相互通信，比如相互之间了解对方姿态和航向信息，团队间相互了解和协作完成某个任务，当某个无人机停止工作或者坏掉的时候，其它无人机成员之间立即自动组网，通过自组织自愈合网络相互通信，他们之间不相互干扰，从而达到协作分工完成任务。

远程监控人员随时随地通过手机网或者互联网，使用浏览器了解整个无人机团队的工作情况和协助情况，用户也可以远程控制整个团队的协助工作情况。

请参阅图2所示，其显示本发明的无人机合作导航系统中每个无人机的导航系统的结构图。如图2中所示，本发明的无人机导航系统包括导航单元1、无线通信单元2以及能源模块3。

请继续参阅图2所示，本发明的导航系统的导航单元1采用的是惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）与GPS系统的组合，这种组合导航系统对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准、惯导系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯导系统的性能和精度，对GPS系统来说，惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机动态特性和抗干扰性。另外，INS/GPS综合还可以实现GPS完整性的检测，从而提高可靠性。另外，INS/GPS组合可以实现一体化，把GPS接收机放入惯导部件中，以进一步减少系统的体积、质量和成本，便于实现惯导和GPS同步，减小非同步误差。

其中本发明的惯性导航系统包括MEMS的三轴加速度传感器11、三轴MEMS陀螺仪传感器12和MEMS的三轴地磁传感器13，MEMS的传感器体积小（2mmx2mmx1.2mm）、重量轻、功耗低。

GPS系统包括GPS接收机15，其接收GPS信号，来确定无人机的位置，并且辅助INS导航。

本发明的导航系统还包括卡尔曼滤波算法模块14，卡尔曼滤波算法模块14使用卡尔曼滤波算法，根据惯性导航系统的各个传感器11、12、13采集测量的无人机的姿态相关信息（例如，横滚和俯仰），速度相关信息(例如，速率、速度、加速度、角度、角速度)、航向相关信息（地理位置、方位航向）以及GPS系统提供的无人机的位置信息等，来计算无人机的飞行参数，并且提高无人机姿态和航向参数的精度，确保姿态信息的稳定性和可靠性。其中无人机横滚、俯仰的精度可以达到小于0.05。

本发明的无人机导航系统的无线通信单元2包括MESH组网模块21、数据共享和存储模块22以及无线通信模块23。

MESH组网模块21提供MESH网络协议算法，让每个无人机可以相互之间通信，比如相互之间了解对方姿态和航向信息，团队间相互了解和协作完成某个任务，当某个无人机停止工作或者坏掉的时候，其它无人机成员之间立即自动组网，通过自组织自愈合网络相互通信，他们之间不相互干扰，从而达到协作分工完成任务。并且随着日后通讯组网技术的升级，此模块可单独升级以提高组网速度及组网范围，而不会对其他模块产生影响。

数据共享和存储模块22，用于存储导航系统采集的各种数据信息，并且通过无线网络，可以实现在多个无人机之间相互共享这些数据。同时，因为该模块掌管整个无人机队伍的飞行数据，所以还要负责无人机队伍的统筹分配职责，决定在无人机队内部出现矛盾时，各个无人机的事件处理优先级别。

无线通信模块23包括收发天线、功率放大、模数转换等等单元，其用于实现无线信号的收发。关于无线通信模块的具体内容本发明不再详细说明。该导航系统的所有数据可以通过无线通信模块自动上传到远程中心服务器，保存到数据库，方便以后实验分析数据。本发明的无线通信模块支持多种接口（例如，RS485、USB、RS232、SPI、CAN总线）。

新能源模块3是用于向导航单元1以及无线通信单元2提供电源，在本发明中该导航系统采用新能源供电，比如可以采用外接太阳能模块或者震动发电模块来供电源。

本发明的无人机导航系统通过卡尔曼滤波算法模块根据惯性导航系统的各种传感器采集的数据以及GPS接收模块接收的数据计算无人机的飞行参数，实现对无人机的精确控制，而各个无人机之间通过无线通信单元的MESH网络协议相互通信，从而达到协作分工完成任务。

本发明的无人机导航系统，体积小（长宽高小于40x40x20mm），重量轻（小于48克），功耗低（小于300mW5V）；横滚、俯仰的精度小于0.05；而且本发明的无人机导航系统带有外部震动发电或者太阳能供电接口，用户可远程调控，支持多种接口（RS485、USB、RS232、SPI、CAN总线），所有数据可以自动上传和存储到远程服务器中心，无人机导航系统设备相互之间可以组网、通信和合作任务。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (9)

1.一种无人机合作导航系统，其包括多个无人机，每个无人机上配置有导航系统，其中该导航系统包括导航单元、无线通信单元以及能源模块，其中导航单元包括三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器、卡尔曼滤波算法模块以及GPS接收机，无线通信单元包括MESH组网模块、数据共享和存储模块以及无线通信模块；导航系统通过卡尔曼滤波算法模块根据导航单元的各种传感器采集的数据以及GPS接收模块接收的数据计算无人机的飞行参数，各个无人机之间通过无线通信单元的MESH网络协议相互通信，能源模块为系统提供电能。

2.如权利要求1所述的无人机合作导航系统，其特征在于：所述三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器分别为MEMS三轴加速度传感器，MEMS三轴陀螺仪传感器、MEMS三轴地磁传感器。

3.如权利要求1所述的无人机合作导航系统，其特征在于：所述每个无人机之间的通信包括相互之间了解对方姿态和航向信息，团队间相互了解和协作完成某个任务，当某个无人机停止工作或者坏掉的时候，其它无人机成员之间立即自动组网，通过自组织自愈合网络相互通信。

4.如权利要求1所述的无人机合作导航系统，其特征在于：所述导航系统的所有数据可以通过无线通信模块自动上传到远程中心服务器，保存到数据库。

5.如权利要求1所述的无人机合作导航系统，其特征在于：所述无线通信模块支持RS485、USB、RS232、SPI、CAN总线多种接口。

6.一种无人机导航系统，其包括导航单元、无线通信单元以及能源模块，其中导航单元包括三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器、卡尔曼滤波算法模块以及GPS接收机，无线通信单元包括MESH组网模块、数据共享和存储模块以及无线通信模块；导航系统通过卡尔曼滤波算法模块根据导航单元的各种传感器采集的数据以及GPS接收模块接收的数据计算无人机的飞行参数，各个无人机之间通过无线通信单元的MESH网络协议相互通信，能源模块为系统提供电能。

7.如权利要求6所述的无人机导航系统，其特征在于：所述三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器、三轴地磁传感器分别为MEMS三轴加速度传感器，MEMS三轴陀螺仪传感器、MEMS三轴地磁传感器。

8.如权利要求6所述的无人机导航系统，其特征在于：所述导航系统的所有数据可以通过无线通信模块自动上传到远程中心服务器，保存到数据库。

9.如权利要求6所述的无人机导航系统，其特征在于：所述无线通信模块支持RS485、USB、RS232、SPI、CAN总线多种接口。

Images