CN104506210A - 一种无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其步骤为：S1：进行超宽带雷达组网；设置机载UWB超宽带雷达，并在机场地面上设置若干个基准节点，构成超宽带雷达网；S2：通过超宽带雷达网进行无人机坐标位置解算。本发明具有适用范围广、可靠性好、能够在各种复杂环境下完成自主起降定位等优点。

Description

一种无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法

技术领域

本发明主要涉及到无人机领域，特指一种适用于无人机自主起降过程中的超宽带雷达组网定位方法。

背景技术

随着无人机性能的不断提升，其在民用和军用领域得到了广泛的应用。而无人机在起降和飞行过程中，要求实时获取其空间位置信息，是起飞降落过程中的关键。从各国无人机事故统计情况来看，大部分事故都是发生在无人机的起降过程中。一般来说，无人机的空间位置可以利用卫星定位系统(如GPS/北斗)等来获取，然而卫星定位系统在复杂环境下信号可能会拒止，使得其无法获取高精度的位置信息,因此需要寻求其他的辅助定位系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种适用范围广、可靠性好、能够在各种复杂环境下完成自主起降定位的无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其步骤为：

S1：进行超宽带雷达组网；设置机载UWB超宽带雷达，并在机场地面上设置若干个基准节点，构成超宽带雷达网；

S2：通过超宽带雷达网进行无人机坐标位置解算。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S2的过程为：

S201：系统初始化；

S202：通过机载UWB超宽带雷达广播UWB脉冲信号；

S203：各个基准节点接受UWB脉冲信号，并向机载UWB超宽带雷达返回信号；通过计算往返时间，测量出准确距离；

S204：把测量出的各个距离通过组网链路传输到各个基准节点；

S205：根据机载UWB超宽带雷达测量出来的距离结果，通过定位算法计算出最终定位的坐标结果。

作为本发明的进一步改进：所述定位算法的解算公式为：

(x_D-x_A)²+(y_D-y_A)²+(z_D-z_A)²＝R_AD ²

(x_D-x_B)²+(y_D-y_B)²+(z_D-z_B)²＝R_BD ²

(x_D-x_C)²+(y_D-y_C)²+(z_D-z_C)²＝R_CD ²

其中：A点的坐标为(x_A,y_A,z_A)，B点的坐标为(x_B,y_B,z_B)，C点的坐标为(x_C,y_C,z_C)，D点的坐标为(x_D,y_D,z_D)，R_AD为点A到点B的距离，R_BD为点B到点D的距离，R_CD为点C到点D的距离。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S201包括进行测距轮询时间、信号频点、基准节点个数的初始化。

作为本发明的进一步改进：还包括超宽带雷达组网标定过程：

S101：定义基准平面；假设机场地面为水平面，把三个基准节点放置在水平面上，且不在同一条直线上，以其中一个基准节点A为原点，以A到B的方向为X轴，以水平面为基准面，建立三维直角坐标系；

S102：标定基准节点坐标；利用UWB超宽带雷达自动组网，测量出A到B的距离为R_AB，A到C的距离为R_AC，B到C的距离为R_BC。设A点的坐标为A(0,0,0)，B点的坐标为B(R_AB,0,0)；通过A点和B点坐标解算C点坐标(x_C，y_C,0)。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S102中的计算公式为：

(x_C-0)²+(y_C-0)²＝R_AC ²

(x_C-R_AB)²+(y_C-0)²＝R_BC ²

根据上述两个公式可得C点坐标为：

$C(({R_{\mathrm{AC}}}^2-{R_{\mathrm{BC}}}^2-{R_{\mathrm{AB}}}^2)/2R_{\mathrm{AB}},\sqrt{{R_{\mathrm{AB}}}^2-({R_{\mathrm{AC}}}^2-{R_{\mathrm{BC}}}^2-{R_{\mathrm{AB}}}^2)/{2R}_{\mathrm{AB}}},0)$

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，在超宽带雷达的测距和通信的技术基础上增加组网定位，为无人机在没有高精度卫星定位系统信号的情况下，实现精确的定位导航。利用超宽带雷达测距和通信组网功能，可以自动校准机载节点之间的位置误差，简化基准节点的标定过程，为精确定位提供有利条件。在无人机起降过程中，采用超宽带轮询的方法测量机载超宽带雷达与各个基准节点雷达的距离，并结合几何定位算法，解算出无人机的坐标位置，结合无人机的飞控系统，实现无人机的自主起降。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图。

图2是本发明在具体应用时构建坐标系的示意图。

图3是本发明在具体应用实例中进行标定的示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其步骤为：

S1：进行超宽带雷达组网；设置机载UWB超宽带雷达，并在机场地面上设置若干个基准节点，构成超宽带雷达组网；

作为较佳的实施例，本实施例进一步包括超宽带雷达组网标定过程；即包括：

S101：定义基准平面；

假设机场地面为水平面，把三个基准节点放置在水平面上，且不在同一条直线上，以其中一个基准节点A为原点，以A到B的方向为X轴，以水平面为基准面，建立三维直角坐标系，如图2所示。

S102：标定基准节点坐标；

利用UWB超宽带雷达自动组网，测量出A到B的距离为R_AB，A到C的距离为R_AC，B到C的距离为R_BC。设A点的坐标为A(0,0,0)，B点的坐标为B(R_AB,0,0)。通过A点和B点坐标解算C点坐标(x_C，y_C,0)，如图3所示。

计算公式为：

(x_C-0)²+(y_C-0)²＝R_AC ²    (1)

(x_C-R_AB)²+(y_C-0)²＝R_BC ²    (2)

根据上述公式(1)、(2)可得C点坐标为：

$C(({R_{\mathrm{AC}}}^2-{R_{\mathrm{BC}}}^2-{R_{\mathrm{AB}}}^2)/2R_{\mathrm{AB}},\sqrt{{R_{\mathrm{AB}}}^2-({R_{\mathrm{AC}}}^2-{R_{\mathrm{BC}}}^2-{R_{\mathrm{AB}}}^2)/{2R}_{\mathrm{AB}}},0)---\left(3\right)$

S2：无人机坐标位置解算；

S201：系统初始化：主要包括测距轮询时间、信号频点、基准节点个数；

S202：机载UWB超宽带雷达广播UWB脉冲信号；

S203：各个基准节点接受UWB脉冲信号，并向机载UWB超宽带雷达返回信号。通过计算往返时间，测量出准确距离；

S204：把测量出的各个距离通过组网链路传输到各个基准节点。

S205：根据机载UWB超宽带雷达测量出来的距离结果，通过最小二乘等定位算法计算出最终定位的坐标结果。解算公式如下：

(x_D-x_A)²+(y_D-y_A)²+(z_D-z_A)²＝R_AD ²     (4)

(x_D-x_B)²+(y_D-y_B)²+(z_D-z_B)²＝R_BD ²     (5)

(x_D-x_C)²+(y_D-y_C)²+(z_D-z_C)²＝R_CD ²     (6)

S3：根据上述定位结果，结合无人机的飞控系统，引导无人机安全起降。

本实施例中，超宽带UWB雷达是发射信号的分数带宽(FBW)大于0.25的雷达。超宽带技术是一种不用传统余弦载波，而是采用纳米时长的脉冲进行通信。超宽带是指该技术有多径分辨能力强、抗干扰性强等优点，在精确测距和定位、短距离通信等军事和民用领域有广泛的应用。利用UWB组网测距信息，在卫星信号拒止的情况下，可以实时的提供高精度的无人机位置信息，扩大了无人机的使用范围。

采用本发明的上述方法，在无人机起降过程中,通过超宽带雷达组网定位，并结合无人机的飞控系统，可以引导无人机安全起降，从而解决了无人机在复杂环境中自主起降的问题,具有一定的理论和实用价值。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其特征在于，步骤为：

S1：进行超宽带雷达组网；设置机载UWB超宽带雷达，并在机场地面上设置若干个基准节点，构成超宽带雷达网；

S2：通过超宽带雷达网进行无人机坐标位置解算。

2.根据权利要求1所述的无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其特征在于，所述步骤S2的过程为：

S201：系统初始化；

S202：通过机载UWB超宽带雷达广播UWB脉冲信号；

S203：各个基准节点接受UWB脉冲信号，并向机载UWB超宽带雷达返回信号；通过计算往返时间，测量出准确距离；

S204：把测量出的各个距离通过组网链路传输到各个基准节点；

S205：根据机载UWB超宽带雷达测量出来的距离结果，通过定位算法计算出最终定位的坐标结果。

3.根据权利要求2所述的无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其特征在于，所述定位算法的解算公式为：

(x_D-x_A)²+(y_D-y_A)²+(z_D-z_A)²＝R_AD ²

(x_D-x_B)²+(y_D-y_B)²+(z_D-z_B)²＝R_BD ²

(x_D-x_C)²+(y_D-y_C)²+(z_D-z_C)²＝R_CD ²

其中：A点的坐标为(x_A,y_A,z_A)，B点的坐标为(x_B,y_B,z_B)，C点的坐标为(x_C,y_C,z_C)，D点的坐标为(x_D,y_D,z_D)，R_AD为点A到点B的距离，R_BD为点B到点D的距离，R_CD为点C到点D的距离。

4.根据权利要求3所述的无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其特征在于，所述步骤S201包括进行测距轮询时间、信号频点、基准节点个数的初始化。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其特征在于，还包括超宽带雷达组网标定过程：

S101：定义基准平面；假设机场地面为水平面，把三个基准节点放置在水平面上，且不在同一条直线上，以其中一个基准节点A为原点，以A到B的方向为X轴，以水平面为基准面，建立三维直角坐标系；

S102：标定基准节点坐标；利用UWB超宽带雷达自动组网，测量出A到B的距离为R_AB，A到C的距离为R_AC，B到C的距离为R_BC。设A点的坐标为A(0,0,0)，B点的坐标为B(R_AB,0,0)；通过A点和B点坐标解算C点坐标(x_C，y_C,0)。

6.根据权利要求5所述的无人机自主起降过程中超宽带雷达组网定位方法，其特征在于，所述步骤S102中的计算公式为：

(x_C-0)²+(y_C-0)²＝R_AC ²

(x_C-R_AB)²+(y_C-0)²＝R_BC ²

根据上述两个公式可得C点坐标为：

$C(({R_{\mathrm{AC}}}^2-{R_{\mathrm{BC}}}^2-{R_{\mathrm{AB}}}^2)/{2R}_{\mathrm{AB}},\sqrt{{R_{\mathrm{AB}}}^2-({R_{\mathrm{AC}}}^2-{R_{\mathrm{BC}}}^2-{R_{\mathrm{AB}}}^2)/{2R}_{\mathrm{AB}}},0).$