CN105352505B - 室内无人机导航方法及无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种室内无人机导航方法及无人机，该导航方法包括：采用三轴陀螺仪测量无人机的角速度，并采用多组超声波测距传感器测量超声波信号、采用温度传感器测量室内的温度数据；根据所述室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿；利用温度补偿后的超声波信号分别计算所述无人机、与室内的四壁、天花板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出所述无人机的位置；根据所述无人机的角速度，计算所述无人机的姿态角。本发明应用较少的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种室内无人机导航方法及无人机。
背景技术
现有的无人机中没有可独立工作的用于室内定位的微型无人机。并且，目前无人机采用的导航方法比较传统，依赖的传感器类型较多，从而导致无人机的结构和融合算法都较为复杂。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种室内无人机导航方法及无人机，应用较少的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使用。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种室内无人机导航方法，包括如下步骤：
步骤S1，采用三轴陀螺仪测量无人机的角速度，并采用多组超声波测距传感器测量超声波信号、采用温度传感器测量室内的温度数据，其中，所述超声波测距传感器为6组，分别安装于所述无人机上多个固定位置处；
步骤S2，根据所述室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿；
步骤S3，利用温度补偿后的超声波信号分别计算所述无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出所述无人机的位置；
步骤S4，根据所述无人机的角速度，计算所述无人机的姿态角，包括如下步骤：
步骤S41，建立机体坐标系和导航坐标系；
步骤S42，根据所述无人机的角速度计算所述无人机在所述机体坐标系和导航
坐标系下，机体转动的旋转矩阵，并根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态
矩阵；
步骤S43，根据所述飞机姿态矩阵计算所述无人机的飞行姿态角。
进一步，在所述步骤S42中，所述飞行姿态角为机体按照以下顺序转动时的角度：绕所述Z轴转动的角度ψ，绕所述Y轴转动的角度θ，绕所述X轴转动的角度Ф。
进一步，在所述步骤S42中，所述旋转矩阵为(c1,c2,c3),
根据绕z轴转动ψ角，计算得到
根据绕y轴转动θ角，计算得到
根据绕x轴转动Ф角，计算得到
进一步，在所述步骤S42中，根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态矩阵，包括如下步骤：
根据所述旋转矩阵将参考体系变化至载体系，
然后计算所述飞机姿态矩阵为：
进一步，在所述步骤S43中，所述无人机的飞行姿态角分别为：
根据本发明实施例的室内无人机导航方法，采用多个方向的超声波传感器，可计算无人机相对于室内四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出无人机在室内的位置。本发明应用较少的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使用。此外，本发明可以通过测量的无人机的三轴角速度，计算出无人机的飞行姿态角，精确度高且算法简单。
本发明另一方面实施例还提出一种无人机，包括：电源模块、电池、电机、电机驱动模块、多个超声波测距传感器、温度传感器、陀螺仪和控制芯片，其中，所述电池与所述电源模块、所述电机和所述控制芯片分别相连，所述电机驱动模块的一端与所述电机相连，另一端与所述控制芯片的脉冲宽带调制单元相连，用于在所述脉冲宽带调制单元输出的PWM脉冲信号的控制下驱动所述电机工作；所述多个超声波传感器与所述控制芯片的监测端口相连，用于测量超声波信号并传送至所述控制芯片；所述温度传感器与所述控制芯片的监测端口相连，用于测量室内的温度数据并传送至所述控制芯片，所述无人机为四旋翼无人机，所述多个超声波传感器分别固定于所述四旋翼无人机的四个机翼和中心位置处；所述陀螺仪与所述控制芯片的SPI接口相连，用于测量所述无人机的角速度并传送至所述控制芯片；所述控制芯片根据所述室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿，利用温度补偿后的超声波信号分别计算所述无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出所述无人机的位置，以及所述控制芯片还用于根据所述无人机的角速度，计算所述无人机的姿态角，包括：建立机体坐标系和导航坐标系，然后根据所述无人机的角速度计算所述无人机在所述机体坐标系和导航坐标系下，机体转动的旋转矩阵，并根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态矩阵，并根据所述飞机姿态矩阵计算所述无人机的飞行姿态角。
进一步，本发明实施例的无人机还包括：灯光闪烁模块，所述灯光闪烁模块与所述控制芯片相连，用于在所述无人机飞行时发出闪烁光以提示周边。
进一步，本发明实施例的无人机还包括：无线通信模块，所述无线通信模块与所述控制芯片相连，用于与外部的终端设备进行通信交互，以由外部的终端设备远程控制所述无人机。
根据本发明实施例的无人机，采用多个方向的超声波传感器，可计算无人机相对于室内四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出无人机在室内的位置。本发明应用较少的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使用。此外，本发明可以通过测量的无人机的三轴角速度，计算出无人机的飞行姿态角，精确度高且算法简单。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的室内无人机导航方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的无人机的结构图；
图3为根据本发明实施例的无人机的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的室内无人机导航方法，包括如下步骤：
步骤S1，采用三轴陀螺仪测量无人机的角速度，并采用多组超声波测距传感器测量超声波信号、采用温度传感器测量室内的温度数据。
首先，在采集数据之前，先进行程序初始化与系统自检。初始化的主要功能是完成内存分配，各个接口初始化，并对系统自检。
在完成上述初始化和自检之后，开始采集数据。
具体地，采用6组超声波测距传感器，分别安装于无人机上多个固定位置处测量超声波信号。采用三轴陀螺仪测量无人机的角速度。采用温度传感器测量室内的温度数据。
步骤S2，根据室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿。
在本发明的一个实施例中，超声波温度补偿的公式为：C＝C0+0.607×T℃。
其中，T为测量的温度数据，C0为测量超声波信号，C为补偿后的超声波信号。
步骤S3，利用温度补偿后的超声波信号分别计算无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出无人机的位置。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物(四壁、天花板和地板)的距离(s)，即：s＝340×Δt/2。
需要说明的是，本发明通过温度补偿后的超声信号测距，其误差较小，S＝340×0.000001/2＝0.17mm。
然后，根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出无人机在室内的位置。
步骤S4，根据无人机的角速度，计算无人机的姿态角，包括如下步骤：
步骤S41，建立机体坐标系和导航坐标系。
具体地，坐标系建立如下：机体坐标系定义为：X轴表示横滚轴，对应前方；Y轴表示俯仰轴，对应右方；Z轴表示航向，对应下方。导航坐标系定义为北东地坐标系。
步骤S42，根据无人机的角速度计算无人机在机体坐标系和导航坐标系下，机体转动的旋转矩阵，并根据旋转矩阵计算无人机的飞机姿态矩阵。
飞行姿态角为机体按照以下顺序转动时的角度：绕Z轴转动的角度ψ，绕Y轴转动的角度θ，绕X轴转动的角度Ф。
机体转动按照绕航向轴(Z轴)转动ψ，俯仰轴(Y轴)转动θ，横滚轴(X轴)转动Ф的顺序转动时，旋转矩阵为(c1,c2,c3),
根据绕z轴转动ψ角，计算得到
根据绕y轴转动θ角，计算得到
根据绕x轴转动Ф角，计算得到
基于此，根据旋转矩阵计算无人机的飞机姿态矩阵，包括如下步骤：
首先，根据旋转矩阵将参考体系变化至载体系，
然后，计算飞机姿态矩阵为：
步骤S43，根据飞机姿态矩阵计算无人机的飞行姿态角。
无人机的飞行姿态角分别为：
在本发明的一个实施例中，本发明中涉及的无人机可以为四旋翼无人机。
根据本发明实施例的室内无人机导航方法，采用多个方向的超声波传感器，可计算无人机相对于室内四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出无人机在室内的位置。本发明应用较少的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使用。此外，本发明可以通过测量的无人机的三轴角速度，计算出无人机的飞行姿态角，精确度高且算法简单。
如图2所示，本发明实施例的无人机包括：电源模块1、电池2、电机3、电机驱动模块4、多个超声波测距传感器5、温度传感器6、陀螺仪7和控制芯片8。
具体地，电池2与电源模块1、电机3和控制芯片8分别相连。
电机驱动模块4的一端与电机3相连，另一端与控制芯片8的脉冲宽带调制单元相连，用于在脉冲宽带调制单元输出的PWM脉冲信号的控制下驱动4路电机3工作。
控制芯片8的中央处理器CPU发出控制指令，由脉冲宽带调制单元输出PWM脉冲信号，电机驱动模块4根据PWM脉冲信号的驱动4路电机3工作。
多个超声波传感器5与控制芯片8的监测端口相连，用于测量超声波信号并传送至控制芯片8。
如图3所示，无人机为四旋翼无人机，多个超声波传感器5分别固定于四旋翼无人机的四个机翼和中心位置处。
温度传感器6与控制芯片8的监测端口相连，用于测量室内的温度数据并传送至控制芯片8。
陀螺仪7与控制芯片8的SPI接口相连，用于测量无人机的角速度并传送至控制芯片8。其中，陀螺仪7采用型号为MPU6050的陀螺仪。
控制芯片8根据室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿。
在本发明的一个实施例中，超声波温度补偿的公式为：C＝C0+0.607×T℃。
其中，T为测量的温度数据，C0为测量超声波信号，C为补偿后的超声波信号。
控制芯片8利用温度补偿后的超声波信号分别计算无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出无人机的位置。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物(四壁、天花板和地板)的距离(s)，即：s＝340×Δt/2。
需要说明的是，本发明通过温度补偿后的超声信号测距，其误差较小，S＝340×0.000001/2＝0.17mm。
然后，控制芯片8根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出无人机在室内的位置。
控制芯片8还用于根据无人机的角速度，计算无人机的姿态角，包括：建立机体坐标系和导航坐标系，然后根据无人机的角速度计算无人机在机体坐标系和导航坐标系下，机体转动的旋转矩阵，并根据旋转矩阵计算无人机的飞机姿态矩阵，并根据飞机姿态矩阵计算无人机的飞行姿态角。
具体地，首先坐标系建立如下：机体坐标系定义为：X轴表示横滚轴，对应前方；Y轴表示俯仰轴，对应右方；Z轴表示航向，对应下方。导航坐标系定义为北东地坐标系。
根据无人机的角速度计算无人机在机体坐标系和导航坐标系下，机体转动的旋转矩阵，并根据旋转矩阵计算无人机的飞机姿态矩阵。
飞行姿态角为机体按照以下顺序转动时的角度：绕Z轴转动的角度ψ，绕Y轴转动的角度θ，绕X轴转动的角度Ф。
机体转动按照绕航向轴(Z轴)转动ψ，俯仰轴(Y轴)转动θ，横滚轴(X轴)转动Ф的顺序转动时，旋转矩阵为(c1,c2,c3),
根据绕z轴转动ψ角，计算得到
根据绕y轴转动θ角，计算得到
根据绕x轴转动Ф角，计算得到
基于此，根据旋转矩阵计算无人机的飞机姿态矩阵，包括如下步骤：
首先，根据旋转矩阵将参考体系变化至载体系，
然后，计算飞机姿态矩阵为：
根据飞机姿态矩阵计算无人机的飞行姿态角为：
在本发明的一个实施例中，控8制芯片使用12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机，89C51单片机定时器精度达到到1μs的精度，因此系统误差在1mm的测量范围内。
进一步，本发明实施例的无人机还包括：灯光闪烁模块9。该灯光闪烁模块9与控制芯片8相连，用于在无人机飞行时发出彩色灯光的闪烁光以提示周边。
此外，本发明实施例的无人机还包括：无线通信模块10。该无线通信模块与控制芯片8相连，用于与外部的终端设备进行通信交互，以由外部的终端设备远程控制无人机。
在本发明的一个实施例中，无线通信模块可以为WiFi模块或GPRS通信模块，实现与外部的终端设备，例如手机的通信。
在本发明的一个实施例中，本发明的无人机可以为微型四旋翼无人机、尺寸仅为185.5mm×185.5mm，
根据本发明实施例的无人机，采用多个方向的超声波传感器，可计算无人机相对于室内四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出无人机在室内的位置。本发明应用较少的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使用。此外，本发明可以通过测量的无人机的三轴角速度，计算出无人机的飞行姿态角，精确度高且算法简单。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。
Claims (8)
1.一种室内无人机导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用三轴陀螺仪测量无人机的角速度，并采用多组超声波测距传感器测量超声波信号、采用温度传感器测量室内的温度数据，其中，所述超声波测距传感器为6组，分别安装于所述无人机上多个固定位置处；
步骤S2，根据所述室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿；
步骤S3，利用温度补偿后的超声波信号分别计算所述无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出所述无人机的位置；
步骤S4，根据所述无人机的角速度，计算所述无人机的姿态角，包括如下步骤：
步骤S41，建立机体坐标系和导航坐标系；
步骤S42，根据所述无人机的角速度计算所述无人机在所述机体坐标系和导航坐标系下，机体转动的旋转矩阵，并根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态矩阵；
步骤S43，根据所述飞机姿态矩阵计算所述无人机的飞行姿态角。
2.如权利要求1所述的室内无人机导航方法，其特征在于，在所述步骤S42中，所述飞行姿态角为机体按照以下顺序转动时的角度：绕Z轴转动的角度ψ，绕Y轴转动的角度θ，绕X轴转动的角度Ф。
3.如权利要求1所述的室内无人机导航方法，其特征在于，在所述步骤S42中，所述旋转矩阵为(c1,c2,c3),
根据绕z轴转动ψ角，计算得到
根据绕y轴转动θ角，计算得到
根据绕x轴转动Ф角，计算得到
4.如权利要求3所述的室内无人机导航方法，其特征在于，在所述步骤S42中，根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态矩阵，包括如下步骤：
根据所述旋转矩阵将参考体系变化至载体系，
然后计算所述飞机姿态矩阵为：
5.如权利要求4所述的室内无人机导航方法，其特征在于，在所述步骤S43中，所述无人机的飞行姿态角分别为：
6.一种无人机，其特征在于，包括：电源模块、电池、电机、电机驱动模块、多个超声波测距传感器、温度传感器、陀螺仪和控制芯片，其中，
所述电池与所述电源模块、所述电机和所述控制芯片分别相连，
所述电机驱动模块的一端与所述电机相连，另一端与所述控制芯片的脉冲宽带调制单元相连，用于在所述脉冲宽带调制单元输出的PWM脉冲信号的控制下驱动所述电机工作；
所述多个超声波传感器与所述控制芯片的监测端口相连，用于测量超声波信号并传送至所述控制芯片，所述无人机为四旋翼无人机，所述多个超声波传感器分别固定于所述四旋翼无人机的四个机翼和中心位置处；
所述温度传感器与所述控制芯片的监测端口相连，用于测量室内的温度数据并传送至所述控制芯片；
所述陀螺仪与所述控制芯片的SPI接口相连，用于测量所述无人机的角速度并传送至所述控制芯片；
所述控制芯片根据所述室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿，利用温度补偿后的超声波信号分别计算所述无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出所述无人机的位置，以及所述控制芯片还用于根据所述无人机的角速度，计算所述无人机的姿态角，包括：建立机体坐标系和导航坐标系，然后根据所述无人机的角速度计算所述无人机在所述机体坐标系和导航坐标系下，机体转动的旋转矩阵，并根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态矩阵，并根据所述飞机姿态矩阵计算所述无人机的飞行姿态角。
7.如权利要求6所述的无人机，其特征在于，还包括：灯光闪烁模块，所述灯光闪烁模块与所述控制芯片相连，用于在所述无人机飞行时发出闪烁光以提示周边。
8.如权利要求6所述的无人机，其特征在于，还包括：无线通信模块，所述无线通信模块与所述控制芯片相连，用于与外部的终端设备进行通信交互，以由外部的终端设备远程控制所述无人机。
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