CN105467416B - 一种无人机精确定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机精确定位系统，包括飞行控制系统、GPS定位系统和超声波定位系统，所述飞行控制系统分别与红外接收器、GPS定位系统、超声波定位系统相连接，红外接收器与遥控器相连接。本发明在到达需要精确停落的区域之前，GPS定位系统根据手动遥控指导飞行控制系统；当到达需要精确停落的区域，自动打开超声波定位系统，超声波接收器和超声波发射器之间持续发射信号，飞行控制系统持续测算它们之间的距离，飞行控制系统更新目标位置，随时调整飞行姿态。因此，本发明GPS定位系统实现基本定位，超声波定位系统实现精准定位，通过GPS定位系统和超声波定位系统可以实现对无人机的精确定位，从而可以将无人机精确地落入特定区域。

Description

一种无人机精确定位系统
技术领域
本发明涉及无人机定位的技术领域，具体涉及一种基于GPS和超声波技术的无人机精确定位的系统。
背景技术
随着国内经济的发展，电网的规模逐步扩大，长距离高电压输电线路迅速增长。很多高压线路跨越山川河流，传统的人工巡线受地形环境等因素的影响，且效率低、耗时长、巡检数据不准确。
因此，近年来国内逐步发展无人机智慧巡检技术，其不受地理环境的影响，极大地提高了工作效率。同时，无人机巡线视野独特，使用先进机载巡线设备，采集图像视频资料，能够近距离观测输电线路杆塔、金具，提高了巡检质量。
但是，现有无人机全部依靠GPS定位，其定位精度过低，导致无人机无法精准作业。比如：精准降落在充电平台上进行充电、精准对复合绝缘子进行憎水性测试、精确对输电线上的异物清除。因此将很难提升巡检工作的效率和质量。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无人机精确定位系统，使用GPS定位和超声波定位两种技术相结合，实现对无人机的精确定位，提高了无人机巡检的工作效率和质量。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种无人机精确定位系统，包括飞行控制系统、GPS定位系统和超声波定位系统，所述飞行控制系统分别与红外接收器、GPS定位系统、超声波定位系统相连接，红外接收器与遥控器相连接，所述超声波定位系统包括控制器、地址编码发射电路、射频发射电路、超声波发射器、地址编码触发电路、射频接收电路、射频接收器，控制器通过无线通信模块与飞行控制系统相连接，地址编码发射电路与地址编码触发电路通过无线电相连接；地址编码发射电路、射频发射电路与控制器相连接，地址编码发射电路与射频发射电路相连接，射频发射电路与超声波发射器相连接，地址编码触发电路与射频接收电路相连接，射频接收电路与射频接收器相连接。
所述超声波接收器、超声波发射器分别用于接收和发射超声波；所述地址编码发射电路用于给发射的无线电进行标注，区分是哪个超声波发射器发射的无线电；地址编码触发电路用于对接收的无线电进行标记，区分是哪个射频接收器发射的无线电；控制器通过发射超声波和接收超声波的时间差测算超声波接收器、超声波发射器之间的距离。
所述超声波接收器设置在无人机底部的中心位置，超声波发射器设置在需要精确停落的区域，且超声波发射器至少设有三个。
所述控制器为AT89S51单片机控制器。
所述遥控器上设有切换GPS定位系统和超声波定位系统的开关。
所述无人机上设有距离检测模块，距离检测模块与飞行控制系统相连接；距离检测模块通过无人机上的超声波接收器与精确停落区域上的超声波发射器测量无人机与精确停落区域的距离，当距离检测模块检测到的距离小于十米时，飞行控制系统打开超声波定位系统。
所述超声波发射器设有3个，超声波发射器组成一个直角三角形。
其定位方法的步骤如下：
1）超声波发射器按照直角方位设置，设需要精确停落无人机的位置为三维坐标的原点，在坐标原点（0，0，0）及(X,0,0)、(0,Y,0)点分别设置一个超声波发射器；
2）飞行控制系统根据地下的遥控器利用GPS定位系统，实现无人机的飞行；
3）当无人机到达需要精确停落的区域前方时，打开超声波定位系统，超声波发射器将自己的位置信息传送到飞行控制系统；
4）超声波接收器、超声波发射器之间持续发射信号，控制器通过三角定位算法测算超声波接收器与超声波发射器之间的距离；
5）控制器通过无线通信模块将测算距离上传给无人机的飞行控制系统，飞行控制系自动控制飞机，向预先设定的目的地飞行；
6）超声波发射器将最新的位置上传到无人机的飞行控制系统中，飞行控制系统测算其与各个超声波发射器的距离，飞行控制系统更新位置，调整飞行姿态，直至落入指定的区域。
所述超声波发射器向超声波接受器发射同频率的超声波信号，超声波接受器在收到无线电信号后同时向超声波发射器发射超声波信号，控制器通过超声波发射器和超声波接受器接收超声波信号的时间差测算无人机与每个超声波发射器的距离L1、L2、L3。
所述三角定位算法的计算过程为：根据超声波发射器原点（0，0，0）及(X,0,0)、(0,Y,0)，无人机与超声波发射器的距离分别为L1、L2、L3，无人机与超声波发射器所在平面的距离为Z，无人机在直角坐标轴上要行走的距离分别为x、y、z，则
X2+ Y2+ Z2= L1 2 (1)
(X-x) 2+Y2+Z2= L2 2 (2)
X2+(Y- y) 2+Z2= L3 2 (3)
求解上列方程可得:
x =(L2 2-L1 2+ X2)/2Y
y =(L3 2- L1 2+ Y2)/2Y
z =( L3 2+ L2 2- L1 2- (X - x)2- (Y- y)2)1/2。
本发明的有益效果是：在到达需要精确停落的区域之前，GPS定位系统根据手动遥控指导飞行控制系统；当到达需要精确停落的区域，自动打开超声波定位系统，超声波接收器和超声波发射器之间持续发射信号，飞行控制系统持续测算它们之间的距离，飞行控制系统更新目标位置，随时调整飞行姿态。因此，本发明GPS定位系统实现基本定位，超声波定位系统实现精准定位，通过GPS定位系统和超声波定位系统可以实现对无人机的精确定位，从而可以将无人机精确地落入特定区域。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明超声波系统的原理框图。
图3为本发明三角定位原理图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
一种无人机精确定位系统，如图1所示，包括飞行控制系统、GPS定位系统和超声波定位系统，所述飞行控制系统分别与红外接收器、GPS定位系统、超声波定位系统相连接，红外接收器与遥控器相连接。
超声波定位系统包括控制器和射频收发模块，如图2所示。射频收发模块包括超声波接收器、超声波发射器、地址编码发射电路、无地址编码触发电路、射频接收电路和射频发射电路。控制器为AT89S51单片机控制器，控制器通过无线通信模块与飞行控制系统相连接。地址编码发射电路、射频发射电路与控制器相连接，地址编码发射电路与射频发射电路相连接，射频发射电路与超声波发射器相连接，地址编码触发电路与射频接收电路相连接，射频接收电路与射频接收器相连接。
超声波接收器、超声波发射器分别用于接收和发射超声波；所述地址编码发射电路用于给发射的无线电进行标注，区分是哪个超声波发射器发射的无线电；地址编码触发电路用于对接收的无线电进行标记，区分是哪个射频接收器发射的无线电；控制器通过发射超声波和接收超声波的时间差测算超声波接收器、超声波发射器之间的距离。不同点位发射的超声波还要进行区分，因此我们采用带地址编码的无线电触发电路分别触发各个发射点。地址编码发射电路为无线电地址编码发射电路，无地址编码触发电路为无线电无地址编码触发电路，它们通过超声波进行连接，通过空气传播互相通信。
超声波接收器设置在无人机底部的中心位置，超声波发射器设置在需要精确停落的区域，且超声波发射器至少设有三个。本发明中超声波发射器设有3个，超声波发射器组成一个直角三角形。超声波发射器设置在需要精确停落的区域的中心。其定位方法的步骤如下：
1）超声波发射器按照直角方位设置，设需要精确停落无人机的位置为三维坐标的原点，在坐标原点（0，0，0）及(X,0,0)、(0,Y,0)点分别设置一个超声波发射器。
2）飞行控制系统根据地下的遥控器利用GPS定位系统，实现无人机的飞行。
工作人员手动控制遥控器，将飞行控制信号通过红外接收器传送至飞行控制系统，飞行控制系统利用GPS定位系统控制无人机的飞行。
3）当无人机到达需要精确停落的区域前方时，打开超声波定位系统，超声波发射器将自己的位置信息传送到飞行控制系统。
遥控器上设有定位更换开关，用于切换GPS定位系统和超声波定位系统。或者无人机上设有距离检测模块，通过无人机上的超声波接收器与精确停落区域上的超声波发射器测量无人机与精确停落区域的距离。当距离检测模块检测到的距离小于十米时，飞行控制系统打开超声波定位系统。
4）超声波接收器、超声波发射器之间持续发射信号，控制器通过三角定位算法测算超声波接收器与超声波发射器之间的距离。
超声波发射器向超声波接受器发射同频率的超声波信号，超声波接受器在收到无线电信号后同时向超声波发射器发射超声波信号，控制器通过超声波发射器和超声波接受器接收超声波信号的时间差测算无人机与每个超声波发射器的距离L1、L2、L3。
所述三角定位算法的计算过程为：根据超声波发射器原点（0，0，0）及(X,0,0)、(0,Y,0)，无人机与超声波发射器的距离分别为L1、L2、L3，无人机与超声波发射器所在平面的距离为Z，无人机在直角坐标轴上要行走的距离分别为x、y、z，则
X2+ Y2+ Z2= L1 2 (1)
(X-x) 2+Y2+Z2= L2 2 (2)
X2+(Y- y) 2+Z2= L3 2 (3)
求解上列方程可得:
x =(L2 2-L1 2+ X2)/2Y
y =(L3 2- L1 2+ Y2)/2Y
z =( L3 2+ L2 2- L1 2- (X - x)2- (Y- y)2)1/2。
5）控制器通过无线通信模块将测算距离上传给无人机的飞行控制系统，飞行控制系自动控制飞机，向预先设定的目的地飞行。
控制器通过无线通信模块将无人机在直角坐标轴上要行走的距离x、y、z传送至无人机的飞行控制系统，飞行控制系统根据上述距离控制无人机飞行。
6）超声波发射器将最新的位置上传到无人机的飞行控制系统中，飞行控制系统测算其与各个超声波发射器的距离，飞行控制系统更新位置，调整飞行姿态，直至落入指定的区域。
超声波发射器和超声波接收器实时通过无线电超声波进行通信，控制器实时的计算无人机在直角坐标轴上要行走的距离，通过无线通信模将上述距离传送至飞行控制系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人机精确定位系统，其特征在于，包括飞行控制系统、GPS定位系统和超声波定位系统，所述飞行控制系统分别与红外接收器、GPS定位系统、超声波定位系统相连接，红外接收器与遥控器相连接，所述超声波定位系统包括控制器、地址编码发射电路、射频发射电路、超声波发射器、地址编码触发电路、射频接收电路、超声波接收器，控制器通过无线通信模块与飞行控制系统相连接，地址编码发射电路与地址编码触发电路通过无线电相连接；地址编码发射电路、射频发射电路与控制器相连接，地址编码发射电路与射频发射电路相连接，射频发射电路与超声波发射器相连接，地址编码触发电路与射频接收电路相连接，射频接收电路与超声波接收器相连接；
所述超声波接收器设置在无人机底部的中心位置，超声波发射器设置在需要精确停落的区域，且超声波发射器至少设有三个；
所述超声波发射器设有3个，超声波发射器组成一个直角三角形；
其定位方法的步骤如下：
1）超声波发射器按照直角方位设置，设需要精确停落无人机的位置为三维坐标的原点，在坐标原点（0，0，0）及( X，0 ，0 )、( 0 ，Y，0 )点分别设置一个超声波发射器；
2）飞行控制系统根据地下的遥控器利用GPS定位系统，实现无人机的飞行；
3）当无人机到达需要精确停落的区域前方时，打开超声波定位系统，超声波发射器将自己的位置信息传送到飞行控制系统；
4）超声波接收器、超声波发射器之间持续发射信号，控制器通过三角定位算法测算超声波接收器与超声波发射器之间的距离；
5）控制器通过无线通信模块将测算距离上传给无人机的飞行控制系统，飞行控制系自动控制飞机，向预先设定的目的地飞行；
6）超声波发射器将最新的位置上传到无人机的飞行控制系统中，飞行控制系统测算其与各个超声波发射器的距离，飞行控制系统更新位置，调整飞行姿态，直至落入指定的区域。
2.根据权利要求1所述的无人机精确定位系统，其特征在于，所述超声波接收器、超声波发射器分别用于接收和发射超声波；所述地址编码发射电路用于给发射的无线电进行标注，区分是哪个超声波发射器发射的无线电；地址编码触发电路用于对接收的无线电进行标记，区分是哪个超声波接收器发射的无线电；控制器通过发射超声波和接收超声波的时间差测算超声波接收器、超声波发射器之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的无人机精确定位系统，其特征在于，所述控制器为AT89S51单片机控制器。
4.根据权利要求1所述的无人机精确定位系统，其特征在于，所述遥控器上设有切换GPS定位系统和超声波定位系统的开关。
5.根据权利要求1所述的无人机精确定位系统，其特征在于，所述无人机上设有距离检测模块，距离检测模块与飞行控制系统相连接；距离检测模块通过无人机上的超声波接收器与精确停落区域上的超声波发射器测量无人机与精确停落区域的距离，当距离检测模块检测到的距离小于十米时，飞行控制系统打开超声波定位系统。
6.根据权利要求1所述的无人机精确定位系统，其特征在于，所述超声波发射器向超声波接收器发射同频率的超声波信号，超声波接收器在收到无线电信号后同时向超声波发射器发射超声波信号，控制器通过超声波发射器和超声波接收器接收超声波信号的时间差测算无人机与每个超声波发射器的距离L1、L2、L3。
7.根据权利要求6所述的无人机精确定位系统，其特征在于，所述三角定位算法的计算过程为：根据超声波发射器原点（0，0，0）及( X，0 ，0 )、( 0，Y ，0 )，无人机与超声波发射器的距离分别为L1、L2、L3，无人机与超声波发射器所在平面的距离为Z，无人机在直角坐标轴上要行走的距离分别为x、y、z，则
X2+ Y2+ Z2= L1 2 (1)
(X-x)2+Y2+Z2= L2 2 (2)
X2+(Y- y) 2+Z2= L3 2 (3)
求解上列方程可得:
x =(L2 2-L1 2+ X2)/2Y
y =(L3 2- L1 2+ Y2)/2Y
z =( L3 2+ L2 2- L1 2- (X - x)2- (Y- y)2)1/2。
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