CN106772493A - 基于北斗差分定位的无人机航向测算系统及其测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统及其测算方法，属于属于智能检测技术领域。其系统包括无人机组和地面站，所述无人机组包括无人机，磁罗盘，惯性测量装置，无人机北斗信号接收机；所述地面站包括地面站北斗信号接收机，所述惯性测量装置包括包含加速度传感器与角速度传感器。本发明涉及一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统，应用载波相位差分技术能够实时地提供无人机在指定坐标系中的三维定位结果并达到厘米级精度，即使在磁罗盘受到干扰无法精准获得航向的情况下，依然可以实现高速飞行的无人机高精度的航向测算并校准飞行航向，为无人机的安全飞行提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统及其测算方法，属于智能检测技术领域。
背景技术
目前磁罗盘广泛用于小型旋翼无人机进行航向角的计算，由于其具有成本低、动态响应快、启动时间短、体积小、功耗低等优点。但是磁罗盘在确定航向角度过程中，由于地磁偏角、软/硬磁场罗差、标度因数误差、三轴磁场分量耦合误差以及量化误差等干扰而出现航向误差，进而影响无人机飞行的安全性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统及其测算方法，本方法采用北斗导航系统载波相位差分技术（RTKLIB）获取无人机位置信息，得到无人机精确度较高的位置数据，由先后位置数据来估算高速飞行时的无人机航向。本发明能够在磁罗盘受到干扰后，仍能够输出高精度航向，为无人机的安全飞行提供保障。
本发明采用的技术方案为：一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统，包括无人机组和地面站，所述无人机组包括无人机3及与无人机连接的磁罗盘2、惯性测量装置4、无人机北斗信号接收机1，所述磁罗盘2利用地磁场固有的指向性测量空间姿态角度，用于测量载体航向，所述惯性测量装置4包括加速度传感器、角速度传感器，加速度传感器用来测量无人机3相对于地垂线的加速度分量，角速度传感器用来测量无人机3的角度信息，融合计算后输出无人机3的俯仰角与横滚角；所述无人机北斗信号接收机1为北斗射频接收机，包括无人机射频前端电路9、导航解算系统10、无人机数传模块11；所述地面站包括地面站北斗信号接收机6，地面站北斗信号接收机6包括地面站射频前端电路7、地面站数传模块8，无人机射频前端电路9、地面站射频前端电路7分别用于接收自身北斗载波相位数据，无人机数传模块11与地面站数传模块8无线通讯，所述的导航解算系统10采用载波相位差分技术-RTKLIB将无人机北斗信号接收机1、地面站北斗信号接收机6获得的北斗载波相位数据进行差分处理，并与惯性测量装置4检测到的数据进行数据融合，获得动态定位后计算无人机航向。
优选地，所述的角速度传感器采用型号为MPU6000的陀螺。
优选地，所述的无人机北斗信号接收机1采用STM32F746作为主控芯片，M8T作为导航解算芯片，地面站北斗信号接收机6采用STM32F746作为主控芯片。
优选地，所述的磁罗盘2的型号为HMC5983。
优选地，所述无人机数传模11块采用CC1120无线收发芯片。
一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统的测算方法，包括如下步骤：
Step1、固定地面站位置，并安设地面站北斗信号接收机6，用于连续观测全部可见卫星，接收北斗载波相位数据，并利用地面站数传模块8将地面站实际基准位置数据和北斗载波相位数据传到无人机数传模块11；
Step2、无人机数传模块11接收来自地面站的实际基准位置数据和北斗载波相位数据，并采集无人机自身北斗载波相位数据，采用载波相位差分技术-RTKLIB的软件库解算数据，得到当前状态t1时刻相对于地面站解算后的精确位置；
Step3、当无人机运动到下一个运动状态时，无人机系统内重复Step2，得到当前状态t2时相对于地面站的精确位置；
Step4、利用无人机在t1时刻和t2时刻时的精确位置计算出无人机航向，t1时刻和t2时刻时的精确位置点的直线方向即为无人机航向，并校准由磁罗盘2数据计算出的航向。
本发明的有益效果是：应用载波相位差分技术（RTKLIB）得到无人机飞行状态的精确位置，进而得到高速飞行时的无人机飞行航向，在磁罗盘受到干扰后依然能够保证较低的航向误差，保证了无人机的飞行安全。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明RTKLIB原理示意图。
图中各标号为：1-无人机北斗信号接收机，2-磁罗盘、3-无人机、4-惯性测量装置、5-地面站、6-地面站北斗信号接收机、7-地面站射频前端电路、8-地面站数传模块、9-无人机射频前端电路、10-导航解算系统、11-无人机数传模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-2所示，一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统，包括无人机组和地面站，所述无人机组包括无人机3及与无人机连接的磁罗盘2、惯性测量装置4、无人机北斗信号接收机1，所述磁罗盘2利用地磁场固有的指向性测量空间姿态角度，用于测量载体航向，所述惯性测量装置4包括加速度传感器、角速度传感器，加速度传感器用来测量无人机3相对于地垂线的加速度分量，角速度传感器用来测量无人机3的角度信息，融合计算后输出无人机3的俯仰角与横滚角；所述无人机北斗信号接收机1为北斗射频接收机，包括无人机射频前端电路9、导航解算系统10、无人机数传模块11；所述地面站包括地面站北斗信号接收机6，地面站北斗信号接收机6包括地面站射频前端电路7、地面站数传模块8，无人机射频前端电路9、地面站射频前端电路7分别用于接收自身北斗载波相位数据，无人机数传模块11与地面站数传模块8无线通讯，所述的导航解算系统10采用载波相位差分技术-RTKLIB将无人机北斗信号接收机1、地面站北斗信号接收机6获得的北斗载波相位数据进行差分处理，并与惯性测量装置4检测到的数据进行数据融合，获得动态定位后计算无人机航向。
进一步地，所述的角速度传感器采用型号为MPU6000的陀螺。
进一步地，所述的无人机北斗信号接收机1采用STM32F746作为主控芯片，M8T作为导航解算芯片，地面站北斗信号接收机6采用STM32F746作为主控芯片。
进一步地，所述的磁罗盘2的型号为HMC5983。
进一步地，所述无人机数传模块11采用TI Chipcon的CC1120无线收发芯片设计，传输距离可达1000米。
一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统的测算方法，包括如下步骤：
Step1、固定地面站位置，并安设地面站北斗信号接收机6，用于连续观测全部可见卫星，接收北斗载波相位数据，并利用地面站数传模块8将地面站实际基准位置数据和北斗载波相位数据传到无人机数传模块11；
Step2、无人机数传模块11接收来自地面站的实际基准位置数据和北斗载波相位数据，并采集无人机自身北斗载波相位数据，采用载波相位差分技术-RTKLIB的软件库解算数据，得到当前状态t1时刻相对于地面站解算后的精确位置；
Step3、当无人机运动到下一个运动状态时，无人机系统内重复Step2，得到当前状态t2时相对于地面站的精确位置；
Step4、利用无人机在t1时刻和t2时刻时的精确位置计算出无人机航向，t1时刻和t2时刻时的精确位置点的直线方向即为无人机航向，并校准由磁罗盘2数据计算出的航向。
为了提高无人机航向的测量精度，采用载波相位差分技术（RTKLIB），是一种新的北斗高精度测量方法，以往的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK技术能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，由于采用了载波相位动态实时差分方法，是北斗应用的重大里程碑。采用载波相位差分技术（RTKLIB）能够实时地提供无人机在指定坐标系中的三维定位结果并达到厘米级精度，即使在磁罗盘受到干扰无法精准获得航向的情况下，依然可以实现无人机高精度的航向测算，为无人机的安全飞行提供保障。
所述RTKLIB差分算法采用日本东京海洋大学（Tokyo University of MarineScience and Technology）的RTKLIB开源软件包；RTKLIB是全球导航卫星系统GNSS(globalnavigation satellite system)的标准&精密定位开源程序包，RTKLIB由日本东京海洋大学的高须知二（Tomoji Takasu）开发。RTKLIB由一个便携式程序库和多个AP（应用程序）工具库组成。RTKLIB中应用的RTK算法是以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术，是北斗测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。载波相位差分技术建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站，用户站接收北斗卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，最终得到厘米级的定位结果。
本发明采用载波相位差分技术（RTKLIB）获得差分定位数据与惯性测量装置4的检测数据进行数据融合，其关键技术在于使用了北斗信号的载波相位观测量，并利用了地面站和无人机3之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式除去无人机端接收到观测数据中的大部分误差，并将差分后的位置信息与惯性测量装置4获得的位置信息进行融合，获得高精度(厘米级)的动态定位后计算无人机3航向，实现高速飞行下的无人机航向测算。
举例说明：如图1所示，本发明包括无人机组和地面站；无人机组包括无人机3、磁罗盘2、惯性测量装置4（IMU）、无人机北斗信号接收机1；惯性测量装置4（IMU）利用三轴陀螺仪测量三轴角速度并积分出角度，采用加速度计测出的两轴角度数据和陀螺仪数据融合获得俯仰角和横滚角，磁罗盘2利用地磁场固有的指向性测量空间姿态角度，测量载体航向，并融合陀螺仪测量的航向角进行融合。
选择空旷地段安装地面站，并记录真实坐标位置信息；地面站北斗信号接收机6接收来自北斗导航卫星的载波相位数据，将地面战的真实坐标和接收到的载波相位数据通过地面站数传模块8发送到无人机数传模块11，无人机射频前端电路9接受自身北斗导航卫星信号，将北斗原始数据信号通过M8T传输给主控STM32F746，同时，主控接收来自地面数传模块8发来的地面站原始数据，利用RTKLIB对两者的原始数据进行差分处理，得到较精确的无人机实时位置。
当磁罗盘2受到外界干扰时，无人机3依靠磁罗盘2和陀螺仪融合得到航向角已经不准确。此时，无人机通过差分得到的实时位置与惯性测量装置4检测的数据融合后得到当前状态的位置信息，并与上一状态得到的位置信息进行对比，计算出无人机在此时的航向角，并利用计算出的航向角对磁罗盘2和陀螺仪得到的航向角进行矫正，获得在磁罗盘受到干扰时的正确航向。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统，其特征在于：包括无人机组和地面站，所述无人机组包括无人机（3）及与无人机连接的磁罗盘（2）、惯性测量装置（4）、无人机北斗信号接收机（1），所述磁罗盘（2）利用地磁场固有的指向性测量空间姿态角度，用于测量载体航向，所述惯性测量装置（4）包括加速度传感器、角速度传感器，加速度传感器用来测量无人机（3）相对于地垂线的加速度分量，角速度传感器用来测量无人机（3）的角度信息，融合计算后输出无人机（3）的俯仰角与横滚角；所述无人机北斗信号接收机（1）为北斗射频接收机，包括无人机射频前端电路（9）、导航解算系统（10）、无人机数传模块（11）；所述地面站包括地面站北斗信号接收机（6），地面站北斗信号接收机（6）包括地面站射频前端电路（7）、地面站数传模块（8），无人机射频前端电路（9）、地面站射频前端电路（7）分别用于接收自身北斗载波相位数据，无人机数传模块（11）与地面站数传模块（8）无线通讯，所述的导航解算系统（10）采用载波相位差分技术-RTKLIB将无人机北斗信号接收机（1）、地面站北斗信号接收机（6）获得的北斗载波相位数据进行差分处理，并与惯性测量装置（4）检测到的数据进行数据融合，获得动态定位后计算无人机航向。
2.根据权利要求1所述的基于北斗差分定位的无人机航向测算系统，其特征在于：所述的角速度传感器采用型号为MPU6000的陀螺。
3.根据权利要求1所述的基于北斗差分定位的无人机航向测算系统，其特征在于：所述的无人机北斗信号接收机（1）采用STM32F746作为主控芯片，M8T作为导航解算芯片，地面站北斗信号接收机（6）采用STM32F746作为主控芯片。
4.根据权利要求1所述的基于北斗差分定位的无人机航向测算系统，其特征在于：所述的磁罗盘（2）的型号为HMC5983。
5.根据权利要求1所述的基于北斗差分定位的无人机航向测算系统，其特征在于：所述无人机数传模（11）块采用CC1120无线收发芯片。
6.一种基于北斗差分定位的无人机航向测算系统的测算方法，其特征在于：包括如下步骤：
Step1、固定地面站位置，并安设地面站北斗信号接收机（6），用于连续观测全部可见卫星，接收北斗载波相位数据，并利用地面站数传模块（8）将地面站实际基准位置数据和北斗载波相位数据传到无人机数传模块（11）；
Step2、无人机数传模块（11）接收来自地面站的实际基准位置数据和北斗载波相位数据，并采集无人机自身北斗载波相位数据，采用载波相位差分技术-RTKLIB的软件库解算数据，得到当前状态t1时刻相对于地面站解算后的精确位置；
Step3、当无人机运动到下一个运动状态时，无人机系统内重复Step2，得到当前状态t2时相对于地面站的精确位置；
Step4、利用无人机在t1时刻和t2时刻时的精确位置计算出无人机航向，t1时刻和t2时刻时的精确位置点的直线方向即为无人机航向，并校准由磁罗盘（2）数据计算出的航向。
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