CN107329160A - 一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统 - Google Patents

一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，包括安装在无人机上的机载端和用于控制无人机的地面端，所述机载端与地面端实时无线通信连接；所述伺服系统地面端由水平步进电机和俯仰步进电机组成；所述传输模块机载端与传输模块地面端通过实时无线通信，分别获取所述地面端与机载端的相对位置信息。本发明通过在机载端和地面端均设置了伺服系统，能够实时的将机载端和地面端的通信模块或者通信天线实时相互对准，最大程度的减少信号的衰减，解决了现有的追踪系统在信号薄弱，障碍物较多的地域进行飞行操作时，控制精度不高，无法实时精准掌握无人机飞行距离、高度和状态等数据。

Description

一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统
技术领域
本发明涉及无人机控制系统领域，尤其涉及基于北斗定位系统进行定位追踪的无人机控制系统领域，具体的说，是一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反复使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。
现有的民用小型无人机应用最为普遍的是用于拍摄和照相，其控制追踪方式是通过手持的操作手柄发出控制信号实现对无人机的精确控制，但该方式无法实时的掌握无人机在飞行的全周期所处的状态，通常是通过目测的方式进行操作，不能做到精确控制。另一种无人机控制系统会在无人机上安装多个采集无人机飞行状态的传感装置，并通过发射模块将无人机的状态信息实时的发送到地面的控制端，这样地面控制端就能实时掌握无人机的飞行状态、位置和轨迹信息，能够精准的将无人机飞行到指定地点和高度。但这种控制系统依然存在如下技术问题：由于在使用无人机拍照或者摄像、探测的区域通常都是地形相对复杂的山林或者高层建筑密集的地方，由于具有客观条件的限制和约束，无人机与控制端通常不能将彼此的通信天线实时对准，并建立连接，以对无人机的精确控制和定位造成影响，由于无法准确获知无人机的具体位置信息，导致在远距离超控时很难将无人机准确的飞抵目标空域或者指定目的地，为此，提供一种精度更高的追踪系统，对于无人机的控制应用具有非常大的意义。
中国发明专利申请，申请号为201610671585.9，申请公布号CN 106291638 A公布了一种集成黑匣子的无人机双链路追踪系统，具体公开了一种集成黑匣子的无人机双链路追踪系统，包括微处理器、存储器、飞行控制器、供电系统、双链路追踪系统和地面显示系统，其中存储器与微处理器双向连接，所述供电系统与微处理器连接，飞行控制器与供电系统连接，所述双链路追踪系统与微处理器双向连接，所述地面显示系统与双链路追踪系统单向连接，所述供电系统包括供电保护电路、电源监测电路和电池/备用电池，所述双链路追踪系统包括北斗模块、北斗短报文模块、GSM模块和数据处理模块，通过双链路追踪系统实现了无人机在有移动信号和无移动信号的环境中的追踪系统的切换，保证无人机定位信息的准确性和工作的稳定性，所述电池/备用电池，保证整个系统在一定时间内正常工作。该专利申请记载的方案虽然能够在一定程度上提高追踪系统的稳定性，但在上述背景技术中所述的信号极差或者无信号区域，由于该系统需要借助移动信号，该系统依然不能解决精确追踪的技术问题，且该系统并未记载在模式切换过程中的瞬间盲区无人机如何进行工作和控制的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，用于解决背景技术中所述描述的现有的无人机控制和追踪系统存在的定位不准确，影响无人机控制的技术问题；尤其是在信号弱，阻挡物多，地形复杂区域进行无人机飞行时上述问题尤为明显。
本发明通过设置相互双向定位通信的机载端和地面端，进行双向实时通信，加强和巩固了位置定位的准确性和及时性，为精准控制提供了有力保障，且由于机载端和地面端均设置有伺服系统进行实时控制天线的方向，能够最大程度的保证无线通信信号的强度，实现了在飞行空域最大程度利用传输模块的无线通信能力。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，包括安装在无人机上的机载端和用于控制无人机的地面端，所述机载端与地面端实时无线通信连接；
所述机载端包括用于处理机载端数据信息的第一单片机，与所述第一单片机电性连接的传输模块机载端、北斗定位模块机载端、电子罗盘机载端、气压高度计、伺服系统机载端以及第一电池模块；所述伺服系统机载端由水平偏转舵机和俯仰偏转舵机组成；
所述地面端包括用于处理地面端数据信息的第二单片机，与所述第二单片机电性连接的传输模块地面端、北斗定位模块地面端、电子罗盘地面端、气压高度计、伺服系统地面端)以及第一电池模块；所述伺服系统地面端由水平步进电机和俯仰步进电机组成；
所述传输模块机载端与传输模块地面端通过实时无线通信，分别获取所述地面端与机载端的相对位置信息。
进一步优选，所述获取的地面端与机载端的相对位置信息包括
地面端的位置信息：由北斗定位模块地面端获取的地面端所在的经纬度数据K2，由安装在地面端上的高度气压计获取的地面端相对于水平面的相对高度数据h2，以及电子罗盘地面端根据经纬度数据K2计算获取所述地面端相对于机载端的方位角数据∠￡及相对之间距离L；
机载端的位置信息：由北斗定位模块机载端获取的机载端所在的经纬度数据K1，由安装在机载端上的高度气压计获取的机载端相对于水平面的相对高度数据h1，以及电子罗盘机载端根据经纬度数据K1计算获取所述机载端相对于地面端的方位角数据∠r及相对之间距离L；
进一步优选，所述方位角∠￡为空间相对方位角，其通过绝对水平偏转角∠o与机载端相对于地面端的俯角∠a拟合获得，记∠￡＝∠o→∠a；∠r与∠￡互为空间内错角，所述其中∠o代表以正北为基准的水平偏转方位角，∠a代表∠￡的绝对俯仰度数，即∠￡＝∠a。
进一步优选，所述距离L的获取方式为L＝(h1-h2)/sin∠￡。
进一步优选，所述传输模块机载端与传输模块地面端均采用VT-DTMSA5-433型号的低功耗无线数传模块；中心频率为433MHz，调制方式为GFSK，最大发射功率为20dBm，空中传输率为500kbps。
进一步优选，所述第一单片机采用的型号为Arduino UNO R3单片机，所述第二单片机采用的型号为Arduino MEGA2560单片机。
进一步优选，所述地面端还包括用于接收所述传输模块机载端信号的平板天线，所述平板天线铰接有用于支撑的支座，所述支座下端设置有相对于支座水平转动的底座，所述底座上安装有所述伺服系统地面端，以及安装在所述支座上分别用于控制所述平板天线旋转的水平步进电机和用于控制平板天线俯仰翻转的俯仰步进电机。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过在机载端和地面端均设置了伺服系统，能够实时的将机载端和地面端的通信模块或者通信天线实时相互对准，最大程度的减少信号的衰减，解决了现有的追踪系统在信号薄弱，障碍物较多的地域进行飞行操作时，控制精度不高，无法实时精准掌握无人机飞行距离、高度和状态等数据。
(2)本发明由于内置了北斗定位模块，结合电子罗盘进一步的增强了位置信息的准确性，为追踪系统后续的精确计算提供了双从保障。
附图说明
图1为本发明的模块连接示意图；
图2为本发明的经纬度俯视位置关系示意图；
图3为本发明中机载端和地面端的俯仰关系示意图；
图4为平板天线的结构示意图；
其中1-机载端；11-天线；2-地面端；21-平板天线；22-支座；23-底座。
具体实施方式
下面结合本发明的优选实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1-3所示，一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，包括安装在无人机上的机载端1和用于控制无人机的地面端2，所述机载端1与地面端2实时无线通信连接；
所述机载端1包括用于处理机载端1数据信息的第一单片机，与所述第一单片机电性连接的传输模块机载端、北斗定位模块机载端、电子罗盘机载端、气压高度计、伺服系统机载端以及第一电池模块；所述伺服系统机载端由水平偏转舵机和俯仰偏转舵机组成；
所述地面端2包括用于处理地面端2数据信息的第二单片机，与所述第二单片机电性连接的传输模块地面端、北斗定位模块地面端、电子罗盘地面端、气压高度计、伺服系统地面端以及第一电池模块；所述伺服系统地面端由水平步进电机和俯仰步进电机组成；
所述传输模块机载端与传输模块地面端通过实时无线通信，分别获取所述地面端2与机载端1的相对位置信息。
工作原理：
在对本实施例的原理解释和说明之前，由于机载端1和地面端2的组成模块相等同，为了描述的方便则以机载端1为详细论述对象，地面端2的原理与之相同且彼此相互通信。
北斗定位模块机载端用于对机载端进行定位，并将数据实时共享到所述第一单片机内用于为计算提供必要的数据条件。
电子罗盘机载端用于采集方位信息，并实时共享到第一单片机内，为计算相对方位角提供数据依据，并作为第一单片机向伺服系统机载端发送控制信号的依据。
伺服系统机载端由水平偏转舵机和俯仰偏转舵机组成分别用于调整安装在无人机底部的天线11的水平偏转角度和俯仰角度。
第一单片机用于处理机载端的所有数据以及通过数据传输模块机载端接收到的由数据传输模块地面端发送的所有数据包。第一单片机由此综合处理所述机载端1和地面端2的所有数据信息，以获取地面端2相对于机载端1的相对位置关系；同理，地面端2获取机载端1的相对位置关系的原理同上述相同。
实施例2：
为了更进一步说明本发明，在实施例1的基础上，进一步结合附图1-3所示，所述获取的地面端2与机载端1的相对位置信息包括
地面端2的位置信息：由北斗定位模块地面端获取的地面端2所在的经纬度数据K2，由安装在地面端2上的高度气压计获取的地面端2相对于水平面的相对高度数据h2，以及电子罗盘地面端根据经纬度数据K2计算获取所述地面端相对于机载端1的方位角数据∠￡及相对之间距离L；
机载端1的位置信息：由北斗定位模块机载端获取的机载端1所在的经纬度数据K1，由安装在机载端1上的高度气压计获取的机载端1相对于水平面的相对高度数据h1，以及电子罗盘机载端根据经纬度数据K1计算获取所述机载端相对于地面端2的方位角数据∠r及相对之间距离L；
进一步优选，所述方位角∠￡为空间相对方位角，其通过绝对水平偏转角∠o与机载端1相对于地面端2的俯角∠a拟合获得，记∠￡＝∠o→∠a；∠r与∠￡互为空间内错角，所述其中∠o代表以正北为基准的水平偏转方位角，∠a代表∠￡的绝对俯仰度数，即∠￡＝∠a。
进一步优选，所述距离L的获取方式为L＝h1-h2/sin∠￡。
进一步优选，所述传输模块机载端与传输模块地面端均采用VT-DTMSA5-433型号的低功耗无线数传模块；中心频率为433MHz，调制方式为GFSK，最大发射功率为20dBm，空中传输率为500kbps。
进一步优选，所述第一单片机采用的型号为Arduino UNO R3单片机，所述第二单片机采用的型号为Arduino MEGA2560单片机。
进一步优选，所述地面端2还包括用于接收所述传输模块机载端信号的平板天线21，所述平板天线21铰接有用于支撑的支座22，所述支座22下端设置有相对于支座水平转动的底座23，所述底座23上安装有所述伺服系统地面端，以及安装在所述支座22上分别用于控制所述平板天线21旋转的水平步进电机和用于控制平板天线21俯仰翻转的俯仰步进电机。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，包括安装在无人机上的机载端(1)和用于控制无人机的地面端(2)，所述机载端(1)与地面端(2)实时无线通信连接，其特征在于：
所述机载端(1)包括用于处理机载端(1)数据信息的第一单片机，与所述第一单片机电性连接的传输模块机载端、北斗定位模块机载端、电子罗盘机载端、气压高度计、伺服系统机载端以及第一电池模块；所述伺服系统机载端由水平偏转舵机和俯仰偏转舵机组成；
所述地面端(2)包括用于处理地面端(2)数据信息的第二单片机，与所述第二单片机电性连接的传输模块地面端、北斗定位模块地面端、电子罗盘地面端、气压高度计、伺服系统地面端)以及第一电池模块；所述伺服系统地面端由水平步进电机和俯仰步进电机组成；
所述传输模块机载端与传输模块地面端通过实时无线通信，分别获取所述地面端(2)与机载端(1)的相对位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，其特征在于，所述获取的地面端(2)与机载端(1)的相对位置信息包括
地面端(2)的位置信息：由北斗定位模块地面端获取的地面端(2)所在的经纬度数据K2，由安装在地面端(2)上的高度气压计获取的地面端(2)相对于水平面的相对高度数据h2，以及电子罗盘地面端根据经纬度数据K2计算获取所述地面端相对于机载端(1)的方位角数据及相对之间距离L；
机载端(1)的位置信息：由北斗定位模块机载端获取的机载端(1)所在的经纬度数据K1，由安装在机载端(1)上的高度气压计获取的机载端(1)相对于水平面的相对高度数据h1，以及电子罗盘机载端根据经纬度数据K1计算获取所述机载端相对于地面端(2)的方位角数据∠r及相对之间距离L。
3.根据权利要求2所述的一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，其特征在于，所述方位角为空间相对方位角，其通过绝对水平偏转角∠o与机载端(1)相对于地面端(2)的俯角∠a拟合获得，记∠r与互为空间内错角，所述其中∠o代表以正北为基准的水平偏转方位角，∠a代表的绝对俯仰度数，即
4.根据权利要求2所述的一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，其特征在于，所述距离L的获取方式为
5.根据权利要求2所述的一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，其特征在于，所述传输模块机载端与传输模块地面端均采用VT-DTMSA5-433型号的低功耗无线数传模块；中心频率为433MHz，调制方式为GFSK，最大发射功率为20dBm，空中传输率为500kbps。
6.根据权利要求2所述的一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，其特征在于，所述第一单片机采用的型号为Arduino UNO R3单片机，所述第二单片机采用的型号为Arduino MEGA2560单片机。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种基于北斗定位的无人机天线双向追踪系统，其特征在于，所述地面端(2)还包括用于接收所述传输模块机载端信号的平板天线(21)，所述平板天线(21)铰接有用于支撑的支座(22)，所述支座(22)下端设置有相对于支座水平转动的底座(23)，所述底座(23)上安装有所述伺服系统地面端，以及安装在所述支座(22)上分别用于控制所述平板天线(21)旋转的水平步进电机和用于控制平板天线(21)俯仰翻转的俯仰步进电机。
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