CN107490782A - 一种利用超声波和电磁波进行定位的定位方法及定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用超声波和电磁波进行定位的定位方法及定位系统，包括发送机模块、接收机模块，本定位系统简单的利用了电磁波和超声波收发特性，可以实现精确定位，定位精度非常高，达到毫米级别，可以同时为若干个目标进行定位服务，生产和使用成本低，可用于四轴飞行器等无人机的编队飞行，可以安装在地面，用于飞行器的精确起飞、精确位置降落。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种利用超声波和电磁波进行定位的定位方法及定位系统。
背景技术
很多人都在研究四轴飞行器编队飞行，而编队飞行的难点就是四轴飞行器之间的相互定位，现有的一种图像比对定位技术，由于其要处理和比对的图像信息多，运算复杂，准确定位需要一定的时间，所以很难做到快速实时定位，一个定位系统很难做到对多架无人机同时定位，该定位系统还需要高分辨率的摄像机和高级的图像处理技术，因此整个定位系统成本比较高；现有的一种基站定位技术，其原理是测量电磁波的传播时间，进而测量距离，进而算出空间坐标实现定位。因为电磁波的速度非常快，很难测量出精确的时间，因此定位精度不高，只能达到10到30厘米的精度。此技术还有一个地面中间站，统一接收所有的定位信息，再处理定位信息，才能生成空间定位坐标，再将空间定位坐标传给无人机实现定位。当需要同时对很多无人机定位时，地面中间站无法同时处理那么多的定位信息，生成空间定位坐标，因此此定位方法很难实现同时对多个目标实时定位；现有的GPS全球定位系统以及中国北斗定位系统等由于其需要发射卫星，因此成本非常高，技术非常复杂，由于受系统的时钟误差、时钟漂移和电流层附加延迟等的影响，GPS和北斗的定位精度很低，只能达到米级别，民用GPS定位精度是10米左右。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种利用超声波和电磁波进行定位的定位系统，本定位系统简单的利用了电磁波和超声波收发特性，可以实现精确定位，定位精度非常高，达到毫米级别，可以同时为若干个目标进行定位服务，生产和使用成本低，可用于四轴飞行器等无人机的编队飞行，可以安装在地面，用于飞行器的精确起飞、精确位置降落。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
本发明提供一种利用超声波和电磁波进行定位的定位系统，包括发送机模块、接收机模块；
所述发送机模块包括至少三个超声波发生器模块：用于发送超声波；
第一无线通信模块：用于发送电磁波；
温度测量模块：用来检测温度变化，从而确定声速；
第一单片机模块：用来控制超声波、电磁波的发送，以及接受温度测量模块的信号，确定声速；
四轴飞行器：作为设备载体；
若干个第一LED灯组：用于提示超声波、电磁波的发送；
第一电源装置：用于给发送机模块供电；所述第一LED灯组分别与超声波发生器模块、第一无线通信模块电连接，所述超声波发生器模块、第一无线通信模块、温度测量模块与第一单片机模块电连接，所述第一无线通信模块设置在四轴飞行器底面正中心；
所述接收机模块安装在四轴飞行器上与发送机模块相对应，所述接收机模块包括超声波接收器模块：用于接收超声波；
第二无线通信模块：用于接收电磁波；
显示屏：用于显示坐标信息；
第二电源模块：用于给接收机模块供电；
若干个第二LED灯组：用于提示超声波、电磁波的接收；
第二单片机模块：用于分析超声波信号、电磁波信号，以超声波发生器相对位置确定坐标系，结合接收时间与声速，计算超声波发生器相对坐标位置，将数据输送给显示屏显示；所述第二LED灯组分别与超声波接收器模块、第二无线通信模块电连接，所述超声波接收器模块、第二无线通信模块、显示屏、第二电源模块与第二单片机模块电连接。
进一步的，所述第一LED灯组、第二LED灯组包括一个红灯和一个绿灯。
进一步的，所述发送机模块包括三个超声波发生器模块。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，使用方便，简单的利用了电磁波和超声波，便可以实现精确定位，定位精度非常高，达到毫米级别，可以同时为若干个目标进行定位服务，生产和使用成本低，可用于四轴飞行器等无人机的编队飞行，可以安装在地面，用于飞行器的精确起飞、精确位置降落。
附图说明
图1为本发明的实施例的系统框图示意图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：如图1所示，本实施例提供一种利用超声波和电磁波进行定位的定位系统，包括发送机模块1、接收机模块2；超声波传播速度是340米每秒，电磁波传播速度是300000000米每秒，由于电磁波的速度与声速的巨大差距，当以光速移动30米距离时，以声速移动的距离是30÷300000000×340＝0.000034米＝0.034毫米，电磁波和超声波同时从同一个地点发出，当电磁波传播30米时，超声波传播0.034毫米，相当于还在原地，发送机模块1同时发出超声波和电磁波，接收机模块2先后接收电磁波和超声波，接收到电磁波时计时为T1，接收到超声波时计时为T2，T＝T2-T1便是超声波的传播时间，所以接收机到发送机的距离S＝V×T，V是声速，距离大小精度非常高，可以达到毫米级别，在整个定位系统开始工作之前，先对准发送机和接收机的初始时间，这样就可以不用每次发送超声波时，都要发送电磁波，隔一段时间，发一次电磁波，对准整个定位系统的时间，以保证定位精度，这样做是为了节约电能，增加定位的工作时间。
所述发送机模块1包括三个超声波发生器模块A、B、C：用于发送超声波；
第一无线通信模块1-1：用于发送电磁波和温度信号；
A、B、C不同时发射超声波，三者之间彼此隔着合适的时间，先由A发射，同时第一无线通信模块1-1发出电磁波；再到B发射，同时第一无线通信模块1-1发射电磁波；再到C发射，同时第一无线通信模块1-1发射电磁波，一直轮流下去，不断的向外界发出定位信号；
温度测量模块1-2：用来检测温度变化，把信号通过第一无线通信模块1-1发送给接收机模块2，以便根据温度变化改变声速的具体值，以提高系统定位精度；
第一单片机模块1-3：用来控制超声波、电磁波的发送，以及接受温度测量模块的信号；
四轴飞行器：作为设备载体；
若干个第一LED灯组：分别与超声波发生器模块、第一无线通信模块电连接，用于提示超声波、电磁波的发送，每组包括一个红灯和一个绿灯，与超声波发生器模块连接的绿灯和红灯同时亮表示正在发射超声波，红灯亮而绿灯不亮表示不发射超声波，与第一无线通信模块1-1连接的绿灯亮表示正在通信，红灯亮表示通信中断；
第一电源装置1-4：用于给发送机模块供电；所述超声波发生器模块、第一无线通信模块、温度测量模块与第一单片机模块电连接，所述第一无线通信模块1-3设置在四轴飞行器底面正中心；
所述接收机模块2安装在四轴飞行器上与发送机模块1相对应，所述接收机模块2包括超声波接收器模块2-1：用于接收超声波；
第二无线通信模块2-2：用于接收电磁波；
显示屏2-3：用于显示坐标信息；
第二电源模块2-4：用于给接收机模块供电；
若干个第二LED灯组：分别与超声波接收器模块2-1、第二无线通信模块2-2电连接，用于提示超声波、电磁波的接收，每组包括一个红灯、一个绿灯，与超声波接收器模块2-1连接的红灯亮而绿灯不亮表示接收不到超声波，绿灯和红灯同时亮表示能接收到超声波，与第二无线通信模块2-2连接的绿灯亮而红灯不亮表示正在通信，红灯亮而绿灯不亮表示通信中断。
第二单片机模块2-5：与超声波接收器模块2-1、第二无线通信模块2-2、显示屏2-3、第二电源模块2-4电连接，用于分析超声波信号、电磁波信号，以A的位置点为空间坐标原点，AB线为X轴，AC线为Y轴，垂直于ABC组成的平面且过A位置点的直线为Z轴，建立空间直角坐标系，在这个空间坐标系中，三个超声波发射器具有唯一确定的空间坐标值，结合接收时间与声速，计算超声波发生器相对坐标位置，算出的第一个距离是与A的距离，第二个距离是与B的距离，第三个距离是与C的距离，分别顺序算出接收机与三个发送机A、B、C的距离为一个工作周期，用这三个距离数据便可以解出接收机相对于发送机系统的空间坐标值，每执行完一个工作周期，可以更新一次空间坐标值，使定位更加精确，而且具有实时性，然后将数据输送给显示屏显示，可以更直观显示；
进一步的，所述第一单片机模块、第二单片机模块为89c51单片机，可以使运算更为准确。
本实施例的具体系统工作流程包括：
(1)在整个定位系统开始工作之前，先对准发送机和接收机的初始时间，这样就可以不用每次发送超声波时，都要发送电磁波，隔一段时间，发一次电磁波，对准整个定位系统的时间，以保证定位精度，这样做是为了节约电能，增加定位的工作时间；
(2)超声波电磁波定位系统开始工作；
(3)超声波发生器模块A发出超声波，同时第一无线通信模块1-1发出无线电波，第二无线通信模块2-2先接收到无线电波，此时计时为T1，超声波接模块2-1后接收到超声波，此时计时为T2，计算出接收机到超声波发生器模块的距离为S1＝(T2-T1)×V，V是声速；
(4)超声波发生器模块B发出超声波，同时第一无线通信模块1-1发出无线电波，第二无线通信模块2-2先接收到无线电波，此时计时为T3，超声波接模块2-1后接收到超声波，此时计时为T4，计算出接收机到超声波发生器模块的距离为S2＝(T4-T3)×V，V是声速；
(5)超声波发生器模块C发出超声波，同时第一无线通信模块1-1发出无线电波，第二无线通信模块2-2先接收到无线电波，此时计时为T5，超声波接模块2-1后接收到超声波，此时计时为T6，计算出接收机到超声波发生器模块的距离为S3＝(T6-T5)×V，V是声速；
(6)以A的位置点为空间坐标原点，AB线为X轴，AC线为Y轴，垂直于ABC组成的平面且过A位置点的直线为Z轴，建立空间直角坐标系，利用S1、S2、S3计算出接收机模块2相对于定位系统的空间坐标值，完成定位，其中声速V根据温度测量模块1-2测量的温度变化改变声速的具体值，以提高系统定位精度。
本定位系统还可以安装在地面，用于飞行器的精确起飞、精确位置降落。
Claims (4)
1.一种利用超声波和电磁波进行定位的定位系统，其特征在于，包括发送机模块、接收机模块；
所述发送机模块包括至少三个超声波发生器模块：用于发送超声波；
第一无线通信模块：用于发送电磁波；
温度测量模块：用来检测温度变化，从而确定声速；
第一单片机模块：用来控制超声波、电磁波的发送，以及接受温度测量模块的信号，确定声速；
四轴飞行器：作为设备载体；
若干个第一LED灯组：用于提示超声波、电磁波的发送；
第一电源装置：用于给发送机模块供电；所述第一LED灯组分别与超声波发生器模块、第一无线通信模块电连接，所述超声波发生器模块、第一无线通信模块、温度测量模块与第一单片机模块电连接，所述第一无线通信模块设置在四轴飞行器底面正中心；
所述接收机模块安装在四轴飞行器上与发送机模块相对应，所述接收机模块包括超声波接收模块：用于接收超声波；
第二无线通信模块：用于接收电磁波；
显示屏：用于显示坐标信息；
第二电源模块：用于给接收机模块供电；
若干个第二LED灯组：用于提示超声波、电磁波的接收；
第二单片机模块：用于分析超声波信号、电磁波信号，以超声波发生器相对位置确定坐标系，结合接收时间与声速，计算超声波发生器相对坐标位置，将数据输送给显示屏显示；所述第二LED灯组分别与超声波接收模块、第二无线通信模块电连接，所述超声波接收模块、第二无线通信模块、显示屏、第二电源模块与第二单片机模块电连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用超声波和电磁波进行定位的定位系统，其特征在于，所述第一LED灯组、第二LED灯组包括一个红灯和一个绿灯。
3.根据权利要求1中所述的一种利用超声波和电磁波进行定位的定位系统，其特征在于，所述发送机模块至少包括三个超声波发生器模块。
4.一种利用超声波和电磁波进行定位的定位方法，其特征在于，使用权利要求1所述的一种利用超声波和电磁波进行定位的定位系统，具体包括以下步骤：
(1)在整个定位系统开始工作之前，先对准发送机和接收机的初始时间；
(2)超声波电磁波定位系统开始工作；
(3)超声波发生器模块A发出超声波，同时第一无线通信模块发出无线电波，第二无线通信模块先接收到无线电波，此时计时为T1，超声波接模块2-1后接收到超声波，此时计时为T2，计算出接收机到超声波发生器模块的距离为S1＝(T2-T1)×V，V是声速；
(4)超声波发生器模块B发出超声波，同时第一无线通信模块发出无线电波，第二无线通信模块先接收到无线电波，此时计时为T3，超声波接模块后接收到超声波，此时计时为T4，计算出接收机到超声波发生器模块的距离为S2＝(T4-T3)×V，V是声速；
(5)超声波发生器模块C发出超声波，同时第一无线通信模块发出无线电波，第二无线通信模块先接收到无线电波，此时计时为T5，超声波接模块2-1后接收到超声波，此时计时为T6，计算出接收机到超声波发生器模块的距离为S3＝(T6-T5)×V，V是声速；
(6)以A的位置点为空间坐标原点，AB线为X轴，AC线为Y轴，垂直于ABC组成的平面且过A位置点的直线为Z轴，建立空间直角坐标系，利用S1、S2、S3计算出接收机模块相对于定位系统的空间坐标值，完成定位，其中声速V根据温度测量模块测量的温度变化改变声速的具体值，以提高系统定位精度。
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