CN108445914A - 一种基于uwb定位的无人机编队表演系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于UWB定位的无人机编队表演系统及其实现方法，使用超宽带无线通信技术及时分的TDoA技术构建用于室内和室外小型区域的三维定位系统，使用微型四轴飞行器编队导航飞行技术及全彩色LED调光技术等多种技术相结合，可用于室内外小型区域的表演系统。在三维定位区域内，飞行器集群按照规划的轨迹进行导航飞行，控制搭载在多个微型飞行器上的可调光的LED灯的颜色变换，构建出各种静态和动态飞行图案，产生较强烈的视觉效果。由于采用基于UWB的分时TDoA技术、计算机模拟微型飞行器集群飞行图案技术、无人机集群飞行图案分布存储技术、PC协调器同步及自同步相结合的技术，可降低整个系统的价格。
Description
技术领域
本发明涉及无人机编队表演，尤其是涉及可工作在室内及室外小型区域无人机编队表演的一种基于UWB定位的无人机编队表演系统及其实现方法。
背景技术
微型四轴飞行器可以自由地实现悬停和空间中的自由移动，具有很大的灵活性，它具有结构简单，稳定性好，成本低廉、性价比高等优点。四轴飞行器在消费类产品的应用主要集中在玩具、航模及航拍。随着微型无人机领域快速发展，学术研究的方向已经转向了基于四轴飞行器的智能导航、多飞行器的编队控制，在无人机技术发展上“集群无人机是趋势”已被行业认同。
在具体应用上，无人机机群用于灯光表演也悄然出现。2016年底以来，无人机机群表演技术快速发展。具体的应用场景，如2017年超级碗的场间表演，300架无人机与LadyGaga同台表演。室外无人机高空编队表演，在无人机机群表演中，在机群协调上有相当大的难度，对飞行器定位精度与飞控控制精度均有非常高的要求。
尽管全球定位系统GPS在对室外目标的定位上获得了广泛的应用，但是因为其信号无法穿透房间的建筑材料而使其难以适合于室内环境的应用，同时，GPS通常在消费级的定位精度在数米，无法满足无人机编队表演的要求；GPS的实时伪距差分(RTD)和实时相位差分(RTK)技术的定位精度分别可以达分米级和厘米级，但是这两种技术的成本很高，体积较大无法搭载在微型无人机上。
在无人机编队的技术中，利用多个高速红外摄像头实时抓拍贴装在无人机上的标记点，然后对进行图像处理和实时解算，虽然精度可以达到要求，但是这种方式的缺陷在于，编队表演的无人机的数量非常有限，无人机的表演区域也受限于红外摄像头的视域范围，同时，定位系统的价格非常高。
发明内容
本发明的目的是提供可用于室内和室外小型区域的表演，使参与表演的无人机数量尽量多，同时降低整个系统价格的一种基于UWB定位的无人机编队表演系统及其实现方法。
所述基于UWB定位的无人机编队表演系统设有UWB三维定位子系统、微型飞行器子系统、编队导航子系统、路由器和协调器；
所述UWB三维定位子系统由8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A1～A7组成，所述8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A1～A7依次在时隙周期T0～T7循环发送定位信号；
所述微型飞行器子系统由Cortex M4MCU、陀螺仪加速度传感器、电机驱动器、UWBTag、2.4GHz通信模块、全彩LED调光模块和大容量的flash存储器组成；
所述编队导航子系统通过计算机模拟微型飞行器集群飞行图案，并采用飞行图案分布存储技术；
所述协调器为PC服务器控制和收发数据的接口，协调器的以太网接口通过路由器和PC服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口转发来自以太网口的命令和数据，所述协调器的2.4Ghz无线接口是与飞行器进行数据交换的接口。
所述8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A1～A7依次在时隙周期T0～T7循环发送定位信号可采用基于时分的TDoA的方法。
所述微型飞行器子系统底部搭载全彩色调光LED作为光点，所有的微型飞行器光点排列成计算机预设的动态图案。
所述基于UWB定位的无人机编队表演的实现方法包括以下步骤：
1)UWB三维定位子系统由8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A0～A7组成，采用基于时分的TDoA的方法，8个锚点依次在时隙周期T0～T7循环发送定位信号；
使用DW1000模块预约发送功能精确的控制时隙周期Tslot、并根据锚点之间的距离是确定的性质可以使A1～A7的时间和A0进行对齐，使各个锚点的工作时钟同步，同步之后微型飞行器上的UWB模块，容易获得A0～A7两两之间的定位信号到Tag飞行的时间差值，并使用最小二乘法、泰勒级数展开、chan算法进行三维坐标的解算，得到飞行器当前(x,y,z)坐标；
2)微型飞行器子系统由Cortex M4MCU、陀螺仪加速度传感器、电机驱动器、UWBTag、2.4GHz通信模块、全彩LED调光模块和大容量的flash存储器组成；
所述大容量的flash存储器分布存储规划好的飞行图案中与自己相关的部分，每一个同步周期MCU从存储器中取出预设坐标和实时解算的三维坐标进行比较，比较的结果用于调整飞行器的电机以控制飞行器的运动状态，使飞行器的位置不断趋向预设坐标；
所述微型飞行器子系统底部搭载全彩色调光LED作为光点，每一个同步周期MCU从存储器中取出预设的值，控制光点的颜色和亮度变化，所有的微型飞行器光点排列成计算机预设的动态图案；
3)编队导航子系统通过计算机模拟微型飞行器集群飞行图案，并采用飞行图案分布存储技术；
在确定飞行方案需求后，通过计算机模拟微型飞行器集群的飞行图案，并获得各个光点(即微型飞行器，飞行器带有LED灯光模块)的飞行轨迹，即获得每一个光点(微型飞行器)飞行轨迹的三维坐标、颜色及飞行速度发送给飞行器，飞行器接收到的与自己相关的飞行图案后存储在大容量flash存储器中，实现飞行图案的分布存储技术，由于采用大容量存储和分布存储，飞行器可以存储多个飞行图案；
4)编队导航子系统使用协调器同步和飞行器自同步相结合的方案，降低通信负荷和通信故障：在完成图案传输后，PC通过协调器在每一个同步周期发送同步指令，所有的飞行器在接收到同步指令时，飞行器的工作时钟与PC协调器的工作时钟进行同步对齐；表演时，飞行器在接收到同步指令后对自己的飞行轨迹、颜色和飞行速度进行同步更新；在偶尔没有接收到同步指令时，微型飞行器也可以根据自己的工作时钟进行飞行轨迹的同步更新；在整个飞行方案进行完毕时，PC协调器发出回收指令，飞行器返航；
5)协调器是PC服务器控制和收发数据的接口，协调器的以太网接口通过路由器和PC服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口，转发来自以太网口的命令和数据，是与飞行器进行数据交换的接口。
在步骤1)中，所述UWB三维定位子定位系统中，基于时分的TDoA的方法，定义8个时隙T0～T7，8个定位锚点A0～A7分别与之对应，并在每一个时隙周期的开始，对应的锚点发送定位信号，例如，锚点A1在时隙T1的开始时刻发送定位信号。
A0与A1发送定位信号到Tag的时间差为：
Δ＝δrx-δtx＝δrx-(Tslot+Δt1)
δtx＝Tslot+Δt1
其中，Tslot为时隙周期常数，Δt1是A0发送定位信号到A1的飞行时间。由于DW1000可以设置延时发送时间(相当于可以预约发送)，也就是说，在接收到A0的发送定位信号时，可以精确设置在Tslot后发送，从而精确控制时隙常数。
由于A0与A1之间的距离是确定的，A0与A1来回的飞行时间是相等的，通过多次测量就可以得出Δt1值。也就是使A1的时间和A0进行了同步对齐。
可以求得Δ＝δrx-δtx，也就是A0与A1发送定位信号到Tag的时间差，同理，可以求出A0与其他锚点的时间差值。
所述UWB三维定位子定位系统，使用基于时分的TDOA、UWB模块预约发送功能，同时根据锚点之间的距离是确定的性质，可以使A1～A7的时间和A0进行同步对齐，也就是各个锚点间进行了同步，同步之后容易获得A0～A7两两之间的定位信号到Tag飞行的时间差值。
在步骤2)中，所述微型飞行器子系统，搭载DW1000超宽带无线收发模块作为定位标签，接收来自8个定位锚点的定位信号，通过基于时分的TDoA的方法，获得8个定位锚点A0～A7两两之间的定位信号到Tag飞行的时间差值，使用最小二乘法、泰勒级数展开或chan算法进行三维坐标的解算，实时得到飞行器当前的位置(x,y,z)；
所述微型飞行器子系统还搭载2.4Ghz无线芯片和PC服务器进行通信；飞行器上设置一个广播地址和单播地址，系统中所有的飞行器上工作在同一个频道上。
在步骤5)中，所述协调器是PC服务器控制和收发数据的接口，协调器上的以太网接口，通过路由器和PC服务器连接；协调器上的2.4Ghz无线接口，转发来自以太网口的命令和数据，是和飞行器进行数据交换的接口。
在进行飞行图案传输时，飞行器使用的单播地址与协调器进行一对一的数据传输；飞行时使用广播地址，发送同步指令、回收指令等；飞行时如果需要知道飞行器的状态和参数，使用单播地址和飞行器通信。
本发明使用超宽带(UWB)无线通信技术及时分的TDoA技术构建用于室内和室外小型区域的三维定位系统，使用微型四轴飞行器编队导航飞行技术及LED调光技术等多种技术相结合的，可以用于室内和室外小型区域的表演系统。由于采用了基于UWB分时的TDOA技术、无人机集群飞行图案分布存储技术、PC协调器同步及自同步相结合的技术，理论上参与表演的无人机数量不受限制，也可以降低整个系统的价格。
附图说明
图1为本发明所述基于UWB定位的无人机编队表演系统的结构组成示意图。
图2为时分TDoA。
图3为飞行器根据飞行图案调整坐标。
具体实施方式
以下具体实施的方法将对本发明作进一步的说明。
如图1所示，所述基于UWB定位的无人机编队表演系统实施例设有UWB三维定位子系统1、微型飞行器子系统2、编队导航子系统3、协调器4和路由器5；
所述UWB三维定位子系统1由8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A1～A7组成，所述8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A1～A7依次在时隙周期T0～T7循环发送定位信号；
所述微型飞行器子系统由Cortex M4MCU、陀螺仪加速度传感器、电机驱动器、UWBTag、2.4GHz通信模块、全彩LED调光模块和大容量的flash存储器组成；
所述编队导航子系统3通过计算机模拟微型飞行器集群飞行图案，并采用飞行图案分布存储技术；
所述协调器4为PC服务器控制和收发数据的接口，协调器4的以太网接口通过路由器5和PC服务器连接；协调器4的2.4Ghz无线接口转发来自以太网口的命令和数据，所述协调器4的2.4Ghz无线接口是与飞行器进行数据交换的接口。
所述8个锚点依次在时隙周期T0～T7循环发送定位信号可采用基于时分的TDoA的方法。
所述微型飞行器子系统2底部搭载全彩色调光LED作为光点，所有的微型飞行器光点排列成计算机预设的动态图案。
所述基于UWB定位的无人机编队表演的实现方法包括以下步骤：
1.构建UWB三维定位子系统，用于室内及室外小型区域。该定位系统是由8个DW1000的超宽带无线收发模块的定位锚点组成，采用基于时分的TDoA的方法，8个锚点依次循环发送定位信号，微型飞行器子系统搭载的UWB模块作为定位标签，接收定位信号。整个系统提供满足定位精度±10cm的室内及小型区域的定位的需求。
如图2所示，定位系统中定义了8个时隙T0～T7，8个定位锚点A0～A7分别与之对应，并在每一个时隙的开始，对应的锚点发送定位信号，例如，锚点A1在时隙T1的开始时间发送定位信号。
A0与A1发送定位信号到Tag的时间差为：
Δ＝δrx-δtx＝δrx-(Tslot+Δt1)
δtx＝Tslot+Δt1
其中，Tslot为时隙周期常数，Δt1是A0发送定位信号到A1的飞行时间，由于DW1000可以设置延时发送时间(相当于可以“预约”发送)，也就是说，在接收到A0的发送定位信号时，可以精确设置在Tslot后发送，从而精确控制时隙常数。
由于锚点A0与A1之间的距离是确定的，A0～A1来回的飞行时间是相等的，所以Δt1＝(trx0-t0-Tslot)/2，经过多次测量就可以得出Δt1值。
可以求得Δ＝δrx-δtx，也就是A0与A1发送定位信号到Tag的时间差。同理，可以求出A0与其他锚点的时间差值。
使用时分的方法、UWB模块“预约发送”功能，同时根据锚点之间的距离是确定的性质可以是A1～A7的时间和A0进行对齐，也就是各个锚点间进行了同步，同步之后容易获得A0～A7两两之间的定位信号飞行的时间差值。
如图3所示，系统同步对齐之后，搭载在微型飞行器上的UWB模块可以计算出A0～A7两两之间的定位信号飞行的时间差值。并使用最小二乘法、泰勒级数展开、chan算法都可以进行三维坐标的解算，得到当前飞行器空间的(x,y,z)坐标。
2.微型飞行器子系统由Cortex M4MCU、陀螺仪加速度传感器、电机驱动器、UWBTag、2.4GHz通信模块、全彩LED调光模块和大容量的flash存储器组成。
搭载陀螺仪、加速度传感器捕获飞行器的飞行姿态，结合PID控制算法，形成一个自动反馈系统，让飞行器达到稳定飞行；
搭载基于DW1000的超宽带无线收发模块作为定位标签，接收来自8个定位锚点的定位信号，通过基于时分的TDOA的方法，获得8个定位锚点A0～A7两两之间的定位信号到Tag飞行时间的差值，使用最小二乘法、泰勒级数展开或chan算法进行三维坐标的解算，实时得到飞行器当前的位置；
搭载大容量的flash存储器存储规划好的飞行图案。每一个同步周期MCU从存储器中取出预设坐标和实时解算的三维坐标进行比较，比较结果用于调整飞行器的电机控制飞行器的运动状态，使飞行器的位置不断趋向预设坐标。
飞行器底部搭载全彩色调光LED作为“光点”。每一个同步周期MCU从存储器中取出预设的值，控制光点的颜色和亮度变化。所有的飞行器的“光点”排列成计算机预设的图案。
搭载2.4Ghz无线芯片和PC服务器进行通信；飞行器上设置一个广播地址和单播地址，系统中所有的飞行器上工作在同一个频道上。
3.编队导航子系统，通过计算机模拟微型飞行器集群飞行图案，并采用飞行图案分布存储技术。
在确定飞行方案需求后，通过计算机模拟微型飞行器集群的飞行图案，并获得到各个“光点”(微型飞行器)的飞行轨迹，即获得每一个“光点”飞行轨迹的三维坐标、颜色及飞行速度发送给各个飞行器，飞行器接收到飞行图案后存储在自己的大容量flash存储器中，实现飞行图案的分布存储技术。由于采用大容量存储，飞行器可以存储多个飞行图案。
编队导航子系统，使用协调器同步和飞行器自同步相结合的方案，降低通信负荷和通信故障：在完成图案传输后，PC通过协调器每一个100ms的同步周期发送同步指令，所有的飞行器在接收到同步指令时，飞行器的工作时钟与PC协调器的工作时钟进行对齐；同步后，每个同步周期，飞行器的飞行轨迹、颜色和飞行速度的更新进行同步；由于进行同步对齐，飞行器在偶尔没有接收到同步指令时，微型飞行器也可以根据自己的工作时钟进行自己的飞行轨迹的同步更新；在整个飞行方案进行完毕时，PC协调器发出回收指令，飞行器返航。
4.协调器是PC服务器控制和收发数据的接口。协调器的以太网接口，通过路由器和PC服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口，转发来自以太网口的命令和数据，是和飞行器进行数据交换的接口。
在进行飞行图案传输时，飞行器使用的单播地址与协调器进行一对一的数据传输；飞行时使用广播地址，发送同步指令、回收指令等；飞行时如果需要知道飞行器的状态和参数，使用单播地址和飞行器通信。
本发明使用超宽带(UWB)无线通信技术及时分的TDoA技术构建用于室内和室外小型区域的三维定位系统，使用微型四轴飞行器编队导航飞行技术及全彩色LED调光(调整亮度和色度)技术等多种技术相结合，可以用于室内和室外小型区域的表演系统。在三维定位区域内，飞行器集群按照规划的轨迹进行导航飞行，同时控制搭载在多个微型飞行器上的可调光的LED灯的颜色变换，构建出各种静态和动态飞行图案，从而产生较强烈的视觉效果。由于采用了基于UWB的分时TDoA技术、计算机模拟微型飞行器集群飞行图案技术、无人机集群飞行图案分布存储技术、PC协调器同步及自同步相结合的技术，理论上参与表演的无人机数量不受限制，也可以降低整个系统的价格。
Claims (7)
1.一种基于UWB定位的无人机编队表演系统，其特征在于设有UWB三维定位子系统、微型飞行器子系统、编队导航子系统、路由器和协调器；
所述UWB三维定位子系统由8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A1～A7组成，所述8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A1～A7依次在时隙周期T0～T7循环发送定位信号；
所述微型飞行器子系统由Cortex M4 MCU、陀螺仪加速度传感器、电机驱动器、UWBTag、2.4GHz通信模块、全彩LED调光模块和大容量的flash存储器组成；
所述编队导航子系统通过计算机模拟微型飞行器集群飞行图案，并采用飞行图案分布存储技术；
所述协调器为PC服务器控制和收发数据的接口，协调器的以太网接口通过路由器和PC服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口转发来自以太网口的命令和数据，所述协调器的2.4Ghz无线接口是与飞行器进行数据交换的接口。
2.如权利要求1所述一种基于UWB定位的无人机编队表演系统，其特征在于所述8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A1～A7依次在时隙周期T0～T7循环发送定位信号采用基于时分的TDoA的方法。
3.如权利要求1所述一种基于UWB定位的无人机编队表演系统，其特征在于所述微型飞行器子系统底部搭载全彩色调光LED作为光点，所有的微型飞行器光点排列成计算机预设的动态图案。
4.基于UWB定位的无人机编队表演的实现方法，其特征在于采用如权利要求1～3中之一的一种基于UWB定位的无人机编队表演系统，所述方法包括以下步骤：
1)UWB三维定位子系统由8个基于超宽带无线收发模块的定位锚点A0～A7组成，采用基于时分的TDoA的方法，8个锚点依次在时隙周期T0～T7循环发送定位信号；
使用DW1000模块预约发送功能精确的控制时隙周期Tslot、并根据锚点之间的距离是确定的性质可以使A1～A7的时间和A0进行对齐，使各个锚点的工作时钟同步，同步之后微型飞行器上的UWB模块，容易获得A0～A7两两之间的定位信号到Tag飞行的时间差值，并使用最小二乘法、泰勒级数展开、chan算法进行三维坐标的解算，得到飞行器当前坐标x,y,z；
2)微型飞行器子系统由Cortex M4 MCU、陀螺仪加速度传感器、电机驱动器、UWB Tag、2.4GHz通信模块、全彩LED调光模块和大容量的flash存储器组成；
所述大容量的flash存储器分布存储规划好的飞行图案中与自己相关的部分，每一个同步周期MCU从存储器中取出预设坐标和实时解算的三维坐标进行比较，比较的结果用于调整飞行器的电机以控制飞行器的运动状态，使飞行器的位置不断趋向预设坐标；
所述微型飞行器子系统底部搭载全彩色调光LED作为光点，每一个同步周期MCU从存储器中取出预设的值，控制光点的颜色和亮度变化，所有的微型飞行器光点排列成计算机预设的动态图案；
3)编队导航子系统通过计算机模拟微型飞行器集群飞行图案，并采用飞行图案分布存储技术；
在确定飞行方案需求后，通过计算机模拟微型飞行器集群的飞行图案，并获得到各个光点的飞行轨迹，即获得每一个光点飞行轨迹的三维坐标、颜色及飞行速度发送给飞行器，飞行器接收到的与自己相关的飞行图案后存储在大容量flash存储器中，实现飞行图案的分布存储技术，由于采用大容量存储和分布存储，飞行器可以存储多个飞行图案；
4)编队导航子系统使用协调器同步和飞行器自同步相结合的方案，降低通信负荷和通信故障：在完成图案传输后，PC通过协调器在每一个同步周期发送同步指令，所有的飞行器在接收到同步指令时，飞行器的工作时钟与PC协调器的工作时钟进行同步对齐；表演时，飞行器在接收到同步指令后对自己的飞行轨迹、颜色和飞行速度进行同步更新；在偶尔没有接收到同步指令时，微型飞行器也可以根据自己的工作时钟进行飞行轨迹的同步更新；在整个飞行方案进行完毕时，PC协调器发出回收指令，飞行器返航；
5)协调器是PC服务器控制和收发数据的接口，协调器的以太网接口通过路由器和PC服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口，转发来自以太网口的命令和数据，是与飞行器进行数据交换的接口。
5.如权利要求4所述基于UWB定位的无人机编队表演的实现方法，其特征在于在步骤1)中，所述UWB三维定位子定位系统中，基于时分的TDoA的方法，定义8个时隙T0～T7，8个定位锚点A0～A7分别与之对应，并在每一个时隙周期的开始，对应的锚点发送定位信号；
A0与A1发送定位信号到Tag的时间差为：
Δ＝δrx-δtx＝δrx-(Tslot+Δt1)
δtx＝Tslot+Δt1
其中，Tslot为时隙周期常数，Δt1是A0发送定位信号到A1的飞行时间，由于DW1000设置延时发送时间，即在接收到A0的发送定位信号时，精确设置在Tslot后发送，从而精确控制时隙常数；
由于A0与A1之间的距离是确定的，A0与A1来回的飞行时间是相等的，通过多次测量得出Δt1值，即使A1的时间和A0进行了同步对齐；
求得Δ＝δrx-δtx，即A0与A1发送定位信号到Tag的时间差，同理，求出A0与其他锚点的时间差值；
所述UWB三维定位子定位系统，使用基于时分的TDOA、UWB模块预约发送功能，同时根据锚点之间的距离是确定的性质，使A1～A7的时间和A0进行同步对齐，也就是各个锚点间进行了同步，同步之后容易获得A0～A7两两之间的定位信号到Tag飞行的时间差值。
6.如权利要求4所述基于UWB定位的无人机编队表演的实现方法，其特征在于在步骤2)中，所述微型飞行器子系统，搭载DW1000超宽带无线收发模块作为定位标签，接收来自8个定位锚点的定位信号，通过基于时分的TDoA的方法，获得8个定位锚点A0～A7两两之间的定位信号到Tag飞行的时间差值，使用最小二乘法、泰勒级数展开或chan算法进行三维坐标的解算，实时得到飞行器当前的位置；
所述微型飞行器子系统还搭载2.4Ghz无线芯片和PC服务器进行通信；飞行器上设置一个广播地址和单播地址，系统中所有的飞行器上工作在同一个频道上。
7.如权利要求4所述基于UWB定位的无人机编队表演的实现方法，其特征在于在步骤5)中，所述协调器是PC服务器控制和收发数据的接口，协调器上的以太网接口，通过路由器和PC服务器连接；协调器上的2.4Ghz无线接口，转发来自以太网口的命令和数据，是和飞行器进行数据交换的接口；
在进行飞行图案传输时，飞行器使用的单播地址与协调器进行一对一的数据传输；飞行时使用广播地址，发送同步指令、回收指令；飞行时如果需要知道飞行器的状态和参数，使用单播地址和飞行器通信。
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