CN108802713A - 单基站无人机定位系统及降落导引方法 - Google Patents

单基站无人机定位系统及降落导引方法 Download PDF

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许连杰
王洋
刘丽珍
李冀
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张勇
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Abstract

本发明公开了一种基于超宽带技术的单基站无人机定位系统及降落导引方法。定位系统包括无人机、机载定位标签、导引基站。在无人机降落台某确定位置布设导引基站，该导引基站既可以测量基站与机载定位标签的距离d，又可以测量机载定位标签相对于导引基站的方位角ϕ和俯仰角θ。该导引基站的感知半径为R。当无人机进入导引基站的感知半径范围内时，导引基站测量出本机与无人机所携带的机载定位标签的距离d，导引基站和机载定位标签通过阵列天线获取标签相对于导引基站的方位角ϕ和俯仰角θ。基站通过超宽带信号向无人机所携带的标签发送测得的d和ϕ、θ。标签通过解算获得此时本机相对于基站的三维相对坐标，并确定无人机前进方向，将此信息反馈给无人机飞控模块。无人机飞控系统指导无人机安全准确的降落在规定的降落台上。

Description

单基站无人机定位系统及降落导引方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种单基站无人机定位系统及降落导引方法。
背景技术
近几年，微型无人机由于其体积小、重量轻、隐蔽性好等特点被广泛应用于摄像、监控、侦查、追踪、测绘等各个领域，并开启了无人机技术爆炸的时代。而动态追踪拍摄时微小平台(如汽车顶)回收拍摄装备、快递行业定点投送物品等民用无人机使用的新需求，都对微型无人机的自动降落技术提出了新挑战。
基于GPS的自动降落是目前最常用的解决方法，但是这类基于GPS导航的自动降落技术均存在一些不足：1、目前民用GPS定位精度仅能达到10米，对于一些地形复杂的区域，如建筑群密集的城市中心，很有可能由于导航误差造成无人机在低空进近时坠毁；2、GPS信号受非空气介质干扰大，在遮挡物较多的地域(如森林)会造成误差加大甚至信号缺失；3、基于GPS的定位方案设备造价高昂，经济性不足，而且精度不是特别高，若在偏离降落地点上方时，GPS失效，可能会导致无法降落，不适合解决此问题。现提出一种基于超宽带的解决方案，该方案具有成本低，精度高的优点。
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术是目前备受关注的一种新型短距离高速率无线通信技术。2002年2月，联邦通信委员会(FCC)规定准许UWB技术在民用领域使用，但发送功率低于-41.3dBm/MHz，可将3.1GHz-10.6GHz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达及在家电终端和便携式终端间进行短距离高速无线通信。由于UWB技术采用纳秒级脉冲携带信息，时间分辨率极高，可用于精确测距和精准定位。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种结构科学、智能化、可重复使用的基于单基站的无人机定位系统及降落导引方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于引导无人机降落的定位系统及降落导引方法，单基站无人机定位系统，包括机载定位标签、无人机、导引基站和无人机飞控系统；导引基站包括测距模块、测角模块、电源管理模块、控制/处理模块及通信模块。
所述机载定位标签可以时刻通过四元阵天线发射超宽带脉冲信号，一旦无人机进入导引基站感知范围，即可与导引基站进行无线通信；
所述导引基站可以通过四元阵天线接收机载定位标签发射的超宽带脉冲信号并进行各种解算,同时将解算信息发送给机载定位标签；
所述测距模块利用UWB信道和集成在无人机的机载定位标签交互数据，采集距离测量所需的时间信息；
所述测角模块利用UWB信道和集成在无人机的机载定位标签交互数据，采集角度测量所需的到达相位/时间差信息；
所述控制/处理模块读取测距模块和测角模块的采集结果，并进一步对数据进行处理得到距离信息d，无人机相对于导引基站的方位角φ和俯仰角θ；
所述通信模块采用其它无线信道与飞控系统通信，将控制/处理模块的结果发送给机载定位标签，所采用的通信技术可以采用如4G、Lora或NB-IOT等；
所述电源管理模块用于为整个基站提供电源管理；
所述导引基站到无人机的距离d可以利用以下公式得到：
其中：c是电磁波传播速度，t1和t2分别是机载定位标签发送脉冲到接收基站返回脉冲的时刻；
所述机载定位标签放置于无人机上，接收导引基站的控制/处理模块发来的高度信息和角度信息并解算获得无人机相对于导引基站的相对位置和前进方向；
所述机载定位标签可以根据已知球坐标(d,θ,φ)后确定无人机的三维坐标，且无人机的坐标(x,y,z)可以根据以下公式得到:
x＝dsin(θ)cos(φ)
y＝dsin(θ)sin(φ)
z＝dcos(θ)
所述无人机飞控系统接收机载定位标签的反馈信息指导无人机安全准确降落在规定降落台上。
本发明产生的有益效果是：本发明可用于室内无人机表演或编队室内飞行，对室内定位精度要求很高，基于超宽带技术的无人机定位，能够提供精度很高的三维定位。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为无人机降落引导系统的工作结构图；
图3是本发明的引导无人机降落示意图；
图4是2*2的矩形平面阵。
其中：图1，1-无人机；101-飞控系统；102-机载定位标签；2-导引基站；201-测距模块；202-测角模块；203-电源管理模块；204-控制/处理模块；205-通信模块；图3，p是无人机位置，r＝d，且r<＝R，R为所画球的区域；图4，A、B、C、D分别为四个天线阵元，并且组成矩形平面阵，dx、dy分别为阵元位于x轴、y轴的间距，θ为俯仰角，φ为方位角。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的实施方式进一步详细说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
图1是本发明的基于超宽带技术的无人机降落引导系统简易结构示意图，包括无人机1和导引基站2；所述无人机1和导引基站2可以进行相互通信；其中无人机1包括飞控系统101和机载定位标签102；导引基站2包括测距模块201、测角模块202、电源管理模块203、控制/处理模块204和通信模块205。
如图2所示，机载定位标签102可以时刻通过四元阵天线发射超宽带脉冲信号，一旦无人机1进入导引基站2感知范围，即可与导引基站2进行无线通信；导引基站2可以通过四元阵天线接收机载定位标签102发射的超宽带脉冲信号并进行各种解算,同时将解算信息发送给机载定位标签102；测距模块201利用UWB信道和集成在无人机的机载定位标签102交互数据，采集距离测量所需的时间信息；测角模块202利用UWB信道和集成在无人机的机载定位标签102交互数据，采集角度测量所需的到达相位/时间差信息；控制/处理模块204读取测距模块201和测角模块202的采集结果，并进一步对数据进行处理得到距离信息d、无人机1相对于导引基站2的方位角φ和俯仰角θ；通信模块205采用其它无线信道与飞控系统101通信，将控制/处理模块204的结果发送给机载定位标签102，所采用的通信技术可以采用如4G、Lora或NB-IOT等；电源管理模块203用于为整个基站提供电源管理。
如图3所示，当无人机进入导引基站范围R内，机载定位标签发射的信号可以被导引基站接收，点p是无人机某时刻的位置，r＝d，且r<＝R；
导引基站确认收到机载定位标签发射来的信号后开启导引基站的整个工作模式：首先，导引基站内的测距模块会利用超宽带的信道和机载定位标签发射的交互数据，采集距离测量所需的时间信息；
然后，导引基站内的测角模块利用超宽带信道和机载定位标签的交互数据，采集角度测量所需的到达相位/时间差信息；
测距模块与测角模块将获得的时间信息、到达相位/时间差信息同时传送给控制/处理模块，该模块将时间信息和到达相位/时间差信息进一步处理，得到距离信息d，无人机相对于导引基站的方位角φ和俯仰角θ。
所述导引基站到无人机的距离d可以利用以下公式得到：
其中：c是电磁波传播速度，t1和t2分别是机载定位标签发送脉冲到接收基站返回脉冲的时刻；
由于在本发明中，机载定位标签和导引基站发送的信号是基于四元阵天线，因此方位角φ和俯仰角θ是通过导引基站和机载定位标签的四元阵天线计算得到的。从图4看出电磁波并不是从z的正方向到达，所以电磁波到达不同阵元时会有一定的相位延时。
图4中A、B、C、D分别为四个天线阵元，并且组成矩形平面阵，dx、dy分别为阵元位于x轴和y轴的间距，θ为俯仰角，φ为方位角。
位于x轴和y轴的相位延迟分别为βx、βy，它们的计算分别如下：
βx＝-kdxsinθcosφ (1)
βy＝-kdy sinθsinφ (2)
其中k＝2π/λ，为自由空间相移常数；λ＝c/f，为波长。
则有
将公式(4)代入公式(1)，即可计算出θ，
导引基站的控制/处理模块中获得的距离信息d，无人机相对于导引基站的方位角φ和俯仰角θ通过通信模块发送给无人机上的机载定位标签。
最后，机载定位标签通过距离信息d，无人机相对于导引基站的方位角φ和俯仰角θ解算获得此时本机相对于基站的相对位置，并确定无人机前进方向，接着将位置信息和方向信息反馈给无人机飞控模块，指导无人机安全准确的降落在规定的降落台上。
本发明所述无人机定位系统，机载定位标签发射的无线脉冲信号的频段为4GHz和6.5GHz，和普通民用无线电设备的频段相差较大，因此不会受到其他频段无线电的影响，抗干扰能力较强。
本发明基于超宽带技术的无人机降落引导系统，在引导过程只需要一个导引基站，并且该基站可以同时服务于多个不同的无人机。同时，每个无人机只需要一个机载定位标签即可，大大节省了应用的成本。由于基于超宽带的优良特性，测距模块的测距精度可以达到厘米级。
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种单基站无人机定位系统，其特征在于，包括：无人机和导引基站，所述无人机内设有无人机飞控系统和机载定位标签；
所述的导引基站包括测距模块、测角模块、电源管理模块、控制/处理模块及通信模块；
所述测距模块用于当无人机进入导引基站的感知半径范围内时，导引基站测量出本机与无人机所携带的机载定位标签的距离d；
所述测角模块用于当无人机进入导引基站的感知半径范围内时，导引基站测量出无人机相对于导引基站的方位角φ和俯仰角θ；
所述控制/处理模块用于将测距模块和测角模块的采集的数据进行处理；
所述通信模块用于与机载定位标签通信，从而控制无人机的飞行状态；
所述电源管理模块用于为测距模块、测角模块、控制/处理模块及通信模块提供电源管理。
2.根据权利要求1所述的一种单基站无人机定位系统，其特征在于：所述机载定位标签和导引基站具有超宽带信号的发射和接收功能，能够独立解算相互间的相对位置。
3.根据权利要求1所述的一种单基站无人机定位系统，其特征在于：所述机载定位标签和导引基站发送的信号是基于四元阵天线。
4.一种单基站无人机降落导引方法，其特征在于，包括以下步骤：
在无人机飞行时，机载定位标签时刻发送超宽带无线脉冲；
当无人机所携带机载定位标签进入导引基站感知范围内，导引基站可以接收到机载定位标签发送的超宽带无线脉冲；
所述导引基站被超宽带无线脉冲“激活”，导引基站将测量信息发送给机载定位标签；
所述机载定位标签解算获得测量信息，从而确定无人机相对于导引基站的相对位置和无人机前进方向；
所述无人机飞控系统获得信息并指导无人机安全准确降落在规定的降落台上。
5.根据权利要求1所述的一种单基站无人机定位系统，其特征在于：所述导引基站到无人机的距离d为：
其中：c是电磁波传播速度，t1和t2分别是机载定位标签发送脉冲到接收基站返回脉冲的时刻。
6.根据权利要求1所述的一种单基站无人机降落导引方法，其特征在于：所述方位角φ和俯仰角θ是通过导引基站和机载定位标签的四元阵天线计算得到；得到方位角φ和俯仰角θ后，根据距离d即可确定无人机的球坐标(d,θ,φ)；通过转换获取无人机的三维坐标，且无人机的三维坐标(x,y,z)可以根据以下公式得到：
x＝d sin(θ)cos(φ)
y＝d sin(θ)sin(φ)
z＝d cos(θ) 。
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