CN108828520A - 无人机的室内飞行方法及相关产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开提供一种无人机的室内飞行方法及相关产品，所述方法包括如下步骤：当检测到预设的无人机定位周期到达时，所述同步发光阵列发射红外光线，且三个所述线性红外光发射器根据所述预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光；所述定位模块在所述预设的无人机定位周期内分别获取接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点；所述定位模块根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。本申请提供的技术方案具有成本更低、体积更小、功耗更低的优点。

Description

无人机的室内飞行方法及相关产品

技术领域

本发明涉及通信以及无人机技术领域，具体涉及一种无人机的室内飞行方法及相关产品。

背景技术

现有的无人机在室内飞行时，由于没有GNSS信号，往往难以进行精确的空间定位。即便采用光流定位，也只能获取相对位置，而且在地面纹理不明显的区域效果欠佳。无人机精准的室内飞行，可以用于仓库的物流运输、标签统计以及室内表演等领域。现有的无人机室内定位系统成本高，精度较低且功耗大。

发明内容

本发明实施例提供了一种无人机的室内飞行方法及相关产品，可以实现低成本、高精度、小功耗的室内定位飞行。

第一方面，本发明实施例提供一种无人机的室内定位系统，所述系统包括信号发射基站和定位模块，所述信号发射基站包括分别绕三个互相垂直轴X、Y、Z旋转的线性红外光发射器和一个同步发光阵列，所述定位模块位于无人机中，其中：

当所述同步发光阵列发射红外光线时，三个所述线性红外光发射器根据预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光；

所述定位模块在检测到所述同步发光阵列发射红外光线时，分别获取接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点；

所述定位模块根据所述旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。

可选的，所述线性红外光发射器和同步发光阵列发射的红外光波长为850nm或940nm。

可选的，所述定位模块包括三个相互间隔120度、并弯曲60度的红外信号接收管。

可选的，所述定位模块包括跨阻放大器、高通滤波器、同相放大电路以及微处理器，其中：

所述跨阻放大器用于将接收到的所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光信号转换成对应的电信号，并将所述电信号进行预设强度的低噪声放大，以得到放大后电信号；

所述高通滤波器用于根据预设的目标信号对所述放大后电信号进行低频干扰滤除，以得到滤波后电信号；

所述同相放大电路用于对所述滤波后电信号进行进一步放大，以得到进一步放大电信号；

所述微处理器用于根据所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器对应的所述进一步放大电信号，分别获取所述定位模块接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点，根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。

第二方面，提供一种基于第一方面所述室内定位系统的无人机室内定位方法，所述方法包括下述步骤：

当检测到预设的无人机定位周期到达时，所述同步发光阵列发射红外光线，且三个所述线性红外光发射器根据所述预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光；

所述定位模块在所述预设的无人机定位周期内分别获取接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点；

所述定位模块根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。

可选的，三个所述线性红外光发射器根据所述预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光的步骤，包括：

绕X轴旋转的第一线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴X旋转，并发射线性红外光，以对YZ平面扫射；

当所述第一线性激光发射器完成对所述YZ平面的扫射时，绕Y轴旋转的第二线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴Y旋转，并发射线性红外光，以对XZ平面扫射；

当所述第二线性激光发射器完成对所述XZ平面的扫射时，绕Z轴旋转的第三线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴Z旋转，并发射线性红外光，以对XY平面扫射。

可选的，所述定位模块根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置的步骤，包括：

根据所述同步发光阵列和第一线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第一时间差，根据所述第一时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与X轴的径向连线相对于XY平面的夹角θ(X)；

根据所述同步发光阵列和第二线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第二时间差，根据所述第二时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与Y轴的径向连线相对于YZ平面的夹角θ(Y)；

根据所述同步发光阵列和第三线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第三时间差，根据所述第三时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与Z轴的径向连线相对于XZ平面的夹角θ(Z)；

根据计算得到的所述夹角θ(X)、θ(Y)、θ(Z)，确定所述无人机的空间坐标。

可选的，所述线性红外光发射器和同步发光阵列发射的红外光波长为850nm或940nm。

可选的，所述定位模块包括三个相互间隔120度、并弯曲60度的红外信号接收管。

第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其存储用于电子数据交换的程序，其中，所述程序使得终端执行第一方面提供的方法。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

使用光传播的时间差进行空间定位，精度优于目前的光流和多目视觉定位；

接收和定位模块只需搭载数个红外信号接收管和单片机，计算量小，功耗低，体积小，且成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种无人机室内导航的方法的流程示意图。

图2是本发明实施例提供的无人机引导的降落方法示意图。

图3a是本发明实施例提供的发光阵列示意图。

图3b是本发明实施例提供的定位模块接收到的信号示意图。

图3c是本发明实施例提供的角度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结果或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在第一方面提供的方法中，所述设定规律的线性红外光包括：分别绕X、Y、Z三个互相垂直轴旋转的线性红外光发射器发射的同步发光阵列。

在第一方面提供的方法中，所述依据该延迟计算出空间位置坐标具体包括：

根据收到的同步阵列发光到X轴线性激光两者的时间差t(X)，依据t(X)和旋转角速度计算出无人机与X轴的径向连线相对于XY平面的夹角θ(X)，根据收到的同步阵列发光到Y轴线性激光两者的时间差t(Y)，依据t(Y)和旋转角速度计算出无人机与Y轴的径向连线相对于XY平面的夹角θ(Y),根据收到的同步阵列发光到Z轴线性激光两者的时间差t(Z)，依据t(Z)和旋转角速度计算出无人机与Z轴的径向连线相对于XZ平面的夹角θ(Z)，依据θ(X)、θ(Y)、θ(Z)计算得到空间坐标。

本申请提供一种无人机的室内定位系统，所述系统包括信号发射基站和定位模块，所述信号发射基站包括分别绕三个互相垂直轴X、Y、Z旋转的线性红外光发射器和一个同步发光阵列，所述定位模块位于无人机中，其中：

当所述同步发光阵列发射红外光线时，三个所述线性红外光发射器根据预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光；

所述定位模块在检测到所述同步发光阵列发射红外光线时，分别获取接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点；

所述定位模块根据所述旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。

参阅图1，图1提供了一种无人机的室内飞行方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S201、当检测到预设的无人机定位周期到达时，所述同步发光阵列发射红外光线，且三个所述线性红外光发射器根据所述预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光，

步骤S202、所述定位模块在所述预设的无人机定位周期内分别获取接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点。

步骤S203、所述定位模块根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。

可选的，三个所述线性红外光发射器根据所述预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光的步骤，包括：

绕X轴旋转的第一线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴X旋转，并发射线性红外光，以对YZ平面扫射；

当所述第一线性激光发射器完成对所述YZ平面的扫射时，绕Y轴旋转的第二线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴Y旋转，并发射线性红外光，以对XZ平面扫射；

当所述第二线性激光发射器完成对所述XZ平面的扫射时，绕Z轴旋转的第三线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴Z旋转，并发射线性红外光，以对XY平面扫射。

可选的，所述定位模块根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置的步骤，包括：

根据所述同步发光阵列和第一线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第一时间差，根据所述第一时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与X轴的径向连线相对于XY平面的夹角θ(X)；

根据所述同步发光阵列和第二线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第二时间差，根据所述第二时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与Y轴的径向连线相对于YZ平面的夹角θ(Y)；

根据所述同步发光阵列和第三线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第三时间差，根据所述第三时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与Z轴的径向连线相对于XZ平面的夹角θ(Z)；

根据计算得到的所述夹角θ(X)、θ(Y)、θ(Z)，确定所述无人机的空间坐标。

可选的，所述线性红外光发射器和同步发光阵列发射的红外光波长为850nm或940nm。

可选的，所述定位模块包括三个相互间隔120度、并弯曲60度的红外信号接收管。

参阅图2，图2为本发明提供一种方法，本装置为一套信号发射基站和定位模块，发射模块发射出特定规律的线性红外光，接收模块根据各个光线的延迟，直接计算出空间位置坐标并输出。

本装置的信号发射基站，包括分别绕X、Y、Z三个互相垂直轴旋转的线性红外光发射器，和一个同步发光阵列，如示意图3a，发射850nm或940nm红外光。

本装置的定位模块由三个相互间间隔120度，能检测空间内的850nm或940nm红外信号接收管组成。通过并联的方式，能够较好的检测信号发射基站扫描过来的红外信号，并且只响应其发出的850nm或940nm波长的红外光。其它类似的排列方式，如六个互相间隔60度的排列方式，也应属于本发明保护范畴。

本装置的定位模块信号处理主要分为四个部分：

信号采集：需要采集的为信号发射基站的同步发光阵列信号以及X、Y、Z轴的扫描信号。可能存在的干扰：室内灯光的工频干扰(50Hz/60Hz)，日光中的红外光。所以采用有选择性的接收器可以大大提升采集效果。

信号放大：采用跨阻放大器，具有高带宽的优点，将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件，其工作原理是：PIN的光敏面受探测光照射时，由于p-n结处于反向偏置，光生载流子在电场的作用下产生漂移，在外电路产生光电流；光电流通过跨阻放大器放大输出，这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能。

信号过滤：使用高通滤波器将目标信号以下的低频干扰滤除(主要为工频频闪干扰)，可以降低由外界干扰带来的系统误差。由于输入电阻很高，输出电阻很低，有较高的共模抑制比，将滤波后的信号进行同相放大。

单片机计算：通过判断输入信号边沿触发判断信号发射基站的同步信号以及X、Y、Z轴的扫描信号，通过计算两个轴的延时计算出空间位置。

空间坐标计算部分：

工作原理为，首先信号发射基站的同步发光阵列开始发光，告知定位模块进入定位周期，绕X轴旋转的线性激光，从XY平面开始扫射，此时，定位模块接收到的信号如示意图3b所示，可根据收到的同步阵列发光到X轴线性激光两者的时间差t(X)，结合已知的旋转角速度,计算出定位模块与X轴的径向连线相对于XY平面的夹角θ(X)，如示意图3c所示，随后绕Y轴旋转的线性激光，从XY平面开始扫射，同理可计算出定位模块与Y轴的径向连线相对于XY平面的夹角θ(Y)，随后绕Z轴旋转的线性激光，从XZ平面开始扫射，同理可计算出定位模块与Z轴的径向连线相对于XZ平面的夹角θ(Z)，至此，定位模块相对于信号发射基站的空间坐标可以精确获得。

将此空间坐标作为无人机的GNSS坐标，即可直接实现无人机在室内的空间精准定位。

可采用多个信号发射基站或者定位模块使用更多方位的红外信号接收管，提升系统的鲁棒性。

本发明实施例还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质存储用于电子数据交换的计算机程序，该计算机程序使得计算机执行如上述方法实施例中记载的任何一种无人机室内飞行方法的部分或全部步骤。

本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储了计算机程序的非瞬时性计算机可读存储介质，所述计算机程序可操作来使计算机执行如上述方法实施例中记载的任何一种无人机室内飞行方法的部分或全部步骤。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序模块的形式实现。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无人机的室内定位系统，其特征在于，所述系统包括信号发射基站和定位模块，所述信号发射基站包括分别绕三个互相垂直轴X、Y、Z旋转的线性红外光发射器和一个同步发光阵列，所述定位模块位于无人机中，其中：

当所述同步发光阵列发射红外光线时，三个所述线性红外光发射器根据预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光；

所述定位模块在检测到所述同步发光阵列发射红外光线时，分别获取接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点；

所述定位模块根据所述旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。

2.如权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述线性红外光发射器和同步发光阵列发射的红外光波长为850nm或940nm。

3.如权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述定位模块包括三个相互间隔120度、并弯曲60度的红外信号接收管。

4.如权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述定位模块包括跨阻放大器、高通滤波器、同相放大电路以及微处理器，其中：

所述跨阻放大器用于将接收到的所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光信号转换成对应的电信号，并将所述电信号进行预设强度的低噪声放大，以得到放大后电信号；

所述高通滤波器用于根据预设的目标信号对所述放大后电信号进行低频干扰滤除，以得到滤波后电信号；

所述同相放大电路用于对所述滤波后电信号进行进一步放大，以得到进一步放大电信号；

所述微处理器用于根据所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器对应的所述进一步放大电信号，分别获取所述定位模块接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点，根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。

5.基于权利要求1所述室内定位系统的无人机室内定位方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

当检测到预设的无人机定位周期到达时，所述同步发光阵列发射红外光线，且三个所述线性红外光发射器根据所述预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光；

所述定位模块在所述预设的无人机定位周期内分别获取接收到所述同步发光阵列、三个所述线性红外光发射器发射的红外光线的时间点；

所述定位模块根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置并输出。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，三个所述线性红外光发射器根据所述预设旋转角速度依次绕对应的所述轴X、Y、Z旋转，并发射线性红外光的步骤，包括：

绕X轴旋转的第一线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴X旋转，并发射线性红外光，以对YZ平面扫射；

当所述第一线性激光发射器完成对所述YZ平面的扫射时，绕Y轴旋转的第二线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴Y旋转，并发射线性红外光，以对XZ平面扫射；

当所述第二线性激光发射器完成对所述XZ平面的扫射时，绕Z轴旋转的第三线性激光发射器根据所述预设旋转角速度绕所述轴Z旋转，并发射线性红外光，以对XY平面扫射。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述定位模块根据所述预设旋转角速度以及四个所述时间点，确定所述无人机的位置的步骤，包括：

根据所述同步发光阵列和第一线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第一时间差，根据所述第一时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与X轴的径向连线相对于XY平面的夹角θ(X)；

根据所述同步发光阵列和第二线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第二时间差，根据所述第二时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与Y轴的径向连线相对于YZ平面的夹角θ(Y)；

根据所述同步发光阵列和第三线性激光发射器发射的红外光接收时间点,获取第三时间差，根据所述第三时间差以及预设旋转角速度计算所述无人机与Z轴的径向连线相对于XZ平面的夹角θ(Z)；

根据计算得到的所述夹角θ(X)、θ(Y)、θ(Z)，确定所述无人机的空间坐标。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述线性红外光发射器和同步发光阵列发射的红外光波长为850nm或940nm。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述定位模块包括三个相互间隔120度、并弯曲60度的红外信号接收管。

10.一种无人机室内定位设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至7任一项所述方法的步骤，以对无人机进行室内定位。