CN109425342A - 基于uwb技术的室内定位跟随无人机装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，包括：无人机和定位设备；无人机包括主控模块、无线模块、陀螺仪模块、电源模块、电机及驱动模块；定位设备为UWB模块，包括四个UWB基站和一个UWB标签，UWB基站设置于无人机四个螺旋桨臂上，UWB标签佩戴或安装在需要定位跟随的移动目标上；该定位装置采用双向飞行时间法得到标签到各个基站的相对位置关系，再通过聚类算法优化数据，减小硬件误差，从而得到精确的无人机与移动目标之间的距离及角度信息。本发明提高了无人机与移动目标之间位置关系定位的精度和准确性，从而实现飞行器对移动目标精准的跟随飞行。

Description

基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，更具体的说是涉及一种基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备。

背景技术

随着工业和科学技术的发展，移动机器人的研究和发展非常迅速，自主跟随技术也逐渐进入人们的日常生活。目前服务机器人的一个典型技术是机器人跟踪，它能识别特定目标并跟随其运动，同时具有一定的人机交互功能。受此启发，将无人机同跟随系统结合则可以实现跟随定位的无人机，可以完成跟随拍摄、监控等任务，可以完成近距离的精准跟随定位。

目前，自主跟随机器人的技术难点之一就是机器人与目标之间的相对定位，现有的定位技术有GPS，超声波定位技术，蓝牙技术，红外线技术，射频识别技术，无线局域网络等。其中，GPS是目前应用最广泛的室外定位技术。然而GPS信号在经过建筑的遮挡后衰落较严重，多径干扰严重，不适合在室内定位；超声波定位系统定位精度虽然较高，适用于室内定位，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高；利用蓝牙、RFID和红外技术组成的网络进行定位时，传输数据速率低，因此传输距离短，定位精度也比较低。

因此，如何使实现室内无人机精确定位、跟随是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，利用UWB技术实现了室内无人机的精准定位，使得无人机可实现对移动目标的跟随，增强了对无人机的可操作性，通过选用替代芯片大大降低了成本，同时采用模块化结构设计的控制装置增加了其稳定性和实用性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，包括：无人机和UWB模块；所述无人机为四旋翼无人机；所述UWB模块包括UWB标签和UWB基站；

所述UWB标签安装在室内移动目标上，并向所述UWB基站发送UWB信号；

所述UWB基站包括UWB基站0、UWB基站1、UWB基站2、UWB基站 3，分别设置于所述无人机的四个螺旋桨臂上，并用于同时接收所述UWB标签发送的UWB信号，并均生成到所述UWB标签的距离数据，并将距离数据发送至所述UWB基站0；所述UWB基站0通过串口将距离数据发送至所述无人机；

所述无人机包括主控模块，用于接收所述UWB基站0发送的距离数据；所述主控模块通过双向飞行时间法测得所述UWB标签与所述UWB基站之间的相对位置信息，再通过聚类算法优化数据得出精确的定位信息。

优选的四个所述UWB基站固定距离安装，通过已知的四个所述UWB基站之间的安装距离以及四组距离数据，进行无人机与移动目标之间角度、距离的计算，所述安装距离大于20cm。

优选的，四个所述基站的安装距离范围为20cm-40cm。

优选的，UWB基站0把检测和接收到的四组距离数据通过串口发送给所述主控模块。

优选的，所述无人机包括陀螺仪模块，所述陀螺仪模块用于采集无人机运动姿态、位置信息，并发送给所述主控模块。

优选的，该装备还包括电机及驱动模块，所述主控模块对接收到的距离数据和所述陀螺仪模块发送的无人机运动位置信息进行计算后，得出无人机当前姿态和与移动目标的相对位置信息，进而所述主控模块发出控制指令，控制所述电机及驱动模块对所述无人机飞行进行姿态调整，追随移动目标飞行，此时所述无人机处于跟随模式，可以实现无人机的自主跟随。

优选的，该装备还包括无线模块和遥控器，所述所述无线模块用于接收所述遥控器遥控指令，并发送给所述主控模块，所述主控模块控制所述电机及驱动模块启动，并调整所述无人机的姿态。

优选的，还包括电源模块，所述电源模块分离出整个系统，为所述无人机独立供电。

优选的，所述主控模块产生的PWM信号控制所述电机及驱动模块。

优选的，所述主控模块与所述UWB模块之间通过USART协议或UART协议进行数据传输通讯。

优选的，所述主控模块与所述无线模块之间通过SPI协议进行数据传输通讯。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，该装备采用了模块化结构，使得该装备具有更高的稳定性，尤其是电源模块分离出整个系统，当系统电源电量不足时，可以随时更换电池，提高了无人机的使用时间和效率；该装备采用 UWB技术进行室内定位，提高了定位精度和传输速率，增强了稳定性，不易受噪声信号干扰，增强了该装备的可操作性；将UWB基站设置于无人机四个螺旋桨臂上，UWB标签设置于移动目标上，采用双向飞行时间法进行UWB 标签到UWB基站的距离测算同时利用聚类算法进行优化，使得距离定位信息更加准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的系统结构示意图；

图2附图为本发明提供的无人机主控模块电路连接示意图；

图3附图为本发明提供的电源模块电路连接示意图；

图4附图为本发明提供的UWB模块收发信号示意图；

图5附图为本发明提供的主控模块芯片电路连接示意图；

图6附图为本发明提供的UWB模块芯片电路连接示意图；

图7附图为本发明提供的无线模块芯片电路连接示意图；

图8附图为本发明提供的陀螺仪模块芯片电路连接示意图；

图9附图为本发明提供的电机及驱动模块电路连接示意图；

图10附图为本发明提供的聚类算法流程示意图。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明实施例公开了一种基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，采用模块化结构设计，利用UWB技术进行室内定位，UWB基站设置于无人机上， UWB标签设置于移动目标上，通过UWB技术获得基站与标签的相对位置信息，根据距离数据控制无人机飞行调整，从而实现无人机的跟随飞行，该装备具有较高实用性、精确性、稳定性，可实现对无人机室内对移动目标的精准定位跟随。

请参照相关附图，一种基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，包括：无人机和UWB模块6；所述无人机为四旋翼无人机；UWB模块6包括UWB标签7和UWB基站8；

UWB标签7安装在室内移动目标上，并向UWB基站8发送UWB信号；

UWB基站8设置有四个，分别为UWB基站0、UWB基站1、UWB基站2、 UWB基站3，分别设置于无人机的四个螺旋桨臂上，并用于同时接收UWB标签7发送的UWB信号；UWB基站8生成四组到UWB标签(7)的距离数据，并将距离数据发送至UWB基站0；UWB基站0通过串口将距离数据发送至无人机；

无人机包括主控模块1，用于接收UWB基站0发送的距离数据；主控模块1通过双向飞行时间法法测得UWB标签7与UWB基站8之间的相对位置信息，再通过聚类算法优化数据得出精确的定位信息。

为了进一步优化上述技术方案，四个UWB基站8固定距离安装，通过已知的四个UWB基站8之间的安装距离以及四组距离数据，进行无人机与移动目标之间角度、距离的计算，所述安装距离大于20cm。

为了进一步优化上述技术方案，四个所述基站的安装距离范围为 20cm-40cm。

为了进一步优化上述技术方案，UWB基站0把检测和接收到的四组距离数据通过串口发送给主控模块1。

为了进一步优化上述技术方案，无人机包括陀螺仪模块3，陀螺仪模块3 用于采集无人机运动姿态、位置信息，并发送给主控模块1。

为了进一步优化上述技术方案，该装备还包括电机及驱动模块5，主控模块1对接收到的UWB基站0发送的相对位置信息和陀螺仪模块3发送的无人机运动姿态、位置信息进行计算后，得出无人机当前姿态和与移动目标的相对位置信息，进而主控模块1发出控制指令，控制电机及驱动模块5对所述无人机飞行进行姿态调整，追随移动目标飞行，当前无人机处于跟随模式，可实现无人机的自主跟随。

为了进一步优化上述技术方案，该装备还包括无线模块2和遥控器，无线模块2用于接收遥控器遥控指令，并发送给主控模块1，主控模块1控制电机及驱动模块5启动，并调整所述无人机的姿态，该设置在无人机不在跟随模式时可以进行人工操纵。

为了进一步优化上述技术方案，还包括电源模块4，电源模块4分离出整个系统，为无人机独立供电，当系统电源电量不足时，可以随时更换电池，提高无人机的使用时间和效率。

为了进一步优化上述技术方案，主控模块1分别与无线模块2、陀螺仪模块3、电机及驱动模块5和UWB模块6中的基站电连接，并接收和处理来自无线模块2、陀螺仪3和UWB模块6基站的数据信息。

为了进一步优化上述技术方案，主控模块1产生的PWM信号控制电机及驱动模块5。

为了进一步优化上述技术方案，主控模块1与UWB模块6之间通过USART 协议或UART协议进行数据传输通讯。

为了进一步优化上述技术方案，主控模块1与无线模块2之间通过SPI 协议进行数据传输通讯。

为了进一步优化上述技术方案，主控模块1选用STM32F767芯片，该款芯片具有宽电压、低功耗、大容量和超强抗干扰等特点，支持所有的ARM单精度数据处理指令，完全满足本装备的需求，且价格低，因而提高了主控模块实用性和稳定性的同时降低了装备的成本。

为了进一步优化上述技术方案，UWB模块6选用STM32F105RBT6作为主控核心芯片，该芯片外设资源丰富，完全满足本装备的需求，且价格低，因而确保了装备的定位精度同时降低了成本，提高了经济性。

本发明的实施例如下：

无人机的主控模块分别与无线模块、陀螺仪模块、电机及驱动模块和UWB 模块的UWB基站电连接，其中，无线模块与主控模块芯片的PA1、PA2、PA3、 PC4、PC5、PC7引脚相接；陀螺仪模块与主控模块芯片的PA6和PA7引脚相接；电机及驱动模块与主控模块芯片的PB3、PB5、PB11、PB14引脚相接； UWB基站与主控模块芯片的PC10和PC11引脚相接。

本实施例无人机为四旋翼无人机，首先为系统装置上电复位，电源模块为3.7V高倍率航模电池和升降压电路，该电路先将3.7V的电源电压升压到 5V然后再降压到3.3V的标准工作电压供给各个模块，无人机的主控模块 STM32芯片产生PWM信号控制电机及驱动模块为飞行器提供动力，陀螺仪模块采集无人机当前飞行姿态并传输信息到主控模块芯片进行分析处理，同时，当将UWB标签佩戴在人身上时，UWB标签作为UWB发射机通过信源编码、信道编码、脉冲控制、脉冲发生器、上变频进行传输发射信号，设置于无人机上的UWB基站作为UWB接收机通过低噪放、下变频、信道解码、信源解码接收信号，UWB基站接收到信号后，通过双向飞行时间法计算出与UWB 标签之间的距离，可以实现精确测距定位，得到UWB基站与UWB标签之间的相对位置关系，其具体计算过程为：

在双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time offlight)中每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。通过不同模块之间收发信号的时间戳的差值即时间差可以计算信号传播时间，由此时间计算传播距离，即可得到两个模块之间的距离。

模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块 B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收，由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离d。

d＝Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)

则模块A与模块B两点之间的距离是：d/2。

UWB标签发送信号，四个WUB基站分别接收信号，由上述计算方式可以得到基站0、1、2、3到标签的距离，假设得到的距离分别为d0，d1，d2，d3。如果基站0的坐标为(x0，y0，z0)，基站1的坐标为(x1，y1，z1)，基站 2的坐标为(x2，y2，z2)，基站3的坐标为(x3，y3，z3)，若误差忽略不计，则以基站0的位置(x0，y0，z0)为球心，以d0为半径画圆球，以基站 1的位置(x1，y1，z1)为球心，以d1为半径画圆球，以基站2的位置(x2， y2，z2)为球心，以d2为半径画圆球，以基站3的位置(x3，y3，z3)为球心，以d3为半径画圆球，则：

四个球的交点(x，y，z)就是标签的位置，由此可以得出UWB标签与四个基站的相对位置。

进行四次实验之后得出的各基站定位综合精确度测试结果如下表所示。

UWB基站1、2、3将距离数据发送给UWB基站0，UWB基站0将收集到的数据通过串口发送给主控模块，主控模块结合距离数据以及各个UWB基站之间的安装距离，可以计算得出UWB标签相对于无人机的距离及角度，再通过聚类算法对计算结果进行优化，弥补双向飞行时间法计算数据的抖动造成误差的不足，获得更为精确的定位信息，主控模块通过综合分析无人机与移动目标的相对位置信息和陀螺仪模块采集无人机当前飞行姿态信息，通过控制电机及驱动模块来调整各个旋翼转速，从而调整飞行姿态和速度，完成对移动目标的跟随飞行，其最大跟随距离为50m，跟随角度为360度，不受周围环境因素的干扰。无人机上还设置有摄像头，可以通过飞行器自主跟随进行拍摄，无需人工操作，就可以进行稳定拍摄，提高了工作效率。

定义跟随速度在UWB基站与UWB标签距离超过10m时，电机转速提升保证飞行器快速跟随飞行；当UWB基站与UWB标签距离小于10m时，电机转速保证飞行器缓慢跟随；当UWB基站与UWB标签距离小于1m时，电机转速保证飞行器悬停等待。

定义角度在负70度到负20度时UWB标签位于无人机左前方，角度在20 度到70度时UWB标签位于无人机右前方，角度在负20度到20度时UWB标签位于无人机前方，其他角度时UWB标签位于无人机后方，移动目标上安装的UWB标签一个发射信号端，设置其跟随距离最远为50m。

该装置将定位设备中的UWB基站设置于无人机四个螺旋桨臂上，UWB 标签设置于移动目标上，通过标签发送信号，基站接收信号来计算标签到基站的距离及角度，同时在无人机上设置四个基站，可以检测三维空间的目标位置，实现多方位多角度测量，使得测量的角度增加精准，同时在使用双向飞行时间法的基础上利用聚类算法进行优化，令定位信息更加准确；UWB基站0同时会收集其余三个基站的距离数据进行计算传输，然后UWB基站0通过串口将位置信息发送给主控模块，通过主控模块的计算控制可实现无人机对移动目标的自主跟随；同时控制芯片的选型降低了成本，整体装备采用模块化结构，提高了该装备的稳定性、实用性、经济性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，包括：无人机和UWB模块(6)；所述无人机为四旋翼无人机；所述UWB模块(6)包括UWB标签(7)和UWB基站(8)；

所述UWB标签(7)安装在室内移动目标上，并向所述UWB基站(8)发送UWB信号；

所述UWB基站(8)包括UWB基站0、UWB基站1、UWB基站2、UWB基站3，分别设置于所述无人机的四个螺旋桨臂上，并用于同时接收所述UWB标签(7)发送的UWB信号；并均生成到所述UWB标签(7)的距离数据，并将距离数据发送至所述UWB基站0；所述UWB基站0通过串口将距离数据发送至所述无人机；

所述无人机包括主控模块(1)，用于接收所述UWB基站0发送的距离数据；所述主控模块(1)通过双向飞行时间法测得所述UWB标签(7)与所述UWB基站(8)之间的相对位置信息，再通过聚类算法优化数据得出精确的定位信息。

2.根据权利要求1所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，四个所述UWB基站(8)固定距离安装，通过已知的四个所述UWB基站(8)之间的安装距离以及四组距离数据，进行无人机与移动目标之间角度、距离的计算。

3.根据权利要求2所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，UWB基站0把检测和接收到的四组距离数据通过串口发送给所述主控模块(1)。

4.根据权利要求3所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，所述无人机包括陀螺仪模块(3)，所述陀螺仪模块(3)用于采集无人机运动姿态、位置信息，并发送给所述主控模块(1)。

5.根据权利要求4所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，还包括电机及驱动模块(5)，所述主控模块(1)对接收到的UWB基站0发送的距离数据和所述陀螺仪模块(3)发送的无人机运动姿态、位置信息进行计算后，得出无人机当前姿态和与移动目标的相对位置信息，进而所述主控模块(1)发出控制指令，控制所述电机及驱动模块(5)对所述无人机飞行进行姿态调整，追随移动目标飞行。

6.根据权利要求1所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，所述无人机还包括无线模块(2)和遥控器，所述无线模块(2)用于接收所述遥控器遥控指令，并发送给所述主控模块(1)，所述主控模块(1)控制所述电机及驱动模块(5)启动，并调整所述无人机的姿态。

7.根据权利要求1所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，所述无人机还包括电源模块(4)，所述电源模块(4)分离出整个系统，为所述无人机独立供电。

8.根据权利要求5所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，所述主控模块(1)产生的PWM信号控制所述电机及驱动模块(5)。

9.根据权利要求5所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，所述主控模块(1)与所述UWB模块(6)之间通过USART协议或UART协议进行数据传输通讯。

10.根据权利要求6所述的基于UWB技术的室内定位跟随无人机装备，其特征在于，所述主控模块(1)与所述无线模块(2)之间通过SPI协议进行数据传输通讯。