CN110081882B - 四旋翼无人机航向测量器及控制方法 - Google Patents

四旋翼无人机航向测量器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种四旋翼无人机航向测量器及控制方法，该四旋翼无人机航向测量器包括：第一超宽带UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站、第一UWB标签、第二UWB标签以及单片机；其中，第一UWB基站、第二UWB基站以及第三UWB基站在四旋翼无人机的飞行环境中呈直角三角形分布，第一UWB标签和第二UWB标签分别设于一印制电路板的两端，印制电路板装设于四旋翼无人机上，单片机设置于印制电路板上，单片机分别与第一UWB标签和第二UWB标签电连接，且单片机通过设置于印制电路板的通信接口与四旋翼无人机的控制器电连接，能在室内为四旋翼无人机精准、快速的确定航向，便于室内四旋翼无人机的定位和导航。

Description

四旋翼无人机航向测量器及控制方法
技术领域
本发明涉及四旋翼无人机室内导航技术领域，特别涉及一种四旋翼无人机航向测量器及控制方法。
背景技术
四旋翼无人机因其运动灵活、效率高的特点而被广泛应用于室外环境。然而在室内的应用中尚存在一些待解决的问题。高大建筑或厂房因其钢铁结构形成一个信号的屏蔽层，四旋翼无人机在室内用磁力计测量地磁时存在干扰，严重时四旋翼无人机的航向将无法确定，因此给室内四旋翼无人机的定位和导航带来很大困难。
发明内容
本发明提供了一种四旋翼无人机航向测量器及控制方法，其目的是为了解决四旋翼无人机在室内难以确定航向的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种四旋翼无人机航向测量器，包括：
第一超宽带UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站、第一UWB标签、第二UWB标签以及单片机；
其中，第一UWB基站、第二UWB基站以及第三UWB基站在四旋翼无人机的飞行环境中呈直角三角形分布，第一UWB标签和第二UWB标签分别设于一印制电路板的两端，印制电路板装设于四旋翼无人机上，单片机设置于印制电路板上，单片机分别与第一UWB标签和第二UWB标签电连接，且单片机通过设置于印制电路板的通信接口与四旋翼无人机的控制器电连接。
其中，印制电路板上还设有惯性测量单元模块，惯性测量单元模块与单片机电连接。
其中，印制电路板装设于四旋翼无人机的顶部。
其中，第一UWB标签和第二UWB标签之间具有预设距离。
其中，第一UWB标签和第二UWB标签均与印制电路板垂直。
本发明的实施例还提供了上述的四旋翼无人机航向测量器的控制方法，包括：
获取第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标；
根据第一UWB标签的二维坐标和第二UWB标签的二维坐标，确定第一向量；
根据第一向量、第一UWB基站和第二UWB基站，确定四旋翼无人机在由第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站、第一UWB标签以及第二UWB标签构成的超宽带定位系统里的航向角。
其中，根据第一UWB标签的二维坐标和第二UWB标签的二维坐标，确定第一向量的步骤，包括：
将由第一UWB标签的二维坐标点指向第二UWB标签的二维坐标点的向量作为第一向量。
其中，根据第一向量、第一UWB基站和第二UWB基站，确定四旋翼无人机在由第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站、第一UWB标签以及第二UWB标签构成的超宽带定位系统里的航向角的步骤，包括：
将由第二UWB基站所在位置指向第一UWB基站所在位置的向量作为第二向量；
将第一向量和第二向量平移至同一平面上，并将第一向量的起点与第二向量的起点重合；
计算在平面内第一向量与第二向量的夹角；
将夹角作为四旋翼无人机在超宽带定位系统里的航向角。
其中，获取第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标的步骤，包括：
分别获取第一UWB标签与第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站之间的距离信息，并分别获取第二UWB标签与第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站之间的距离信息；
基于无损卡尔曼滤波算法，对获得的距离信息进行计算，得到第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标。
其中，基于无损卡尔曼滤波算法，对获得的距离信息进行计算，得到第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标的步骤，包括：
通过印制电路板上的惯性测量单元模块，获取印制电路板的三轴加速度与三轴角速度；
基于无损卡尔曼滤波算法，对获得的距离信息和三轴加速度与三轴角速度进行融合，得到第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标。
本发明的上述方案至少有如下的有益效果：
在本发明的实施例中，通过在四旋翼无人机的飞行环境中布置呈直角三角形分布的第一UWB基站、第二UWB基站以及第三UWB基站，并在装设于四旋翼无人机上的印制电路板的两端分别放置第一UWB标签和第二UWB标签，使第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站、第一UWB标签和第二UWB标签构成超宽带定位系统，从而使得单片机在接收到第一UWB标签输出的该第一UWB标签与各UWB基站之间的距离信息，以及第二UWB标签输出的该第二UWB标签与各UWB基站之间的距离信息后，能基于单片机存储的航向角计算策略，确定出四旋翼无人机在超宽带定位系统里的航向角，并将该航向角输出给四旋翼无人机的控制器。其中，由于超宽带技术相对于现有通用的无线保真、红外、蓝牙而言，其传输速率高、可穿透非透明物体且定位精度高，因而本发明基于超宽带技术实现的航向测量器能在室内为四旋翼无人机精准、快速的确定航向，便于室内四旋翼无人机的定位和导航。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中四旋翼无人机航向测量器的结构示意图；
图2为本发明实施例中四旋翼无人机航向测量器的局部示意图之一；
图3为本发明实施例中四旋翼无人机航向测量器的局部示意图之二；
图4为本发明实施例中四旋翼无人机航向测量器的局部示意图之三；
图5为本发明实施例中四旋翼无人机航向测量器的局部示意图之四；
图6为本发明实施例中四旋翼无人机航向测量器的电路结构框图；
图7为本发明实施例中四旋翼无人机航向测量器的控制方法的流程图；
图8为本发明实施例中四旋翼无人机航向角的测量原理示意图；
图9为本发明实施例中四旋翼无人机航向测量器在室内的布置示意图；
图10为本发明实施例中数据融合流程图。
【附图标记说明】
1、第一UWB基站；2、第二UWB基站；3、第三UWB基站；4、第一UWB标签；5、第二UWB标签；501、支撑条；502、串口通信接口；6、印制电路板；7、单片机；8、通信接口；9、惯性测量单元模块；
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。
如图1至图6所示，本发明的实施例提供了一种四旋翼无人机航向测量器，包括：第一超宽带(UWB，Ultra Wideband)基站、第二UWB基站2、第三UWB基站3、第一UWB标签4、第二UWB标签5以及单片机7。
其中，第一UWB基站1、第二UWB基站2以及第三UWB基站3在四旋翼无人机的飞行环境中呈直角三角形分布，第一UWB标签4和第二UWB标签5分别设于一印制电路板6的两端，印制电路板6装设于四旋翼无人机上，单片机7设置于印制电路板6上，单片机7分别与第一UWB标签4和第二UWB标签5电连接，且单片机7通过设置于印制电路板6的通信接口8与四旋翼无人机的控制器电连接。
其中，上述飞行环境为四旋翼无人机飞行的目标环境，可以是高大建筑或厂房等室内环境，也可以是室外环境。第一UWB标签4、第二UWB标签5以及呈直角三角形分布的第一UWB基站1、第二UWB基站2以及第三UWB基站3构成超宽带定位系统。第一UWB标签4能通过自身天线与三个UWB基站之间的交互，分别获得第一UWB标签4与三个UWB基站之间的距离信息，同理，第二UWB标签5能通过自身天线与三个UWB基站之间的交互，分别获得第二UWB标签5与三个UWB基站之间的距离信息。需要说明的是，UWB标签通过自身天线获得其与各UWB基站之间的距离信息为UWB标签的功能特性，因此在此不对距离信息的获取过程进行过多赘述。
其中，为确保距离信息的准确性，上述第一UWB标签4和第二UWB标签5之间具有预设距离(如38至42厘米，优选40厘米)，第一UWB标签4和第二UWB标签5均与印制电路板6垂直，印制电路板6装设于四旋翼无人机的顶部。
其中，单片机7在接收到第一UWB标签4输出的该第一UWB标签4与各UWB基站之间的距离信息，以及第二UWB标签5输出的该第二UWB标签5与各UWB基站之间的距离信息后，能基于单片机7存储的航向角计算策略(即基于无损卡尔曼滤波算法对距离信息进行计算)，确定出四旋翼无人机在超宽带定位系统里的航向角，并将该航向角输出给四旋翼无人机的控制器(可以为四旋翼无人机的控制芯片等)，从而便于室内四旋翼无人机的定位和导航。具体的，单片机7能通过串口通信接口(包括电源接口(VCC)、发送接口(TX)、接收接口(RX)、接地接口(GND))与控制器电连接，以确保单片机7的供电以及单片机7与控制器之间的数据传输。在此作为一个优选的示例，上述单片机7可以为STM32单片机。
值得一提的是，目前室内定位技术主要有无线保真(WiFi，Wireless Fidelity)、红外、蓝牙以及UWB等。其中，红外只能在可视范围内测量，不能穿透非透明物体，且定位精度低；WiFi因其传输距离受限，只能用于小范围环境内的定位，且定位精度差；蓝牙传输速率低，在多基站多标签进行通信时，实时性差；而超宽带技术是室内技术中表现较好的一种技术，其传输速率高，可穿透非透明物体，且定位精度高，因而本发明基于超宽带技术实现的航向测量器能在室内为四旋翼无人机精准、快速的确定航向，便于室内四旋翼无人机的定位和导航。
其中，在本发明的实施例中，上述第一UWB标签4和第二UWB标签5安装于印制电路板6上的方式相同。在此以第二UWB标签5为例进行说明，如图4所示，具体可在印制电路板6上设置两个安装孔，第二UWB标签5通过这两个安装孔安装于印制电路板6上，且为确保安装稳固，可在每个安装孔处设一支撑条501支撑第二UWB标签5。
其中，在本发明的实施例中，第一UWB标签4和第二UWB标签5均可通过串口通信接口502(包括电源接口(VCC)、发送接口(TX)、接收接口(RX)、接地接口(GND))与单片机7电连接，以确保两个UWB标签的供电，以及与单片机7之间的数据传输。当然可以理解的是，每个UWB标签可各自通过一串口通信接口与单片机7电连接。
其中，在本发明的实施例中，上述印制电路板6上还设有惯性测量单元(IMU)模块，惯性测量单元模块9与单片机7电连接。该惯性测量单元模块9可具体装设于印制电路板6的中心位置，主要用于采集印制电路板6的三轴加速度与三轴角速度，并通过集成电路(IIC，Inter-Integrated Circuit)输出给单片机7，使单片机7能综合UWB标签采集的距离信息和印制电路板6的三轴加速度与三轴角速度，基于存储的航向角计算策略(即基于无损卡尔曼滤波算法对距离信息和IMU模块输出的数据进行数据融合计算)，确定出四旋翼无人机在超宽带定位系统里的航向角，从而提高航向角的精度。
另，在本发明的实施例中，UWB标签和IMU模块与单片机7的连接均布置在印制电路板6上，免去了杂乱的杜邦线连接，结构上更加整洁。印制电路板6上留有安装孔，方便安装在四旋翼无人机上，另外还留有航向数据的输出接口(串口通信接口)，方便四旋翼无人机的控制器对航向数据的读取。同时采用两个UWB标签进行航向测量，结构简单且重量轻，不明显加重无人机的重量。
如图7所示，本发明的实施例还提供了上述的四旋翼无人机航向测量器的控制方法，包括如下步骤：
步骤71，获取第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标。
其中，在本发明的实施例中，可基于无损卡尔曼滤波(UKF，Unscented KalmanFilter)，获取第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标，具体获取将在后文详细介绍。值得一提的是，相对于现有的基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的融合算法，基于UKF进行数据融合的计算量更小，精度更高，实现也更容易。
步骤72，根据第一UWB标签的二维坐标和第二UWB标签的二维坐标，确定第一向量。
具体的，在本发明的实施例中，可将由第一UWB标签的二维坐标点指向第二UWB标签的二维坐标点的向量作为第一向量。
步骤73，根据第一向量、第一UWB基站和第二UWB基站，确定四旋翼无人机在由第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站、第一UWB标签以及第二UWB标签构成的超宽带定位系统里的航向角。
具体的，在本发明的实施例中，上述步骤73的具体实现方式可以包括如下步骤：
第一步，将由第二UWB基站所在位置指向第一UWB基站所在位置的向量作为第二向量。
第二步，将第一向量和第二向量平移至同一平面上，并将第一向量的起点与第二向量的起点重合。
第三步，计算在平面内第一向量与第二向量的夹角。
其中，具体可通过平面向量夹角公式计算出第一向量与第二向量的夹角。其中，第一向量的模长为第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标距离，第二向量的模长为第二UWB基站与第一UWB基站的距离。
第四步，将夹角作为四旋翼无人机在超宽带定位系统里的航向角。
具体的，上述航向角的测量原理如图8所示，其中，第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站分别为B0、B1、B2，第一UWB标签和第二UWB标签分别为T1、T2，第一向量为V1，第二向量为V2，航向角为θ。需要说明的是，在实际场景中，四旋翼无人机会在整个空间中飞行，因此上述两个向量一般不在同一个平面上，但是两向量所在的两个平面是平行的。因而能将两个向量平移到同一个平面上，这样两向量的夹角就是四旋翼无人机在该超宽带定位系统下的航向角。
可以理解的是，在本发明的实施例中，除了以上方式确定第一向量和第二向量外，还可以通过如下方式确定第一向量和第二向量，如将第二UWB标签的二维坐标点指向第一UWB标签的二维坐标点的向量作为第一向量，将由第一UWB基站所在位置指向第二UWB基站所在位置的向量作为第二向量。相应的，计算航向角的方式与上述第二步至第四步的方式一样，在此不再赘述。
其中，在本发明的具体实施例中，上述步骤71至步骤73均可由四旋翼无人机航向测量器的单片机执行，即对应单片机基于存储的航向角计算策略，确定出四旋翼无人机在超宽带定位系统里的航向角。当然单片机在执行完步骤73后，可将确定出的航向角输出给四旋翼无人机的控制器，以便四旋翼无人机在室内能精准、快速的确定航向，便于定位和导航。
值得一提的是，由于超宽带技术相对于现有通用的无线保真、红外、蓝牙而言，其传输速率高、可穿透非透明物体且定位精度高，因而本发明基于超宽带技术实现的上述控制方法能在室内为四旋翼无人机精准、快速的确定航向(即上述航向角)，便于室内四旋翼无人机的定位和导航。
其中，在本发明的具体实施例中，上述步骤71的具体实现方式包括如下步骤：
步骤一，分别获取第一UWB标签与第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站之间的距离信息，并分别获取第二UWB标签与第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站之间的距离信息。
其中，以上距离信息的具体获取方式在前文已详细阐述，为避免重复，在此不再进行赘述。
步骤二，基于无损卡尔曼滤波算法，对获得的距离信息进行计算，得到第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标。
其中，在本发明的实施例中，为提高航向角的精度，上述步骤二的具体实现方式可以为：通过印制电路板上的惯性测量单元模块，获取印制电路板的三轴加速度与三轴角速度；然后基于无损卡尔曼滤波算法，对获得的距离信息和三轴加速度与三轴角速度进行融合，得到第一UWB标签和第二UWB标签的二维坐标。
其中，基于无损卡尔曼滤波算法，对获得的距离信息和三轴加速度与三轴角速度进行融合的步骤如下：
第一步，建立状态向量，这里的状态向量包含第一UWB标签和第二UWB标签的3D坐标。其中，定义3D坐标系：如图9所示，为便于描述，假设第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站分别为B0、B1、B2，第一UWB标签和第二UWB标签分别为T1、T2，B0为原点，B0与B1之间的连线L1、B0与B2之间的连线L2分别为x，y轴，正方向分别是B0指向B1、B0指向B2，且L1表示B0与B1之间的距离，L2表示B0与B2之间的距离；z轴是过点B0的垂直于B1、B0、B2所共在的平面，正方向竖直朝下。T1的状态向量为X1，X1＝[px1，py1，pz1，vx1，vy1，vz1，ax1，ay1，az1]T，T2的状态向量为X2，X2＝[px2，py2，pz2，vx2，vy2，vz2，ax2，ay2，az2]T，其中，px1表示T1在x轴方向的位置，py1表示T1在y轴方向的位置，pz1表示T1在z轴方向的位置，vx1表示T1在x轴方向的速度，vy1表示T1在y轴方向的速度，vz1表示T1在z轴方向的速度，ax1表示T1在x轴方向的加速度，ay1表示T1在y轴方向的加速度，az1表示T1在z轴方向的加速度。类似的，px2表示T2在x轴方向的位置，py2表示T2在y轴方向的位置，pz2表示T2在z轴方向的位置，vx2表示T2在x轴方向的速度，vy2表示T2在y轴方向的速度，vz2表示T2在z轴方向的速度，ax2表示T2在x轴方向的加速度，ay2表示T2在y轴方向的加速度，az2表示T2在z轴方向的加速度。
第二步，初始化，初始化状态向量初始值及方差向量初始值。
第三步，增广不确定性矩阵，计算2n+1个Sigma采样点及相应的权值，n是状态向量的维数。
第四步，计算Sigma点集带入过程模型计算Sigma点集的一步预测。
第五步，由Sigma点集的一步预测及相应的权值计算状态向量的一步预测及协方差矩阵。
第六步，将状态向量的一步预测带入观测方程，得到观测量的预测值。这里的观测量有三组，IMU中加速度计的三轴加速度与陀螺仪的三轴角速度，及两个标签分别到三个UWB基站的距离数据。观测模型就是传感器数据与标签状态的关系方程，不同的传感器，其观测模型不一样。
其中，两个标签分别到三个UWB基站的距离数据的观测模型为：
Figure BDA0002038567870000101
Figure BDA0002038567870000102
其中，k表示离散时刻，表示第k次，d1、d2、d3分别表示T2到三个UWB基站的距离，d4、d5、d6分别表示T1三个UWB基站的距离。需要说明的是：在实际应用中，无人机不得飞行超过图9所构成的立体范围之外，否则该观测方程不成立。
第七步，利用观测量的预测值进行加权求和得到系统预测的均值及协方差。
第八步，计算卡尔曼(Kalman)增益矩阵。
第九步，利用Kalman增益矩阵计算系统的状态更新及协方差更新，更新的状态向量中包含两个标签的二维坐标，即px1，py1，px2，py2的状态更新量。
其中，当有新的观测量更新时，重复第三步至第九步；若同时有多组观测数据同时更新，则依次执行第三步至第九步，整个数据融合过程如图10所示，图10中的UWB标签1和UWB标签2分别为上述第一UWB标签和第二UWB标签。
需要说明的是，在本发明的实施例中，是基于UKF进行数据融合，得到UWB标签的二维坐标，由于此处UKF的实现步骤与UKF现有的其他应用的原理类似，在此为避免过多公式堆积，以上九步主要通过文字描述UKF在本发明中的具体应用，省略了部分公式。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种四旋翼无人机航向测量器，其特征在于，包括：
第一超宽带UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站、第一UWB标签、第二UWB标签以及单片机；
其中，第一UWB基站、所述第二UWB基站以及所述第三UWB基站在四旋翼无人机的飞行环境中呈直角三角形分布，所述第一UWB标签和所述第二UWB标签分别设于一印制电路板的两端，所述印制电路板装设于所述四旋翼无人机上，所述单片机设置于所述印制电路板上，所述单片机分别与所述第一UWB标签和所述第二UWB标签电连接，且所述单片机通过设置于所述印制电路板的通信接口与所述四旋翼无人机的控制器电连接；所述印制电路板上还设有惯性测量单元模块，所述惯性测量单元模块与所述单片机电连接；
所述四旋翼无人机航向测量器的控制方法包括：
获取所述第一UWB标签和所述第二UWB标签的二维坐标；
根据所述第一UWB标签的二维坐标和所述第二UWB标签的二维坐标，确定第一向量；
根据所述第一向量、所述第一UWB基站和所述第二UWB基站，确定四旋翼无人机在由所述第一UWB基站、所述第二UWB基站、所述第三UWB基站、所述第一UWB标签以及所述第二UWB标签构成的超宽带定位系统里的航向角；
其中，所述获取所述第一UWB标签和所述第二UWB标签的二维坐标的步骤，包括：
分别获取所述第一UWB标签与所述第一UWB基站、所述第二UWB基站、所述第三UWB基站之间的距离信息，并分别获取所述第二UWB标签与所述第一UWB基站、所述第二UWB基站、所述第三UWB基站之间的距离信息；
通过所述印制电路板上的惯性测量单元模块，获取所述印制电路板的三轴加速度与三轴角速度；
基于无损卡尔曼滤波算法，对获得的距离信息和所述三轴加速度与三轴角速度进行融合，得到所述第一UWB标签和所述第二UWB标签的二维坐标；
所述根据所述第一向量、所述第一UWB基站和所述第二UWB基站，确定四旋翼无人机在由所述第一UWB基站、所述第二UWB基站、所述第三UWB基站、所述第一UWB标签以及所述第二UWB标签构成的超宽带定位系统里的航向角的步骤，包括：
将由所述第二UWB基站所在位置指向所述第一UWB基站所在位置的向量作为第二向量；
将所述第一向量和所述第二向量平移至同一平面上，并将所述第一向量的起点与所述第二向量的起点重合；
计算在所述平面内所述第一向量与所述第二向量的夹角；
将所述夹角作为所述四旋翼无人机在所述超宽带定位系统里的航向角。
2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机航向测量器，其特征在于，所述印制电路板装设于所述四旋翼无人机的顶部。
3.根据权利要求1所述的四旋翼无人机航向测量器，其特征在于，所述第一UWB标签和所述第二UWB标签之间具有预设距离。
4.根据权利要求1所述的四旋翼无人机航向测量器，其特征在于，所述第一UWB标签和所述第二UWB标签均与所述印制电路板垂直。
5.根据权利要求1所述的四旋翼无人机航向测量器，其特征在于，所述根据所述第一UWB标签的二维坐标和所述第二UWB标签的二维坐标，确定第一向量的步骤，包括：
将由所述第一UWB标签的二维坐标点指向所述第二UWB标签的二维坐标点的向量作为第一向量。
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