CN110244770A

CN110244770A - 一种基于uwb定位的无人机精准降落系统

Info

Publication number: CN110244770A
Application number: CN201910296735.6A
Authority: CN
Inventors: 李文轩; 谢金锋; 刘其民; 方堃; 赵紫微
Original assignee: Xi'an Candledragon Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Xi'an Candledragon Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-14
Filing date: 2019-04-14
Publication date: 2019-09-17

Abstract

本发明具体涉及一种基于UWB定位的无人机精准降落系统，包括UWB定位系统、智能信息处理系统以及操作与调度系统；UWB定位系统采用UWB定位技术，无人机机载信标通过与多个基站测距得出无人机在降落中的精准位置，并向智能信息处理系统反馈信息；智能信息处理系统接收UWB定位系统传输来的数据，对数据进行误差分析与滤波处理，并根据数据对无人机进行动态目标跟踪、路径规划以及降落调整，实现无人机的智能调度与避障；操作与调度系统将UWB定位系统和智能信息处理系统的工作过程进行可视化，显示无人机的位置数据，辅助进行检测与调度操作。本发明的无人机精准降落系统具有定位精度高、起降稳定、事故率较低、界面可视化实时有效等优点。

Description

一种基于UWB定位的无人机精准降落系统

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于UWB定位的无人机精准降落系统。

背景技术

无人机的精准降落是指当无人机执行任务后能够精准的返回到出发点。现在市场上存在两种主流无人机的降落技术。第一种、基于视觉识别的精准降落；该方法受外界条件影响大，摄像头对光线强度有较高要求，光线过亮或黑暗条件都无法识别降落标识，在周围环境色彩与地面标识差异较小时也会影响降落。其次当落叶、积雪，垃圾等外界干扰因素遮挡到地面降落标识时也会导致其无法降落或精度变差。这些原因使这种降落系统只能成为个人玩具，在实际的行业无人机应用中的可靠性很差。第二种、GPS差分定位技术，虽然该方法精准度与我们的定位相似，但其地面观测基站需要建立在国家已知点上或建立在一个长期观测的点上，架设地面观测基站困难。且GPS差分定位系统价格高昂，难以在行业上铺开使用。

由于GPS定位技术的各种局限性，我们寻找其他更合适多架无人机降落的定位技术。对无人机降落精度的精准掌控是无人机安全降落与无人机规模化的关键所在。目前市场上常用于定位的技术有红外线、超声波、RFID、WIFI、ZigBee、蓝牙和UWB等技术，其中超宽带(UWB)定位是一种有效且位置精度极高的定位方法，将其运用到无人机精准降落领域，引导无人机返航降落。

UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。其抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。将UWB技术应用于无人机降落可以完美满足无人机精准降落对极高的位置精度的需求。

发明内容

为了解决现有多架无人机在降落过程中的安全性、高效性、精准度差的问题，本发明提供了一种基于UWB定位的无人机精准降落系统，利用UWB定位技术提高无人机降落过程中的精度，实现大规模的行业无人机自动化，以适应市场和未来的需求。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于UWB定位的无人机精准降落系统，包括UWB定位系统、智能信息处理系统以及操作与调度系统；

所述UWB定位系统采用UWB定位技术，无人机机载信标通过与多个基站测距得出无人机在降落中的精准位置，并向智能信息处理系统反馈信息；

所述智能信息处理系统接收UWB定位系统传输来的数据，对数据进行误差分析与滤波处理，并根据数据对无人机进行动态目标跟踪、路径规划以及降落调整，实现无人机的智能调度与避障；

所述操作与调度系统将UWB定位系统和智能信息处理系统的工作过程进行可视化，显示无人机的位置数据，辅助进行检测与调度操作。

进一步地，上述UWB定位系统由信号接收基站、信标、管理系统和无人机构成；

所述基站由负责接收UWB信号的芯片、主控芯片、供电系统和外壳组成；

所述信标由负责发出UWB定位信息的芯片和供电系统构成。

进一步地，上述UWB定位系统建立定位单元来布置无人机的工作区域；

所述定位单元由一个中心基站、一个主测距基站和三个测距基站构成；

所述测距基站用来测出无人机与当前基站的距离，所述中心基站用来配置信标与哪些基站进行配对通信，所述主测距基站接收信标自结算的位置信息，并将无人机的物理位置，传达给智能信息处理系统。

进一步地，上述定位单元为多个，采取多个定位单元重叠的方法扩大无人机的工作范围。

进一步地，上述UWB定位系统的实现包括：

UWB点对点精准测距：信标与基站之间点对点的距离是通过信标发送信号到达基站的飞行时间乘以光速来计算；

TOA双边测距：无人机距离基站的位置通过基于TOA算法的双边测距方法来测出，所述TOA算法是通过将一端作为标记，周期性地初始化一个范围度量，而另一端作为基站侦听和响应标记并用来计算范围来实现测距；

三边定位：通过三边定位的方法计算无人机的物理坐标，所述三边定位方法是以测距基站为圆心，以所测的测距基站与信标的距离为半径做圆，三个测距基站可得三个圆，三个圆的重叠区域即为信标所在区域。

进一步地，测距基站与信标均选用DW1000超宽带无线收发芯片来实现无人机工作的测距以及定位。

进一步地，上述DW1000超宽带无线收发芯片的射频信号发射路径中添加PA功放，接受路径中添加LNA低噪放大器。

进一步地，上述操作与调度系统利用QT搭建操作界面，实现无人机位置数据的实时更新与可视化。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明的无人机精准降落系统采用UWB定位技术、TOA双边测距和三边定位方法，结合DW1000硬件设备实现了对无人机位置数据的实时测定，并将测得的数据发送到无人机上的智能信息处理系统；

2.本发明的无人机精准降落系统的操作与调度系统是与无人机降落系统配套使用的显示界面，基于Qt框架建成，用于显示所有飞机的实时位置，宏观调度无人机，实现无人机的避障等功能。

附图说明

图1是本实施例基站的示意图。

图2是本实施例多组基站配合示意图。

图3是本实施例UWB三维定位原理图。

图4是本实施例响应时序图。

图5是增加了PA功放和LNA低噪放大器的电路原理图。

图中：1、中心基站；2、测距基站；3、工作范围。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种基于UWB定位的无人机精准降落系统，包括UWB定位系统、智能信息处理系统以及操作与调度系统。UWB定位系统采用UWB定位技术，无人机机载信标通过与多个基站测距得出无人机在降落中的精准位置，并向智能信息处理系统反馈信息。智能信息处理系统接收UWB定位系统传输来的数据，对数据进行误差分析与滤波处理，并根据数据对无人机进行动态目标跟踪、路径规划以及降落调整，实现无人机的智能调度与避障。操作与调度系统将UWB定位系统和智能信息处理系统的工作过程进行可视化，显示无人机的位置数据，辅助工作人员进行检测与调度操作，实现对多架无人机的宏观调度。

UWB定位系统由信号接收基站、信标、管理系统和无人机构成。单个基站的信号有效覆盖范围是半径为150m的圆形区域。在3个基站的覆盖区域内可以实现较为精确的定位。基站由负责接收UWB信号的芯片、主控芯片、供电系统和外壳组成。信标由负责发出UWB定位信息的芯片和供电系统构成，可以实现对无人机位置的高精度定位。

UWB定位系统建立定位单元来布置无人机的工作区域。定位单元由一个中心基站、一个主测距基站和三个测距基站构成。测距基站用来测出无人机与当前基站的距离，中心基站用来配置信标与哪些基站进行配对通信，主测距基站接收信标自结算的位置信息，并将无人机的物理位置，传达给智能信息处理系统。基站的示意图如图1。

当需要完成在较大面积内的工作时，可以采取多组定位单元重叠的办法来扩大无人机工作范围。多组基站配合示意图如图2。在所需要工作的区域内布置好所需对应数量的工作单元，中心基站需通过wifi或以太网与结算服务器连接。当无人机正常工作时，在上位机界面中会实时显示工作区域内无人机所在的位置。

UWB定位系统的实现包括：

UWB点对点精准测距：DW1000一秒计数2～40次，因此其最小的时间单位为即16.65ps。DW1000将实时捕捉发送与接收时间戳，精准的时间戳是信标与基站之间点对点精准测距实现的前提，信标与基站间的距离是通过标签发送信号到达基站的飞行时间tof(Timeof Flignt)乘以光速来完成。即：

d＝tof×c

由于自身的超宽带特性，uwb的时间分辨率非常高，乘以光速，其测距精度基本可有效保持在很小的范围内，为实现三维定位，需要求出被定位设备的XYZ三维坐标，在基站架设的时候，需要特别拉开Z轴的高度差，以确保在Z轴上的精确度。使用TOF的方式，三个基站就可以完成三维定位。地面架设可利用架设安装杆的方式，为获得精准的三维定位数据，可使用加装基站无人机进行定点悬停的方式进行对Z轴高度的测量，简化图如图3所示：

TOA双边测距：无人机距离基站的位置通过基于TOA算法的双边测距方法来测出，TOA算法是通过将一端作为标记，周期性地初始化一个范围度量，而另一端作为基站侦听和响应标记并用来计算范围来实现测距。在测距方案中，标记发送一个轮询消息，该消息由基础结构中的三个或四个基站接收。基站以分组RespA、RespB和RespC连续响应，之后信标发送所有基站接收到的最终消息。这允许在只发送2条消息和接收3条消息之后再进行定位标记。这在消息流量上节省了大量的时间，从而节省了电池电量和通话时间。基站将计算范围的测距报告发送给标记，以便标记也知道该范围，这将在下一个响应消息中完成。这意味着定位引擎可以用于信标的一侧，计算出信标相对于基站的位置。响应时序图参照图4。

三边定位：通过三边定位的方法计算无人机的物理坐标，三边定位方法是以测距基站为圆心，以所测的测距基站与信标的距离为半径做圆，三个测距基站可得三个圆，三个圆的重叠区域即为信标所在区域。

测距基站与信标均选用DW1000超宽带无线收发芯片来实现无人机工作的测距以及定位。DW1000是基于DecaWave公司开发的一款兼容IEEE802.15.4-2011协议的超宽带无线收发芯片。使用DW1000的优点是，他支持USB从机，支持低功耗运行，且具有完全相干的接收器，可实现最大范围和精度的测距，可编程发射机输出功率，同时支持精确定位和数据传输。而信标和基站的不同之处只在于他们采用的电源以及选取的天线不同，具体如下：信标模块电源：锂离子电池(800mAh，OUTPUT DC3.7V)，信标模块天线：采用全向天线；基站模块电源：电源适配器(IN AC220V，OUTPUT DC5V 1.0A)，基站模块天线：采用定向天线(1/8圆)；

DW1000超宽带无线收发芯片的射频信号发射路径中添加PA功放，接受路径中添加LNA低噪放大器。电路原理图参照图5。图中的U5及其旁支电路即为我们增加的PA功放，U9及其旁支电路即为我们增加的LNA低噪放大器，通过增加这两个电路，传输距离提升了6倍，极大提升了性能。

智能信息处理系统的主要功能为数据处理和路径规划，其中数据处理功能可以使UWB定位技术得到的实时数据更为精准，而路径规划功能则可实现无人机的智能避障。UWB技术通过现有的DW1000能够将误差控制在30cm以内，通过数据的进一步处理将误差进一步缩小。

操作与调度系统利用QT搭建操作界面，实现无人机位置数据的实时更新与可视化。操作与调度系统是与降落系统配套使用的上位机显示界面，基于Qt框架建成，主要用于显示目标的位置参数，与无人机的宏观调度。同时该系统具有相当的拓展功能，如：在此应用中可以加载场景图片，从而使得可视性更强，效果更美观。同时在此应用中，用户可以自行设定电子围栏，即当目标离开设定区域后，系统会自动报警，这可以在一定程度上保障飞行器安全，同时辅助其精准降落。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于UWB定位的无人机精准降落系统，其特征在于：包括UWB定位系统、智能信息处理系统以及操作与调度系统；

2.如权利要求1所述的无人机精准降落系统，其特征在于，所述UWB定位系统由信号接收基站、信标、管理系统和无人机构成；

所述信标由负责发出UWB定位信息的芯片和供电系统构成。

3.如权利要求2所述的无人机精准降落系统，其特征在于，所述UWB定位系统建立定位单元来布置无人机的工作区域；

4.如权利要求3所述的无人机精准降落系统，其特征在于，所述定位单元为多个，采取多个定位单元重叠的方法扩大无人机的工作范围。

5.如权利要求3所述的无人机精准降落系统，其特征在于，所述UWB定位系统的实现包括：

6.如权利要求5所述的无人机精准降落系统，其特征在于，测距基站与信标均选用DW1000超宽带无线收发芯片来实现无人机工作的测距以及定位。

7.如权利要求6所述的无人机精准降落系统，其特征在于，所述DW1000超宽带无线收发芯片的射频信号发射路径中添加PA功放，接受路径中添加LNA低噪放大器。

8.如权利要求7所述的无人机精准降落系统，其特征在于，所述操作与调度系统利用QT搭建操作界面，实现无人机位置数据的实时更新与可视化。