CN110274574A - 一种无人机开伞高度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人机开伞高度测量系统,包括基准站和移动站,所述基准站包括基准站GPS定位模块、基准站主控芯片、基准站测距芯片和无线发射器,所述基准站主控芯片分别与所述基准站GPS定位模块、所述基准站测距芯片、所述无线发射器相连;所述移动站包括移动站GPS定位模块、移动站主控芯片、移动站测距芯片和无线接收器,所述移动站主控芯片分别与所述移动站GPS定位模块、所述移动站测距芯片、所述无线接收器相连。本发明的有益效果是:1.精度较高,误差小于0.5米,满足无人机开伞高度测量的要求;2.性能稳定,受外界因素影响小;3.成本较低,性价比较高。
Description
技术领域
本发明涉及电子设计技术领域,尤其涉及一种无人机开伞高度测量系统。
背景技术
近年来,小型无人机在航拍、测绘、农业植保、线路巡查等领域得到了大量应用。伞降式无人机是一种通过打开降落伞缓慢降落的固定翼无人机,因其长航时的优点在测绘领域得到大量应用。然而伞降方式存在以下缺点:
(1)容易受风影响。当打开降落伞后,无人机即处于完全不受控状态,如果此时风较大,无人机将被吹得很远,甚至超出安全范围而损坏或造成更严重的后果。
(2)目前无人机中普遍使用的高度测量方法,是通过测量大气压再换算成高度。这种方法精度较差,受天气情况、大气压波动等因素的影响很大。如果开伞高度变大了,无人机受风影响更大可能飘更远。如果开始高度小了,会出现降落伞未打开时无人机就触地坠毁的情况。
根据无人机的重量,开伞高度范围一般在30-60米之间。为了降低无人机伞降过程中受风影响,应尽量降低开伞高度,高度减少后降落时间将随之减少,受风影响的程度必然减少,安全性得到很大提升。要做到低空开伞,必须依赖精度较高的高度测量系统,使得无人机在低空飞向开伞地点时获得准确的高度数据,从而精确控制无人机在设定的高度上开伞。
常用的各种测高系统的优缺点概述如下:
(1)气压式测高。优点是成本低,容易实现。缺点是受气压波动影响大,在天气突变情况下,一小时内误差可达正负10米。
(2)激光测高。优点是精度高,缺点是易受地面反射物影响,若物体的反射率过低就无法工作。
(3)GPS测高。优点是测量范围大,价格便宜。缺点是易受云层,天气等气象因素影响大导致准确度很差,平面方向(即经纬度)的误差范围在正负5米,而高度测量误差更大可达正负20米。
(4)RTK测高。优点是测量范围大,精度高达到厘米级别。缺点是价格高昂,一般在售价在万元以上。
发明内容
本发明提供了一种无人机开伞高度测量系统,包括基准站和移动站,所述基准站包括基准站GPS定位模块、基准站主控芯片、基准站测距芯片和无线发射器,所述基准站主控芯片分别与所述基准站GPS定位模块、所述基准站测距芯片、所述无线发射器相连;所述移动站包括移动站GPS定位模块、移动站主控芯片、移动站测距芯片和无线接收器,所述移动站主控芯片分别与所述移动站GPS定位模块、所述移动站测距芯片、所述无线接收器相连;
所述基准站包括依次执行如下模块:
基准站初始化模块:用于基准站系统初始化;
测距数据包检测模块:用于检查基准站测距芯片是否收到移动站发送的测距数据包,如果有则返回给移动站相应测距数据包,然后进入GPS数据检测模块,否则直接进入GPS数据检测模块;
GPS数据检测模块:用于检测基准站GPS定位模块的定位数据是否有更新,如果有则通过无线发射器将更新的定位数据发送给移动站,否则返回测距数据包检测模块;
所述移动站包括依次执行如下模块:
移动站初始化模块:用于移动站系统初始化;
本地GPS数据检测模块:用于检查移动站GPS定位模块的定位数据是否有效,如果有则保存起来供后续使用,否则进入基准站GPS数据检测模块;
基准站GPS数据检测模块:用于检测无线接收器是否接收到基准站发送过来的GPS数据,如果有则保存起来供后续使用,否则进入无线测距模块;
所述无线测距模块包括依次执行如下模块:
测距数据包发送模块:用于向基准站发送测距数据包;
测距数据包接收模块:用于接收基准站向移动站发送的返回测距数据包,如果在规定时间内接收到返回的测距数据包,无线测距成功,由移动站主控制芯片计算并输出高度数据,如果否,则移动站主控制芯片输出无效的高度数据,测高失败。
作为本发明的进一步改进,在所述测距数据包接收模块中,移动站接收到数据包后,记下发送与接收数据包的时间差,并减去固定的延时后得到电磁波在移动站与基准站之间传播所用时间,把传播时间乘以光速再除以2即得到定位站与移动站之间的距离。
作为本发明的进一步改进,该无人机开伞高度测量系统的高度计算式为:
其中H为高度,X1为移动站GPS输出定位信息中的X轴坐标,Y1为移动站GPS输出定位信息中的Y轴坐标,X0为基准站GPS输出定位信息中的X轴坐标,Y0为基准站GPS输出定位信息中的Y轴坐标,L2为利用无线测距测得的移动站与基准站之间的直线距离。
作为本发明的进一步改进,所述基准站主控芯片为STM32F103,所述基准站测距芯片为DW1000,所述STM32F103分别与所述基准站GPS定位模块、所述基准站测距芯片DW1000、所述无线发射器相连。
作为本发明的进一步改进,所述移动站主控芯片为STM32F103,所述移动站测距芯片为DW1000,所述STM32F103分别与所述移动站GPS定位模块、所述移动站测距芯片DW1000、所述无线接收器相连。
作为本发明的进一步改进,所述无线发射器为433MHz无线发射器,所述无线接收器为433MHz无线接收器。
作为本发明的进一步改进,所述移动站放置在无人机上,当无人机与基准站直线距离小于有效测距范围时,测高系统输出高度数据,无人机使用该数据,反之距离较远时高度数据无效,无人机使用原有测高系统数据。
作为本发明的进一步改进,移动站GPS能使用无人机上原有的GPS模块,与无人机的飞行控制系统共享定位数据。
本发明的有益效果是:1.精度较高,误差小于0.5米,满足无人机开伞高度测量的要求;2.性能稳定,受外界因素影响小;3.成本较低,性价比较高。
附图说明
图1是本发明的测量高原理图;
图2是本发明的GPS测距原理图;
图3是本发明的无线测距示意图;
图4是本发明的系统结构图;
图5是本发明的基准站结构图;
图6是本发明的移动站结构图;
图7是本发明的基准站程序流程图;
图8是本发明的移动站程序流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种无人机开伞高度测量系统,包括基准站和移动站,所述基准站包括基准站GPS定位模块、基准站主控芯片、基准站测距芯片和无线发射器,所述基准站主控芯片分别与所述基准站GPS定位模块、所述基准站测距芯片、所述无线发射器相连;所述移动站包括移动站GPS定位模块、移动站主控芯片、移动站测距芯片和无线接收器,所述移动站主控芯片分别与所述移动站GPS定位模块、所述移动站测距芯片、所述无线接收器相连;本发明的高度测量方案:
(1)测高原理
本发明的测高原理主要是利用GPS位置差分定位技术与无线测距技术。GPS的定位原理决定了其在经纬度(即平面方向)上的测量精度较高(精度约3米)。而在高度测量上误差较大(误差可达正负20米)。利用GPS的位置差分定位技术还可进一步提高平面方向上的测量精度(精度约0.5米)。当结合测量精度很高的无线测距技术(精度约0.1米),则可以计算出高度。测高原理如图1所示,在直角三角形中,利用GPS测距获得底边L1长度,利用无线测距获得斜边L2长度,则高度H可以通过简单的三角关系式获得。
(2)GPS测距原理
GPS测距是利用GPS位置差分定位技术实现的。如图2所示,把两个GPS输出的XY坐标即GPS0(X0,Y0)与GPS1(X1,Y1),通过坐标相减求出差值ΔX与ΔY,再通过简单的三角关系式求得两个GPS之间的直线距离。当两个GPS之间的距离相距较近时(100千米以内),由于GPS卫星信号在传输到两个GPS时所经历的路径基本一致,受大气折射、多径效应的影响较小,因此精度较GPS普通模式高,优于0.5米。
(3)无线测距原理
无线测距采用专用测距芯片DW1000为核心的方案,测距原理如图3所示。移动站的DW1000向基准站的DW1000发送测距数据包,基准站接收到数据包后向移动站发送返回测距数据包。移动站接收到数据包后,记下发送与接收数据包的时间差,并减去固定的延时后得到电磁波在移动站与基准站之间传播所用时间,把传播时间乘以光速再除以2即得到定位站与移动站之间的距离。DW1000芯片的距离测量为30米,加大发射功率后的距离可达500米,测距精度为0.1米,满足无人机开伞前高度测量的要求。
综上所述,本案的测高系统的高度计算式为:
其中H为高度,X1为移动站GPS输出定位信息中的X轴坐标(利用经度换算得到),Y1为移动站GPS输出定位信息中的Y轴坐标(利用纬度换算得到),X0为基准站GPS输出定位信息中的X轴坐标(利用经度换算得到),Y0为基准站GPS输出定位信息中的Y轴坐标(利用纬度换算得到),L2为利用无线测距测得的移动站与基准站之间的直线距离。
由于无线测距的精度远大于GPS测距精度,因此计算得到高度的精度主要取决于GPS测距精度,也约为0.5米。
本发明的结构方案,如图4所示:
测高系统在结构上包括基准站与移动站两部分,基准站放置在开伞点附近,放置点作为高度的基准点,即高度定义为0,移动站放置在无人机上,测得的高度即为无人机距基准站的高度,由于基准站放置在地面,因此也是无人机距离地面的高度。
基准站与移动站之间通过频率为433MHz无线电台单向通行,持续把基准站的GPS定位数据发给移动站,还通过频率范围为3.5-6.5GHz的双向通信实现无线测距。由于无线测距范围最大约为500米,当无人机与基准站直线距离小于有效测距范围时,测高系统输出高度数据,无人机使用该数据。反之距离较远时高度数据无效,无人机使用原有测高系统数据。433MHz无线电台通信距离较远约2千米,大于无线测距范围,能够保证通信的有效性。
本发明的硬件方案:
基准站的硬件结构如图5所示,包括CPU芯片STM32F103、基准站测距芯片DW1000、433MHz无线发射器。STM32F103是基准站的主控芯片,负责控制外围器件协调工作。基准站GPS定位模块得到基准站的定位数据,无线发射器把GPS定位数据发送至移动站。DW1000接收来自移动站的测距数据包,并返回相应测距数据包,实现无线测距功能。
移动站的硬件结构如图6所示,包括CPU芯片STM32F103,移动站测距芯片DW1000,433MHz无线接收器。STM32F103是移动站的主控芯片,负责控制外围器件协调工作,计算并输出高度数据。移动站GPS定位模块得到移动站的定位数据,移动站GPS定位模块可以使用无人机上原有的GPS模块,与无人机的飞行控制系统共享定位数据,减少了硬件成本。无线接收器接收来自基准站的GPS定位数据。DW1000向基准站发送测距数据包,随后接收来自基准站的测距数据包,通过测量数据传输时间差计算距离。移动站输出的高度数据供飞行控制系统使用。
本发明的软件方案:
系统的软件包括基准站与移动站两部分,基本思路是基准站持续向移动站发送GPS数据,移动站接收基准站GPS数据,并读取本地GPS数据,再控制DW1000无线测距,具备这三个数据就可以计算高度,详述如下。
基准站的程序流程如图7所示,包括依次执行如下模块:
步骤1,基准站初始化步骤:用于基准站系统初始化;
步骤2,测距数据包检测步骤:用于检查基准站测距芯片是否收到移动站发送的测距数据包,如果有则返回给移动站相应测距数据包,然后进入GPS数据检测步骤,否则直接进入GPS数据检测步骤;
步骤3,测距数据包检测步骤:用于检查基准站测距芯片是否收到移动站发送的测距数据包,如果有则返回给移动站相应测距数据包,然后进入GPS数据检测步骤,否则直接进入GPS数据检测步骤;
本发明的基准站包括依次执行如下模块:
基准站初始化模块:用于基准站系统初始化;
测距数据包检测模块:用于检查基准站测距芯片是否收到移动站发送的测距数据包,如果有则返回给移动站相应测距数据包,然后进入GPS数据检测模块,否则直接进入GPS数据检测模块;
GPS数据检测模块:用于检测基准站GPS定位模块的定位数据是否有更新,如果有则通过无线发射器将更新的定位数据发送给移动站,否则返回测距数据包检测模块;
移动站的程序流程如图8所示,包括依次执行如下步骤:
步骤一,移动站初始化步骤:用于移动站系统初始化;
步骤二,本地GPS数据检测步骤:用于检查移动站GPS定位模块的定位数据是否有效,如果有则保存起来供后续使用,否则进入基准站GPS数据检测步骤;
步骤三,基准站GPS数据检测步骤:用于检测无线接收器是否接收到基准站发送过来的GPS数据,如果有则保存起来供后续使用,否则进入无线测距步骤;
所述无线测距步骤包括依次执行如下步骤:
第1步骤,测距数据包发送步骤:用于向基准站发送测距数据包;
第2步骤,测距数据包接收步骤:用于接收基准站向移动站发送的返回测距数据包,如果在规定时间内接收到返回的测距数据包,无线测距成功,由移动站主控制芯片计算并输出高度数据,如果否,则移动站主控制芯片输出无效的高度数据,测高失败。至此完成了一个工作循环,将再次进入下一个工作循环。
本发明的移动站包括依次执行如下模块:
移动站初始化模块:用于移动站系统初始化;
本地GPS数据检测模块:用于检查移动站GPS定位模块的定位数据是否有效,如果有则保存起来供后续使用,否则进入基准站GPS数据检测模块;
基准站GPS数据检测模块:用于检测无线接收器是否接收到基准站发送过来的GPS数据,如果有则保存起来供后续使用,否则进入无线测距模块;
所述无线测距模块包括依次执行如下模块:
测距数据包发送模块:用于向基准站发送测距数据包;
测距数据包接收模块:用于接收基准站向移动站发送的返回测距数据包,如果在规定时间内接收到返回的测距数据包,无线测距成功,由移动站主控制芯片计算并输出高度数据,如果否,则移动站主控制芯片输出无效的高度数据,测高失败。
本发明的有益效果是:1.精度较高,误差小于0.5米,满足无人机开伞高度测量的要求;2.性能稳定,受外界因素影响小;3.成本较低,性价比较高。
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 (8)
1.一种无人机开伞高度测量系统,其特征在于,包括基准站和移动站,所述基准站包括基准站GPS定位模块、基准站主控芯片、基准站测距芯片和无线发射器,所述基准站主控芯片分别与所述基准站GPS定位模块、所述基准站测距芯片、所述无线发射器相连;所述移动站包括移动站GPS定位模块、移动站主控芯片、移动站测距芯片和无线接收器,所述移动站主控芯片分别与所述移动站GPS定位模块、所述移动站测距芯片、所述无线接收器相连;
所述基准站包括依次执行如下模块:
基准站初始化模块:用于基准站系统初始化;
测距数据包检测模块:用于检查基准站测距芯片是否收到移动站发送的测距数据包,如果有则返回给移动站相应测距数据包,然后进入GPS数据检测模块,否则直接进入GPS数据检测模块;
GPS数据检测模块:用于检测基准站GPS定位模块的定位数据是否有更新,如果有则通过无线发射器将更新的定位数据发送给移动站,否则返回测距数据包检测模块;
所述移动站包括依次执行如下模块:
移动站初始化模块:用于移动站系统初始化;
本地GPS数据检测模块:用于检查移动站GPS定位模块的定位数据是否有效,如果有则保存起来供后续使用,否则进入基准站GPS数据检测模块;
基准站GPS数据检测模块:用于检测无线接收器是否接收到基准站发送过来的GPS数据,如果有则保存起来供后续使用,否则进入无线测距模块;
所述无线测距模块包括依次执行如下模块:
测距数据包发送模块:用于向基准站发送测距数据包;
测距数据包接收模块:用于接收基准站向移动站发送的返回测距数据包,如果在规定时间内接收到返回的测距数据包,无线测距成功,由移动站主控制芯片计算并输出高度数据,如果否,则移动站主控制芯片输出无效的高度数据,测高失败。
2.根据权利要求1所述的无人机开伞高度测量系统,其特征在于:在所述测距数据包接收模块中,移动站接收到数据包后,记下发送与接收数据包的时间差,并减去固定的延时后得到电磁波在移动站与基准站之间传播所用时间,把传播时间乘以光速再除以2即得到定位站与移动站之间的距离。
3.根据权利要求2所述的无人机开伞高度测量系统,其特征在于:该无人机开伞高度测量系统的高度计算式为:
其中H为高度,X1为移动站GPS输出定位信息中的X轴坐标,Y1为移动站GPS输出定位信息中的Y轴坐标,X0为基准站GPS输出定位信息中的X轴坐标,Y0为基准站GPS输出定位信息中的Y轴坐标,L2为利用无线测距测得的移动站与基准站之间的直线距离。
4.根据权利要求1所述的无人机开伞高度测量系统,其特征在于:所述基准站主控芯片为STM32F103,所述基准站测距芯片为DW1000,所述STM32F103分别与所述基准站GPS定位模块、所述基准站测距芯片DW1000、所述无线发射器相连。
5.根据权利要求1所述的无人机开伞高度测量系统,其特征在于:所述移动站主控芯片为STM32F103,所述移动站测距芯片为DW1000,所述STM32F103分别与所述移动站GPS定位模块、所述移动站测距芯片DW1000、所述无线接收器相连。
6.根据权利要求1所述的无人机开伞高度测量系统,其特征在于:所述无线发射器为433MHz无线发射器,所述无线接收器为433MHz无线接收器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的无人机开伞高度测量系统,其特征在于:所述移动站放置在无人机上,当无人机与基准站直线距离小于有效测距范围时,测高系统输出高度数据,无人机使用该数据,反之距离较远时高度数据无效,无人机使用原有测高系统数据。
8.根据权利要求7所述的无人机开伞高度测量系统,其特征在于:移动站GPS能使用无人机上原有的GPS模块,与无人机的飞行控制系统共享定位数据。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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