CN110455293B - 一种基于力传感的系留无人机定位系统及方法 - Google Patents

一种基于力传感的系留无人机定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于力传感的系留无人机定位系统及方法，通过系留绳缆定位减少了辅助定位传感器的使用，降低了系留无人机的成本，并能有效的克服室外弱GPS环境。在室内无GPS环境下的定位，本发明提高了无人机室内飞行的稳定性。其应用领域范围更广，可应用于更多无或弱GPS场景如：隧洞的巡检以及水电大坝泄洪闸门的巡检，且为地面与空中协同工作的机器人系统引导了新的定位方向。

Description

一种基于力传感的系留无人机定位系统及方法
技术领域
本发明涉及无人机定位领域，具体涉及一种基于力传感的系留无人机定位系统及方法。
背景技术
目前系留无人机已被广泛的应用于各领域执行复杂任务，为电力巡检、灾后搜救、隧洞勘探等带来了很多便利。系留无人机定位是在实际应用中的关键问题，户外无人机可以依靠GPS和惯性测量单元(IMU)定位。在弱GPS的户外或无GPS的室内，无人机的定位通常借助于激光雷达或视觉辅助定位。激光雷达与视觉定位易受距离、天气、雾霾、粉尘等因素影响，且实时构建二维或三维地图的数据量庞大、处理过程相对复杂。惯性测量、激光雷达与视觉定位会随时间的累积造成数据的漂移，导致系留无人机在弱或无GPS环境下的定位存在不可控环境因素干扰。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于力传感的系留无人机定位系统与方法解决了系留无人机在在弱GPS的户外或无GPS的室内的定位无法脱离激光雷达、视觉、超声波等设备的问题，仅仅依靠系留绳缆便能实现系留无人机在室内的定位。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于力传感的系留无人机定位系统，包括：地面绕线机、系留供电模块、系留绳缆和三维力传感模块；
所述地面绕线机用于根据系留绳缆的张力大小收放系留绳缆，使系留绳缆能够始终保持悬链线模型状态；
所述系留供电模块用于通过系留绳缆为三维力传感模块以及需定位的无人机供电；
所述系留绳缆用于连接无人机、三维力传感模块、系留供电模块以及地面绕线机，并作为电能传输线路；
所述三维力传感模块，固定安装在无人机的机体上，用于读取绳缆拉力的大小与方向。
进一步地：系留供电模块，包括：220V交流电源、220V交流转380V直流逆变器和380V转24V直流降压模块；所述220V交流电源与220V交流转380V直流逆变器的输入端电连接，所述220V交流转380V直流逆变器固定在地面绕线机上；所述220V交流转380V直流逆变器的输出端与系留绳缆的地面端电连接；所述380V转24V直流降压模块的输入端与系留绳缆的无人机端电连接，其输出端分别与三维力传感模块以及无人机的供电接口电连接。
进一步地：系留绳缆为高密度低阻抗屈张硅胶线缆。
进一步地：三维力传感模块为无人机内置型三维拉压力传感器。
一种基于力传感的系留无人机定位方法，包括以下步骤：
S1、通过系留绳缆连接系留无人机和地面绕线机，并构成输电通道使系留供电模块给系留无人机以及置于系留无人机内的三维力传感模块供电；
S2、将系留无人机悬停于空中，并测量此时系留绳缆的长度LS、无人机俯仰角θS、系留绳缆的单位质量m0和绕线机方位角φS；
S3、通过三维力传感模块测量系留绳缆无人机端的拉力T；
S4、以地面绕线机所处方位为坐标原点构建笛卡尔坐标系，根据系留绳缆的长度LS、无人机俯仰角θS、系留绳缆的单位质量m0和绕线机方位角φS和系留绳缆无人机端的拉力T，通过悬链线模型运算得到无人机的空间坐标位置(x,y,z)。
进一步地：步骤S4中悬链线模型包括以下等式：
Figure BDA0002179102240000031
Figure BDA0002179102240000032
Figure BDA0002179102240000033
x＝0 (4)
其中，sinh()为双曲正弦函数，cosh()为双曲余弦函数。
本发明的有益效果为：通过系留绳缆定位减少了辅助定位传感器的使用，悬链线模型利用了系留无人机绳缆自身的性质，通过参数测量估计无人机的位置信息，降低了系留无人机的成本，并能有效的克服室外弱GPS环境。在室内无GPS环境下的定位，本发明提高了无人机室内飞行的稳定性。其应用领域范围更广，可应用于更多无或弱GPS场景如：隧洞的巡检以及水电大坝泄洪闸门的巡检，且为地面与空中协同工作的机器人系统引导了新的定位方向。
附图说明
图1为一种基于力传感的系留无人机定位系统示意图；
图2为一种基于力传感的系留无人机定位方法流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种基于力传感的系留无人机定位系统，包括：地面绕线机、系留供电模块、系留绳缆和三维力传感模块；
所述地面绕线机用于根据系留绳缆的张力大小收放系留绳缆，使系留绳缆能够始终保持悬链线模型状态；
所述系留供电模块用于通过系留绳缆为三维力传感模块以及需定位的无人机供电；
所述系留绳缆用于连接无人机、三维力传感模块、系留供电模块以及地面绕线机，并作为电能传输线路；
所述三维力传感模块，固定安装在无人机的机体上，用于读取绳缆拉力的大小与方向。
系留供电模块，包括：220V交流电源、220V交流转380V直流逆变器和380V转24V直流降压模块；所述220V交流电源与220V交流转380V直流逆变器的输入端电连接，所述220V交流转380V直流逆变器固定在地面绕线机上；所述220V交流转380V直流逆变器的输出端与系留绳缆的地面端电连接；所述380V转24V直流降压模块的输入端与系留绳缆的无人机端电连接，其输出端分别与三维力传感模块以及无人机的供电接口电连接。
系留绳缆为高密度低阻抗屈张硅胶线缆。
三维力传感模块为无人机内置型三维拉压力传感器。
如图2所示，一种基于力传感的系留无人机定位方法，包括以下步骤：
S1、通过系留绳缆连接系留无人机和地面绕线机，并构成输电通道使系留供电模块给系留无人机以及置于系留无人机内的三维力传感模块供电；
S2、将系留无人机悬停于空中，通过地面绕线机末端的编码器测量系留绳缆的长度LS、通过三维力传感器计算得到无人机俯仰角θS、通过测量系留绳缆的密度ρ计算得到系留绳缆的单位质量m0＝ρv和通过地面绕线机在系留绳缆拉力作用下的偏离刻度得到方位角φS，其中，v为系留绳缆的单位体积；
S3、通过三维力传感模块测量系留绳缆无人机端的拉力T；
S4、以地面绕线机所处方位为坐标原点构建笛卡尔坐标系，根据系留绳缆的长度LS、无人机俯仰角θS、系留绳缆的单位质量m0和绕线机方位角φS和系留绳缆无人机端的拉力T，通过MATLAB软件悬链线模型运算得到无人机的空间坐标位置(x,y,z)。
步骤S4中悬链线模型包括以下等式：
Figure BDA0002179102240000051
Figure BDA0002179102240000052
Figure BDA0002179102240000053
x＝0 (4)
其中，sinh()为双曲正弦函数，cosh()为双曲余弦函数。本发明通过系留绳缆定位减少了辅助定位传感器的使用，降低了系留无人机的成本，并能有效的克服室外弱GPS环境。在室内无GPS环境下的定位，本发明提高了无人机室内飞行的稳定性。其应用领域范围更广，可应用于更多无或弱GPS场景如：隧洞的巡检以及水电大坝泄洪闸门的巡检，且为地面与空中协同工作的机器人系统引导了新的定位方向。

Claims (5)

1.一种基于力传感的系留无人机定位系统，其特征在于，包括：地面绕线机、系留供电模块、系留绳缆和三维力传感模块；
所述地面绕线机用于根据系留绳缆的张力大小收放系留绳缆，使系留绳缆能够始终保持悬链线模型状态；
所述系留供电模块用于通过系留绳缆为三维力传感模块以及需定位的无人机供电；
所述系留绳缆用于连接无人机、三维力传感模块、系留供电模块以及地面绕线机，并作为电能传输线路；
所述三维力传感模块，固定安装在无人机的机体上，用于读取绳缆拉力的大小与方向；
所述系留无人机定位系统的方法为：
A1、通过系留绳缆连接系留无人机和地面绕线机，并构成输电通道使系留供电模块给系留无人机以及置于系留无人机内的三维力传感模块供电；
A2、将系留无人机悬停于空中，并测量此时系留绳缆的长度LS、无人机俯仰角θS、系留绳缆的单位质量m0和绕线机方位角φS；
A3、通过三维力传感模块测量系留绳缆无人机端的拉力T；
A4、以地面绕线机所处方位为坐标原点构建笛卡尔坐标系，根据系留绳缆的长度LS、无人机俯仰角θS、系留绳缆的单位质量m0和绕线机方位角φS和系留绳缆无人机端的拉力T，通过悬链线模型运算得到无人机的空间坐标位置(x，y，z)；
悬链线模型包括以下等式：
Figure FDA0002677722940000011
Figure FDA0002677722940000012
Figure FDA0002677722940000021
x＝0 (4)
其中，sinh()为双曲正弦函数，cosh()为双曲余弦函数。
2.根据权利要求1所述的基于力传感的系留无人机定位系统，其特征在于，所述系留供电模块，包括：220V交流电源、220V交流转380V直流逆变器和380V转24V直流降压模块；所述220V交流电源与220V交流转380V直流逆变器的输入端电连接，所述220V交流转380V直流逆变器固定在地面绕线机上；所述220V交流转380V直流逆变器的输出端与系留绳缆的地面端电连接；所述380V转24V直流降压模块的输入端与系留绳缆的无人机端电连接，其输出端分别与三维力传感模块以及无人机的供电接口电连接。
3.根据权利要求1所述的基于力传感的系留无人机定位系统，其特征在于，所述系留绳缆为高密度低阻抗屈张硅胶线缆。
4.根据权利要求1所述的基于力传感的系留无人机定位系统，其特征在于，所述三维力传感模块为无人机内置型三维拉压力传感器。
5.一种基于力传感的系留无人机定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过系留绳缆连接系留无人机和地面绕线机，并构成输电通道使系留供电模块给系留无人机以及置于系留无人机内的三维力传感模块供电；
S2、将系留无人机悬停于空中，并测量此时系留绳缆的长度LS、无人机俯仰角θS、系留绳缆的单位质量m0和绕线机方位角φS；
S3、通过三维力传感模块测量系留绳缆无人机端的拉力T；
S4、以地面绕线机所处方位为坐标原点构建笛卡尔坐标系，根据系留绳缆的长度LS、无人机俯仰角θS、系留绳缆的单位质量m0和绕线机方位角φS和系留绳缆无人机端的拉力T，通过悬链线模型运算得到无人机的空间坐标位置(x，y，z)；
步骤S4中悬链线模型包括以下等式：
Figure FDA0002677722940000031
Figure FDA0002677722940000032
Figure FDA0002677722940000033
x＝0 (4)
其中，sinh()为双曲正弦函数，cosh()为双曲余弦函数。
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