CN110673618A - 一种基于声波信号的自动导航方法及导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于声波信号的自动导航方法及导航系统，所述导航系统，包括声信号发射端和声信号接收模块；所述声信号发射端设置于无人机需要降落的位置；所述声信号接收模块设置于无人机上；所述声信号接收模块与无人机存在数据交换；实现目前无人机在卫星导航信号不足、存在一定遮挡、电磁干扰严重或距离较远的情况下对无人机无法实现精确导航的缺口，可以精确引导无人机降落至地面移动载具的指定位置，使无人机的应用范围扩展到黑夜、山区、电磁干扰严重地区、或其它卫星导航所覆盖不到的地区，极大的扩展了无人机的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于无人机导航技术领域，具体涉及一种基于声波信号的自动导航方法及导航系统。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反复使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。
随着技术的发展，无人机凭借强大的机动性和智能性已经被应用于社会的很多领域，然而由于无人机过于灵活，所以操作起来仍然存在门槛，尤其是无人机的返航阶段，往往比其它时候更加危险，此外由于对自动化要求的提高，对无人机自动精准降落的需求也在不断增加。
目前，解决无人机返航的主要依靠卫星导航系统、积分惯导传感器数据和尚不够成熟的机器视觉等技术，前者因为卫星数量的不足，误差较大，对遮挡环境尤其敏感；基于积分惯导传感器数据的返航方法因为惯导的漂移误差极大，而机器视觉技术则因对光照特别敏感所以可靠性角度，识别距离也很短，对存在遮挡的环境更是完全无效，而在夜晚或光线不足或过强的情况下，该方法更是无可奈何，所以无法彻底解决行业问题。
发明内容
为此，本发明提供一种基于声波信号的自动导航方法及导航系统，以解决现有技术中无人机返航的主要依靠卫星导航系统、积分惯导传感器数据和尚不够成熟的机器视觉等技术，前者因为卫星数量的不足，误差较大，对遮挡环境尤其敏感；基于积分惯导传感器数据的返航方法因为惯导的漂移误差极大，而机器视觉技术则因对光照特别敏感所以可靠性角度，识别距离也很短，对存在遮挡的环境更是完全无效，而在夜晚或光线不足或过强的情况下，该方法更是无可奈何的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于声波信号的自动导航方法，包括：无人机确定自身坐标；于特定地点发射声波信号；无人机接收到声波信号后通过服务器计算出声波信号发射端的位置坐标；无人机向声波信号发射位置的位置坐标移动。
进一步的，所述特定位置指无人机需要降落的位置。
进一步的，声波信号以无差别间断形式发射。
一种基于声波信号的自动导航系统，包括声信号接收模块和声信号发射端；所述声信号发射端设置于无人机需要降落的位置；所述接收端设置于无人机上；所述声信号接收模块与无人机存在数据交换。
进一步的，所述声信号发射端包括三个扬声器和控制主机组成；所述扬声器包括换能器和功放电路板；所述控制主机包括显示器、键盘、工控主板、D/A板卡。
进一步的，三个所述扬声器分布在控制主机的左右和后方三个方向；所述换能器件与水平面成45°角。
进一步的，所述声信号接收模块包括传声器阵列、信号处理机、与无人机接口、电源接口、数据接口组成，所述传声器阵列由阵列主体架、驻极体传声器、传声器保护罩、防风罩组成。
进一步的，所述阵列主体架是由三根彼此垂直的支架组成，水平的两根垂直形成十字，第三根支架与水平两根组成的平面垂直，且位于水平面的中心位置。
本发明具有如下优点：一种基于声波信号的自动导航方法及导航系统，确定无人机坐标；通过声信号发射端(声信号发射端设置于无人机需要降落的位置)于特定地点发射声波信号；声信号接收模块设置于无人机上；声信号接收模块与无人机存在数据交换；声信号接收模块接收到声波信号后通过信号处理机计算出声波信号发射端的精确位置，信号处理机将位置坐标发送给无人机；无人机向声波信号发射位置移动。工作原理：将声信号发射端固定于无人机降落的特定点位置，首先通过控制主机生成带特定频率编码的数字信号，生成的波形的频率、编码方式以及发射声波的扬声器数量和方向可以由控制主机上的控制程序设定，随后声信号发送到空中，发出无人机“召唤”声波；此时安装于无人机之上的声信号接收模块上的传声器阵列接收到发射端所发出的召唤声波，转换成数字信号后，对声信号进行解码，然后利用互相关法计算声信号到达每个传声器的时间差，根据已知的每个传声器的坐标，估算出声信号发射端的方位，并以方位角和俯仰角极坐标的形式提供给无人机飞控。无人机通过自身姿态、自身坐标和以声信号接收模块坐标所确定的声信号发射端相对位置，便可以结合无人机自己的飞控模块实时引导无人机飞向声信号发射端所处的位置。期间，声信号发射端的精确位置计算由声信号接收模块的信号处理机来完成，每个传声器接收到声波信号后所产生的模拟信号经导线传递至信号处理机，其转换成数字信号后进行综合计算。这样，无人机通过自身姿态、自身坐标和声信号接收模块所确定的声信号发射端相对位置，便可以结合无人机自己的飞控模块实时引导无人机飞向声信号发射端所处的位置。期间，声信号发射端的精确位置计算由声信号接收模块的信号处理机来完成，每个麦克风接收到声波信号后所产生的模拟信号经导线传递至模数转换模块，通过其转换成数字信号后传递给信号处理机进行综合计算。实现目前无人机在卫星导航信号不足、存在一定遮挡、电磁干扰严重或距离较远的情况下对无人机无法实现精确导航的缺口，可以精确引导无人机降落至地面移动载具的指定位置，使无人机的应用范围扩展到黑夜、山区、电磁干扰严重地区、或其它卫星导航所覆盖不到的地区，极大的扩展了无人机的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1是本发明实施例1提供的一种基于声波信号的自动导航方法的流程结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的一种基于声波信号的无人机导航系统结构示意图；
图3是本发明实施例2提供的一种基于声波信号的无人机导航系统的声信号发射端俯视结构示意图；
图4是本发明实施例2提供的一种基于声波信号的无人机导航系统的声信号发射端正视结构示意图；
图5是本发明实施例2提供的一种基于声波信号的无人机导航系统的声信号接收模块结构示意图；
图6是本发明实施例2提供的一种基于声波信号的无人机导航系统的工作模型示意图；
图7是本发明实施例2提供的一种基于声波信号的无人机导航系统的用TDOA法(波达时间)算法精确定位声源位置示意图；
图8是本发明实施例2提供的一种基于声波信号的无人机导航系统的系统流程示意图。
图中：声信号接收模块1、声信号发射端2、传声器阵列3、信号处理机4、与无人机结构接口5、电源接口6、数据接口7、传声器阵列支架8、驻极体传声器9、保护罩10、防风罩11、扬声器12、控制主机13、换能器14、功率放大板15、显示器16、键盘17、工控主板18、D/A板卡19。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列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，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明实施例1提供的一种基于声波信号的自动导航方法，请参阅图1所示，以无人机为例，包括：S1、无人机确定自身坐标；S2、于特定地点发射声波信号；S3、无人机接收到声波信号后通过信号处理机计算出声波信号发射端的位置坐标；S4、无人机向声波信号发射位置的位置坐标移动。
需要说明的是，特定位置指无人机需要降落的位置，声波信号以无差别间断形式发射。
本实施例提供一种具体实施方法，故宫博物馆房屋和树木较多，遮挡较多，面积较大，依靠人工巡逻监管不仅费时费力，而且效率低；在故宫中和殿适当位置安装声波发生模块进行声波射；发射的声波范围大于故宫范围；无人机上安装有声信号接收模块；无人机在执行故宫上空执行任务时，通过自身系统始终能够获取到自身坐标位置，并且无人机始终处于声波信号的范围内；在执行一端时间后，需要将无人机召回，降落到中和殿，控制声波发射模块发射出声波信号，无人机上的声波接收模块接收到声波信号后，通过信号处理机计算出声波发出的位置坐标，信号处理机将位置坐标发送给无人机；无人机接收到位置坐标数据后，向目标位置飞行停靠。实现目前无人机在卫星导航信号不足、存在一定遮挡、电磁干扰严重或距离较远的情况下对无人机无法实现精确导航的缺口，可以精确引导无人机降落至地面移动载具的指定位置，使无人机的应用范围扩展到黑夜、山区、电磁干扰严重地区、或其它卫星导航所覆盖不到的地区，极大的扩展了无人机的应用领域。
实施例2
本发明实施例2提供的一种基于声波信号的自动导航系统，请参阅图2、图3、图4和图5所示，包括声信号接收模块1和声信号发射端2；声信号发射端2设置于无人机需要降落的位置；声信号接收模块1设置于无人机上；声信号接收模块与无人机存在数据连接。声信号发射端由三个扬声器12和控制主机13组成；扬声器12包括换能器14和功放电路板15；控制主机13包括显示器16、键盘17、工控主板18、D/A板卡19。三个扬声器12分布在控制主机13的左右和后方三个方向；换能器件14与水平面成45°角。声信号接收模块包括传声器阵列3、信号处理机4、与无人机结构接口5、电源接口6、数据接口7组成，传声器阵列3由阵列主体架8、驻极体传声器9、传声器保护罩10、防风罩11组成。阵列主体架8是由三根彼此垂直的支架组成，水平的两根垂直形成十字，第三根支架与水平两根组成的平面垂直，且位于水平面的中心位置。
进一步说明的是，驻极体传声器9(共有5个)采用GRAS 1/2″驻极体测试传声器，位于传声器阵列主体架的5个顶点处，并通过接插件与传声器阵列主体架8顶点的插座相连，保护罩10通过螺纹连接在主体架8的顶点，对传声器起到保护作用，同时有防雨防尘功能，防风罩11直接可通过胶粘在保护罩10处；信号处理机4采集驻极体传声器感知的声信号，并对信号进行处理，解算出声源的方位；与无人机接口5可使系统与固定于无人机下方，根据无人机型号不同可有不同的连接方式，电源接口6为系统提供直流12V的输入电压；数据接口7负责与无人机交换数据。三个扬声器12分布在控制主机13的左右和后方三个方向，换能器件14与水平面成45°角，朝向空中发射声波，功放电路板可以增大发射功率；控制主机生成需要发射的声波信号，并在频域进行声波编码，生成波形的频率、编码的方式、需要播放的扬声器的数量和方向可以由程序设定，生成数字声音波形后，通过D/A板卡19转换成模拟信号输出，通过扬声器12发射到空中。
工作原理：如图6、图7和图8所示，将声信号发射端2固定于无人机降落的回收平台上，首先通过控制主机13生成带特定频率编码的数字信号，生成的波形的频率、编码方式以及发射声波的扬声器数量和方向可以由控制主机13上的控制程序设定，随后声信号发送到空中，发出无人机“召唤”声波；此时安装于无人机之上的声信号接收端1上的传声器阵列3接收到发射端2所发出的召唤声波，转换成数字信号后，对声信号进行解码，然后利用波达时间(TDOA)方法，即先利用互相关法计算声信号到达每个传声器的时间差，再根据已知的每个传声器的坐标，估算出声信号发射端2的方位，并以方位角和俯仰角极坐标的形式提供给无人机飞控(图7)。这样，无人机通过自身姿态、自身坐标和以声信号接收端坐标所确定的声信号发射端相对位置，便可以通过无人机的飞控模块实时引导无人机飞向声信号发射端所处的位置。期间，声信号发射端的精确位置计算由声信号接收端的信号处理机4来完成，每个传声器接收到声波信号后所产生的模拟信号经导线传递至信号处理机，通过其转换成数字信号后进行综合计算。具体的流程图如图8所示。
实施例3
本发明实施例3提供的一种基于声波信号的自动导航系统，包括声信号发射端2和声信号接收模块1；声信号发射端设置于无人机需要降落的位置；声信号接收模块设置于无人机上；声信号接收模块1与无人机存在数据连接。声信号发射端包括三个扬声器12和控制主机13；扬声器12包括2个换能器14和功率放大板15，声信号发射端由12V电源提供持续地供电。声信号发射端2为一种可向外发射声波信号的装置，可向空中向无人机发送“召唤”声波，声波信号的频段与声信号接收模块的预设程序匹配，实现各自的编解码。声信号接收模块1包括传声器阵列3、信号处理机4、与无人机结构接口5、电源接口6和数据接口7。传声器阵列3由阵列主体架8、驻极体传声器9、传声器保护罩10、防风罩11组成。阵列主体架8是由三根彼此垂直的支架组成，水平的两根垂直形成十字，第三根支架与水平两根组成的平面垂直，且位于水平面的中心位置。
用于接到巡逻执勤任务时，将声波发射模块安装于街道中心位置，并使声信号发射端发出的声波信号覆盖到无人机的巡航范围，且能够让安装在无人机上的声信号接收模块能够接收得到，无人机在巡逻时，需要将其召回，控制声信号发射端发射出声波信号，无人机上的声波信号接收模块接收到声波信号后，通过信号处理机计算出声波发出的位置坐标，并将位置坐标发送给无人机；无人机接收到位置坐标数据后，向目标位置飞行停靠。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于声波信号的自动导航方法，其特征在于，包括：
确定自身坐标；
接收到声波信号后计算出声波信号发射端的位置坐标；
向声波信号发射位置的位置坐标移动。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波信号的自动导航方法，其特征在于，声波信号在无人机需要降落的位置发射。
3.根据权利要求2所述的一种基于声波信号的自动导航方法，其特征在于，声波信号以无差别发射方向的形式发射。
4.根据权利要求2所述的一种基于声波信号的自动导航方法，其特征在于，声波信号以间断的方式发射。
5.根据权利要求3所述的一种基于声波信号的自动导航方法，其特征在于，声波信号间断时长为5秒-10秒。
6.一种基于声波信号的自动导航系统，其特征在于，包括声信号接收模块和声信号发射端；所述声信号发射端设置于无人机需要降落的位置；所述接收端设置于无人机上；所述声信号接收模块与无人机存在数据交换。
7.根据权利要求6所述的一种基于声波信号的自动导航系统，其特征在于，所述声信号发射端包括三个扬声器和控制主机组成；所述扬声器包括换能器和功放电路板；所述控制主机包括显示器、键盘、工控主板、D/A板卡。
8.根据权利要求7所述的一种基于声波信号的自动导航系统，其特征在于，三个所述扬声器分布在控制主机的左右和后方三个方向；所述换能器件与水平面成45°角。
9.根据权利要求6所述的一种基于声波信号的自动导航系统，其特征在于，所述声信号接收模块包括传声器阵列、信号处理机、与无人机接口、电源接口、数据接口组成，所述传声器阵列由阵列主体架、驻极体传声器、传声器保护罩、防风罩组成。
10.根据权利要求9所述的一种基于声波信号的自动导航系统，其特征在于，所述阵列主体架是由三根彼此垂直的支架组成，水平的两根垂直形成十字，第三根支架与水平两根组成的平面垂直，且位于水平面的中心位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200110 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |