CN110806208B - 一种定位系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种定位系统，包括发射端及接收端，所述发射端包括二自由度舵机及线性红外激光扫描器，所述激光头固定于所述二自由度舵机上，所述二自由度舵机带动激光头转动，所述激光头扫描二维或三维空间，所述激光头通过无线连接接收端；接收端包括雪崩光电二极管、窄带滤光片、放大电路、单片机及IMU定位，所述窄带滤光片设置在雪崩光电二极管前端，所述放大电路作用于雪崩光电二极管，通过所述单片机判断二极管的上升沿，结合所述发射端舵机的角度信息，获取接收角度第一角度及第二角度，所述第一角度及第二角度通过IMU定位计算出具体位置。
Description
技术领域
本发明涉及定位领域，尤其是指一种定位系统和方法。
背景技术
现有技术中，有许多定位系统和方法，其中有WB定位，激光雷达定位，深摄像头定位，超声波定位等，而WB定位用多个基站发送信号，接收端根据到达时间的不同估计位置，类似GPS的原理，点是技术成熟，检测距离远，但是成本高，所需设备安装复杂，需要多个基站协同，对多径及非直射的情况处理能理差，易产生较大偏移；激光雷达定位用激光雷达对周围环境扫描定位，光雷达的精度高，性能稳定，但是激光雷达的价格极其昂贵，且体积、重量较大，不适合无人机使用；深摄像头定位，使用机器视觉的方法，对目标进行估计，成本较低，但是定位效果有限，估计误差较大，且会产生积累误差；超声波器件扫描周围环境，通过反射获取定位信息，该方法成本较低，技术成熟，但是定位精度差，距离短，对于复杂环境容易失效。针对以上的定位缺点，因而需要新的技术方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：旨在解决在室内的环境中可以通过无人机精确定位问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种基于红外激光扫描器和IMU的定位系统，
包括发射端及接收端，所述发射端包括二自由度舵机及线性红外激光扫描器，所述激光头固定于所述二自由度舵机上，所述二自由度舵机带动激光头转动，所述激光头扫描二维或三维空间，所述激光头通过无线连接接收端；
接收端包括雪崩光电二极管、窄带滤光片、放大电路、单片机及IMU定位，所述窄带滤光片设置在雪崩光电二极管前端，所述放大电路作用于雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管进行上升沿，通过所述单片机的判断雪崩光电二极管进行上升沿，结合所述发射端舵机的角度信息，获取接收角度第一角度及第二角度，所述第一角度及第二角度通过IMU定位计算出具体位置。
进一步的，所述IMU的定位用于计算目标物体的运动距离和角度。
进一步的，所述IMU定位由加速度计，陀螺仪和磁力计组成，所述加速度计，陀螺仪和磁力计皆水平设置。
进一步的，所述线性红外激光扫描器的波长为808nm，所述窄带滤光片用于过滤除808nm红外光之外的杂光。
进一步的，所述雪崩光电二极管为三个。
进一步的，在二维中，高度h0已知，获取发射端的第一角度θ1、第二角度θ2及第四角度€1并将获取的角度传送出；
接收到获取的第一角度θ1、第二角度θ2及第四角度€1并获取接收端的位置信息d1和第三角度α；
通过获得的位置信息和各个角度计算出位置坐标。
进一步的，先水平扫描获得第一角度θ1及第二角度θ2，再竖直方向扫描获得第四角度€1，所述各个角度是通过PWM信号控制获取角度。
进一步的，对一个短区间时间内的移动距离进行计算，将时间分为K份，每份时间为△T，在每份极短时间内，其运动为匀加速运动，则测出其加速度为 ag(k)，v0为此时间区间内的初始速度，初始为静态v0＝0，则d1的计算公式如下：
通过计算测量直接得出第三角度α，
则，第五角度ψ＝第三角度α-第一角度θ1。
进一步的，根据获取的位置信息d1及各个角度可得d2和d3：
d2＝d1sin(ψ)/sin(θ1-θ2)；
d3＝d1sin((π-ψ-(θ1-θ2))/sin(θ1-θ2))；
则，位置1坐标，(x1，y1)＝(x0，y0)+d3(cosθ1,sinθ1)；
位置2坐标，(x2，y2)＝(x0，y0)+d2(cosθ2，sinθ2)；
在三维中，高度未知，同二维情况相同，计算出二维坐标(x,y)，则高度可确定为：h＝d3/tan€1；
则，位置1的坐标为：(x0+d3cosθ1，y0+d3sinθ1，h0-d3/tan€1)；
位置2的坐标为：(x0+d2cosθ2，y0+d2sinθ2，h0-d3/tan€1)。
本发明的有益效果：实现了精度高、抗干扰能力强、不依赖照明、成本低、体积小及重量轻的优点，而IMU结合激光扫描器系统可以达到厘米级精度，本系统使用红外滤光片过滤可见光，可以有效避免杂光和多径的干扰，本系统不依赖室内照明情况，更有利在室内封闭的环境下使用无人机的整套电子元器件非常容易获得，光敏接收器装在无人机上，体积小，重量轻，方便应用于无人机上。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的封闭空间示意图
图2为本发明的二维或三维计算示意图
图3为本发明的计算流程图
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1和图2所示，包括发射端及接收端，所述发射端包括二自由度舵机及线性红外激光扫描器，所述激光头固定于所述二自由度舵机上，所述二自由度舵机带动激光头转动，所述激光头扫描二维或三维空间，所述激光头通过无线连接接收端；
接收端包括雪崩光电二极管、窄带滤光片、放大电路、单片机及IMU定位，所述窄带滤光片设置在雪崩光电二极管前端，所述放大电路作用于雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管进行上升沿，通过所述单片机的判断雪崩光电二极管进行上升沿，结合所述发射端舵机的角度信息，获取接收角度第一角度及第二角度，所述第一角度及第二角度通过IMU定位计算出具体位置。实现了精度高、抗干扰能力强、不依赖照明、成本低、体积小及重量轻的优点，而IMU结合激光扫描器系统可以达到厘米级精度，本系统使用红外滤光片过滤可见光，可以有效避免杂光和多径的干扰，本系统不依赖室内照明情况，更有利在室内封闭的环境下使用无人机的整套电子元器件非常容易获得，光敏接收器装在无人机上，体积小，重量轻，方便应用于无人机上。通过获取二维或三维图中物体的位置，即从位置一1运动到位置二2的距离，以及获取到各个角度，即可计算出具体位置。
实施例1
具体地，所述IMU的定位用于计算目标物体的运动距离和角度。通过IMU 计算两次角度测量之间的距离，进而计算出具体位置信息。
具体地，所述IMU定位由加速度计，陀螺仪和磁力计组成，所述加速度计，陀螺仪和磁力计皆水平设置。使用加速度计可以对一个短区间时间内的移动距离进行计算，陀螺仪和磁力计可以计算测量出角度信息。
具体地，所述线性红外激光扫描器的波长为808nm，所述窄带滤光片用于过滤除808nm红外光之外的杂光。线性红外激光扫描器发出固定波长，而波长通过无线连接将角度信息传输到接收端，使用红外滤光片过滤可见光，可以有效避免杂光和多径的干扰，而通过率为86％，截至波长为808±2nm。
具体地，所述雪崩光电二极管为三个。使用三个光电二极管可以避免机身对激光发射器的遮挡。
具体地，在二维中，高度h0已知，获取发射端的第一角度θ1、第二角度θ2及第四角度€1并将获取的角度传送出；
接收到获取的第一角度θ1、第二角度θ2及第四角度€1并获取接收端的位置信息d1和第三角度α；
通过获得的位置信息和各个角度计算出位置坐标。
具体地，先水平扫描获得第一角度θ1及第二角度θ2，再竖直方向扫描获得第四角度€1，所述各个角度是通过PWM信号控制获取角度。通过获取角度信息及位置信息，最终通过三角函数公式计算出位置信息。
具体地，对一个短区间时间内的移动距离进行计算，将时间分为K份，每份时间为△T，在每份极短时间内，其运动为匀加速运动，则测出其加速度为ag(k)， v0为此时间区间内的初始速度，初始为静态v0＝0，则d1的计算公式如下：
通过计算测量直接得出第三角度α，
则，第五角度ψ＝第三角度α-第一角度θ1。先获取二维的角度信息，位置信息，然后计算出二维的具体位置信息，则三维位置信息即可获得。
具体地，根据获取的位置信息d1及各个角度可得d2和d3：
d2＝d1sin(ψ)/sin(θ1-θ2)；
d3＝d1sin((π-ψ-(θ1-θ2))/sin(θ1-θ2))；
则，位置1坐标，(x1，y1)＝(x0，y0)+d3(cosθ1,sinθ1)；
位置2坐标，(x2，y2)＝(x0，y0)+d2(cosθ2，sinθ2)；
在三维中，高度未知，同二维情况相同，计算出二维坐标(x,y)，则高度可确定为：h＝d3/tan€1；
则，位置1的坐标为：(x0+d3cosθ1，y0+d3sinθ1，h0-d3/tan€1)；
位置2的坐标为：(x0+d2cosθ2，y0+d2sinθ2，h0-d3/tan€1)。
通过结合二维角度位置信息，计算出三维的具体位置信息。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种定位方法，其特征在于：在二维时，高度h0已知，获取发射端的第一角度θ1、第二角度θ2及第四角度€1并将获取的角度传送出；
接收到获取的第一角度θ1、第二角度θ2及第四角度€1并获取接收端的位置信息d1和第三角度α；
通过获得的位置信息和各个角度计算出位置坐标；
根据获取的位置信息d1及各个角度可得d2和d3：其中接收端的
位置信息d1，各个角度待求距离信息为d2和d3，
第五角度ψ＝第三角度α-第一角度θ1；
d2＝d1sin(ψ)/sin(θ1-θ2)；
d3＝d1sin((π-ψ-(θ1-θ2))/sin(θ1-θ2))；
则，位置1坐标，(x1，y1)＝(x0，y0)+d3(cosθ1,sinθ1)；
位置2坐标，(x2，y2)＝(x0，y0)+d2(cosθ2，sinθ2)；
或者在三维高度未知时，同二维情况相同，计算出二维坐标(x,y)，则高度可确定为：h＝d3/tan€1；
则，位置1的坐标为：(x0+d3cosθ1，y0+d3sinθ1，h0-d3/tan€1)；
位置2的坐标为：(x0+d2cosθ2，y0+d2sinθ2，h0-d3/tan€1)。
2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：先水平扫描获得第一角度θ1及第二角度θ2，再竖直方向扫描获得第四角度€1，所述各个角度是通过PWM信号控制获取角度。
3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：对一个短区间时间内的移动距离进行计算，将时间分为K份，每份时间为△T，在每份极短时间内，其运动为匀加速运动，则测出其加速度为ag(k)，v0为此时间区间内的初始速度，初始为静态v0＝0，则d1的计算公式如下：
通过计算测量直接得出第三角度α。
4.一种定位系统，其特征在于：所述定位系统利用如权利要求1所述的定位方法通过IMU定位计算出具体位置，包括发射端及接收端，所述发射端包括二自由度舵机及线性红外激光扫描器，激光头固定于所述二自由度舵机上，所述二自由度舵机带动激光头转动，所述激光头扫描二维或三维空间，所述激光头通过无线连接接收端；
接收端包括雪崩光电二极管、窄带滤光片、放大电路、单片机及IMU定位，所述窄带滤光片设置在雪崩光电二极管前端，所述放大电路作用于雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管进行上升沿，通过所述单片机的判断雪崩光电二极管进行上升沿，结合发射端舵机的角度信息，获取接收角度第一角度及第二角度，所述第一角度及第二角度通过IMU定位计算出具体位置，或者在三维高度未知时，同二维情况相同，计算出二维坐标及高度。
5.如权利要求4所述的定位系统，其特征在于：所述IMU的定位用于计算目标物体的运动距离和第三角度。
6.如权利要求5所述的定位系统，其特征在于：所述IMU定位由加速度计，陀螺仪和磁力计组成，所述加速度计，陀螺仪和磁力计皆水平设置。
7.如权利要求4所述的定位系统，其特征在于：所述线性红外激光扫描器的波长为808nm，所述窄带滤光片用于过滤除808nm红外光之外的杂光。
8.如权利要求4所述的定位系统，其特征在于：所述雪崩光电二极管为三个。
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