CN110824417A - 用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法，在输电线路杆塔上安装声电联合发射单元、在无人机上安装声电联合接收单元，声电联合发射单元发出电磁波信号和超声波信号后，声电联合接收单元中的圆形超声传感器阵列接收超声波信号、电磁波传感器接收电磁波信号，信号处理及定位模块根据电信号和超声信号的时间差和超声波在空气中传输速度计算发射振源和接收阵列间的距离，对超声阵列接收的信号进行空间谱估计运算，获得超声发射振源的来波方向，根据来波方向和距离，确定发射振源在无人机坐标系中的位置。本发明以较低成本实现了快速、精确实现无人机定位。可作为无人机的输电线路巡视提供定位依据。

Description

用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法

技术领域

本发明属于无人机领域，涉及无人机空间定位，尤其是用于输电线路巡视多旋翼无人机室外空间定位方法。

背景技术

随着电网的规模逐步扩大，输电线路设备量迅速增加，传统的人工巡检已经不能满足需求，尤其是我国西部地区，山川河流众多，人工巡检工作量难度大，且巡视效率低。

近几年来，无人机智能巡检技术迅速发展，且其不受地形的影响，沿着输电线路巡视，大大的提高了巡视工作效率，且无人机可以携带不同先进机载设备，能够近距离观测输电线路杆塔，实现可见光、红外测温等多种功能，有效提高了巡检质量。

目前，多旋翼无人机多采用GPS定位，但民用GPS定位总有5-10米的误差。实时动态测量技术RTK(Real Time Kinematic)可以提高定位进度，但在测量过程中，RTK仍然需要通过GPS对已知准确坐标的基准点进行定位，然后对无人机位置进行校准，在野外工作，已知位置的基准点常常难以实现，且RTK技术成本较高。且对输电线路巡视来说，并不需要知道无人机的确切位置，仅需准确测量无人机相对每基杆塔的准确位置即可。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种利用超声波阵列定位技术和声电联合定位技术的实现基于输电线路杆塔为基准的无人机定位的方法。该方法成本较低，定位过程中仅需要无人机采集输电杆塔上信号发射器发出的声电信号，就能够准确测量无人机相对杆塔的准确位置，能够更好的为输电线路无人机自动测巡提供定位支撑。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法，在输电线路杆塔上安装声电联合发射单元、在无人机上安装声电联合接收单元，声电联合发射单元发出电磁波信号和超声波信号后，声电联合接收单元中的圆形超声传感器阵列接收超声波信号、电磁波传感器接收电磁波信号，经信号采集卡采样接收后传输给信号处理及定位模块，信号处理及定位模块根据电信号和超声信号的时间差和超声波在空气中传输速度计算发射振源和接收阵列间的距离，对超声阵列接收的信号进行空间谱估计运算，获得超声发射振源的来波方向，根据来波方向和距离，确定发射振源在无人机坐标系中的位置，实现无人机相对发射振源的准确定位。

而且，所述声电联合发射单元包括一个超声波发射振源、一个电磁波发射振源，发射信号生成器，太阳能电池板及蓄电池，以及安装架构及外壳，太阳能电池板及蓄电池为发射信号生成器提供电源，发射信号生成器以预定的时间间隔控制超声波发射振源和电磁波发射振源发射出相关信号。

而且，所述的声电联合接收单元包括一个圆形敞开式超声波接收阵列、一个电容型电磁波接收单元，信号采集卡，信号处理及定位模块，圆形敞开式超声波接收阵列以电容型电磁波接收单元为圆心，超声波接收阵列分布在圆周上，信号采集卡采集超声信号和电磁波信号，对信号采样及数字化处理，并将采集的电信号传给信号处理及定位模块，信号处理及定位模块检测接收超声波和电磁波信号，实现对声电联合发射单元的定位，并将定位信息传递给无人机。

而且，圆形敞开式超声波接收阵列为4阵元、5阵元、6阵元，阵元间距为发射信号生成器发射超声波的半波长。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过超声波发射阵列以及接收阵列的特殊设计，实现了不需要发射部分与接收定位部分之间的通信，发射部分每时每刻均在发射信号，无人机在输电杆塔附近时即可接收到用于定位的信号，进行解算后，就可实现以输电杆塔为原点的无人机定位。

2、本发明通过在杆塔上加装发射模块，在无人机上加装接收和计算模块，高效的定位解算算法，以较低成本实现了快速、精确实现无人机定位。可作为无人机的输电线路巡视提供定位依据。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图。

图2为本发明系统中圆形声电联合接收阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法，在输电线路杆塔上安装声电联合发射单元、在无人机上安装声电联合接收单元及定位计算单元。声电联合发射单元发出电磁波信号和超声波信号后，声电联合接收单元可以测量出超声波和电磁波信号的到达时间之差，作为超声波传输时间，根据超声波在空气中传输速度为340m/s，确定安装于无人机上的接收阵列与安装于杆塔上的发射阵列之间的真的距离；同时对圆形超声波阵列接收的超声波信号，利用空间谱估计算法对信号到达方向进行估计；联合超声信号的传输距离和到达方向，可精确定位声电联合发射单元的位置。

所述声电联合发射单元，包括一个超声波发射振源、一个电磁波发射振源，发射信号生成器，太阳能电池板及蓄电池，以及安装架构及外壳等。

声电联合发射单元以超声波发射振源为定位中心，超声波发射振源可在发射信号生成器的驱动下，发射出一定频率一定强度的超声波，超声波的传输距离由超声波发射强度决定。电磁波发射振源在超声波发射振源发射出超声信号的同时发射出电磁波信号，电磁波信号作为超声波信号发出的时间原点。

发射信号生成器，含有单片机，能够产生一定频率的正弦波信号，并以预定的时间间隔控制超声波发射振源和电磁波发射振源发射出相关信号。

太阳能电池板及蓄电池能够自动储存电能，并为发射信号生成器提供长期稳定的电源。

所述的安装架构及外壳等能够固定超声波发射单元各个部分，并将其稳定的安装于输电线路杆塔上。

所述的安装于无人机上的声电联合接收单元，包含一个圆形敞开式超声波接收阵列、一个电容型电磁波接收单元，信号采集卡，信号处理及定位模块。

圆形超声接收阵列，以电容型电磁波接收单元为圆心，超声波接收阵列分布在一个圆周上，可以为4阵元、5阵元、6阵元或者更多阵元，阵元间距近似为发射信号生成器发射超声波的半波长，能够接收空间中的超声波和电磁波。

所述信号采集卡，能够采集圆形超声接收阵列接收的超声信号和电磁波信号，对信号采样及数字化处理，并将的采集的电信号传给信号处理及定位模块。

信号处理及定位模块，能够检测接收超声波和电磁波信号，并实现对声电联合发射单元的定位，并将定位信息传递给无人机。

进一步的，信号处理机定位模块可以检测超声波和电磁波信号的到达时间，确定超声波传输时间(因电磁波传输速度为光速，速度远远大于超声波传输速度，因此可认为电磁波不存在传输时延，用电磁波和超声波到达时间差作为超声波的传输时延)，根据超声波的传输时间和传输速度(340m/s)，确定无人机与发射阵元间的距离；同时对圆形超声波阵列接收的超声波信号，利用空间谱估计算法对信号到达方向进行估计；联合超声信号的传输距离和到达方向，可精确定位声电联合发射单元的位置。

该方法的具体步骤如下：

步骤一，超声波发射单元，控制超声发射探头以预订的时间间隔循环发射超声波信号，同时控制电磁波发射探头发射出电磁波信号。

步骤二，声电联合接收单元中的圆形超声传感器阵列接收超声波信号，经信号采集卡采样接收后传输给信号处理及定位模块。声电联合接收单元中的电磁波传感器接收电磁波信号，经信号采集卡采样接收后传输给信号处理机定位模块。

步骤三，信号处理及定位模块在收到声电联合接收单元的超声阵列信号和电磁波信号后，实时计算声电联合发射单元的距离；利用空间谱估计方法计算超声信号的来波方向，联合超声波信号来波方向和距离，实现无人机和输电杆塔间的定位。

为了更好地理解本发明实现定位的原理，现结合具体的定位过程进行描述。

发射信号生成器可以由51单片机加普通的信号放大芯片或者推挽放大电路组成(如MAX232芯片)，生成冲击电压信号，并将生成的电信号传递超声发射振源和电磁波发射振源。

冲击电压信号施加到超声发射振源和电磁波发射振源上后，超声波振源发射出中心频率为20kHz的超声信号，信号长度为1ms左右；电磁波发射振源发出中心频率为433Mhz的电磁波信号；信号发射间隔为0.5s，持续不断的向外发出。

圆形声电联合接收阵列如图2所示，共有5个超声接收探头P1、P2、P3、P4、P5，探头间距为信号半波长，即0.5*v/f＝0.5*340m/s/20kHz＝0.85cm。一个电磁波接收传感器P0，位于圆形接收阵列的中心，传感器将接收到信号转换为电信号。

信号采集卡由普通的信号采集卡(如采样率为1.33MHz的8通道采集卡)构成，对圆形声电联合接收阵列采集到的电信号进行采样处理，获得一组数字化的超声阵列信号和电磁波信号，并将超声阵列信号和电磁波信号传递给信号处理及定位模块。

信号处理及定位模块主要由普通单片机处理机实现，(如常用的MSP430单片机)，首先，根据电信号和超声信号的时间差，和超声波在空气中传输速度(340m/s)，计算发射振源和接收阵列间的距离(l＝v*t)。再次，对超声阵列接收的信号进行空间谱估计运算(如多重信号分类MUSIC算法，由于算法较成熟，本专利不再叙述)，获得超声发射振源的来波方向，根据来波方向和距离，确定发射振源在无人机坐标系中的位置。实现无人机相对发射振源的准确定位。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法，其特征在于：在输电线路杆塔上安装声电联合发射单元、在无人机上安装声电联合接收单元，声电联合发射单元发出电磁波信号和超声波信号后，声电联合接收单元中的圆形超声传感器阵列接收超声波信号、电磁波传感器接收电磁波信号，经信号采集卡采样接收后传输给信号处理及定位模块，信号处理及定位模块根据电信号和超声信号的时间差和超声波在空气中传输速度计算发射振源和接收阵列间的距离，对超声阵列接收的信号进行空间谱估计运算，获得超声发射振源的来波方向，根据来波方向和距离，确定发射振源在无人机坐标系中的位置，实现无人机相对发射振源的准确定位。

2.根据权利要求1所述的用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法，其特征在于：所述声电联合发射单元包括一个超声波发射振源、一个电磁波发射振源，发射信号生成器，太阳能电池板及蓄电池，以及安装架构及外壳，太阳能电池板及蓄电池为发射信号生成器提供电源，发射信号生成器以预定的时间间隔控制超声波发射振源和电磁波发射振源发射出相关信号。

3.根据权利要求1所述的用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法，其特征在于：所述的声电联合接收单元包括一个圆形敞开式超声波接收阵列、一个电容型电磁波接收单元，信号采集卡，信号处理及定位模块，圆形敞开式超声波接收阵列以电容型电磁波接收单元为圆心，超声波接收阵列分布在圆周上，信号采集卡采集超声信号和电磁波信号，对信号采样及数字化处理，并将采集的电信号传给信号处理及定位模块，信号处理及定位模块检测接收超声波和电磁波信号，实现对声电联合发射单元的定位，并将定位信息传递给无人机。

4.根据权利要求3所述的用于输电线路巡视的多旋翼无人机室外声电联合定位方法，其特征在于：圆形敞开式超声波接收阵列为4阵元、5阵元、6阵元，阵元间距为发射信号生成器发射超声波的半波长。

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