CN110940983A - 用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达及数据融合方法 - Google Patents

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谭俊杰
易浩
周坤明
彭佳
钟仁海
赵欣
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Abstract

本发明公开了一种用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达及数据融合方法，该雷达包括：雷达天线，雷达射频前端、雷达信号处理器以及数据融合处理器，雷达天线，包括至少三个通道的不同波束指向的微带阵列发射天线，以及至少二个通道的接收天线；雷达射频前端通过至少三个通道的微带阵列发射天线向至少三个不同方向发射电磁波；电磁波遇到障碍物反射后的反射波经至少二个通道的接收天线接收后，通过雷达信号处理器分别进行处理，并经数据融合处理器融合处理成地形信息。本发明采用多波束雷达的天线，可以同时探测前位置正下方、航向前进、后退方向的地面的高度信息，单雷达能够输出同一时间不同方向的地面距离信息，进而判断作业地块类型。

Description

用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达及数据融合方法
技术领域
本发明涉及雷达探测技术领域，尤其涉及一种用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达及数据融合方法。
背景技术
无人机在飞行作业过程中需要获知当前准确的高度信息，如植保无人机在喷洒农药的时候，无人机与植被间的距离将直接影响到农药喷洒效果。目前，无人机作业定高飞行大多已采用毫米波雷达产品，能测量无人机与地面的垂直距离，在平坦的作业地形场景已取得较好的应用效果。但面对丘陵地带、山地、梯田等复杂地形，毫米波仿地雷达为满足定高精度要求，需设计较窄的波束角以确保有良好的距离探测精度，较窄的波束角不能提前获知前进方向地形变化情况，因而只能获取当前飞行位置相对高度信息，无法预判前方地面地形的变化情况，因而适应性较差。
为满足复杂地形提前预知前向地况的需求，则需安装多个毫米波雷达，成本较高。现有的多毫米波雷达融合仿地产品，至少需要3个毫米波雷达，在安装和使用上相对复杂。例如：专利号为201810445534.3，公告号为108681328A，名为“植保无人机仿地飞行方法及装置”，提供了植保无人机仿地飞行方法，包括：数据融合模块接收雷达组发送的实时高度信号，其中，所述雷达组包括至少三个毫米波雷达，且，各个所述毫米波雷达均设置在植保无人机的不同位置上，并数据融合模块将多雷达数据融合后发送给飞行控制器；该系统虽然能够基本完成无人机的复杂地形追随，但是由于需要分别安装多个雷达与融合控制器，安装位置要求高，融合标定困难，难以满足无人机作业复杂低成本、易维护的要求。
由于多个毫米波雷达皆为独立工作，融合控制器需被动地接收各雷达的数据信息，并根据各雷达在机体的安装角度、时间戳同步后再进行融合，预知航向地况信息。融合标定复杂，系统延迟高。并且，由于其雷达是多个分离的设备，需要单独设计融合模块，必然造成需要其他设备和软件统一将多种距离信息进行融合，导致需要更多的检测时间。
发明内容
本发明提供了一种用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达及数据融合方法，用以解决现有的仿地毫米波雷达不能提前获知前进方向地形变化情况的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，包括：雷达天线，雷达射频前端、雷达信号处理器以及数据融合处理器，
雷达天线，包括至少三个通道的不同波束指向的微带阵列发射天线，以及至少二个通道的接收天线；
雷达射频前端通过至少三个通道的微带阵列发射天线向至少三个不同方向发射电磁波；电磁波遇到障碍物反射后的反射波经至少二个通道的接收天线接收后，通过雷达信号处理器分别进行处理，并经数据融合处理器融合处理成地形信息。
优选地，接收天线为四个通道的接收天线。
优选地，雷达还包括ADC(Analog-to-Digital Converter，模拟数字转换器)采样模块，ADC采样模块用于将接收天线接收到的反射波进行模拟-数字转换后，输出给雷达信号处理器。
优选地，雷达信号处理器用于根据反射波以及返回时间，分别计算至少三个不同方向的雷达的电磁波的发射点到地面反射点之间的探测距离，输出至少三个不同方向的地面距离信息至数据融合处理器。
优选地，数据融合处理器用于根据至少三个不同方向的地面距离信息，以及反射波的返回时间，进行融合与同步，得到当前的高度信息与地形变化趋势。
优选地，数据融合处理器还用于根据高度信息与地形变化趋势，判断作业的地块类型。
优选地，作业的地块类型包括：平坦、丘陵或梯田。
优选地，至少三个通道的不同波束指向的微带阵列发射天线的发射方向包括：装载有雷达的无人机的当前位置的正下方、无人机航向的前进方向、以及无人机航向的后退方向。
本发明还提供一种用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达的数据融合方法，包括以下步骤：通过至少三个通道的微带阵列发射天线向至少三个不同方向发射电磁波；通过至少二个通道的接收天线接收电磁波遇到障碍物反射后的反射波，以获取至少三个不同方向的地面距离信息，以及反射波的返回时间，进行数据融合与同步，得到当前的高度信息与地形变化趋势。
优选地，根据高度信息与地形变化趋势，判断作业的地块类型，作业的地块类型包括：平坦、丘陵或梯田。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，向至少三个不同波束指向位置发射和接收电磁波，无需多个雷达分布安装，便可获取当前飞行位置相对高度信息，并预判无人机飞行前方与后方地形变化，且体积小成本低。并且，本发明的多波束雷达可以在波束指向角固定，不存在时间同步问题，安装简单，无需标定，系统延迟低。
2、本发明的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达的数据融合方法，可以融合多个方向的距离数据，以便进行地形识别；可以判断无人机作业地块类型是平坦、丘陵或梯田等环境。雷达能够智能化检测无人机与下方地面或者植被的高度，并提前探测航向地况信息，满足无人机复杂地形作业的需求，经济与社会效益显著。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达的工作原理示意图。
图中各标号表示：
1、多波束雷达；2、指向波束Ⅰ；3、指向波束Ⅱ；4、指向波束Ⅲ。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达1，包括：雷达天线，雷达射频前端、雷达信号处理器以及数据融合处理器；雷达天线，包括至少三个通道(本实施例中为三个：分别为图1中指向波束Ⅰ2、指向波束Ⅱ3以及指向波束Ⅲ4)的不同波束指向的微带阵列发射天线，以及至少二个通道(本实施例中优选为四个通道)的接收天线；雷达射频前端通过至少三个通道的微带阵列发射天线向至少三个不同方向发射电磁波；电磁波遇到障碍物反射后的反射波经至少二个通道的接收天线接收后，通过雷达信号处理器分别进行处理，并经数据融合处理器融合处理成地形信息。向至少三个不同波束指向位置发射和接收电磁波，无需多个雷达分布安装，便可获取当前飞行位置相对高度信息，并预判无人机飞行前方与后方地形变化，且体积小成本低。并且，本发明的多波束雷达1可以在波束指向角固定，不存在时间同步问题，安装简单，无需标定，系统延迟低。
实施时，雷达还包括ADC采样(Analog-to-Digital Converter，模/数转换器)模块，ADC采样模块用于将接收天线接收到的反射波进行模拟-数字转换后，输出给雷达信号处理器。
参见图2，本实施例工作时，雷达射频前端通过至少三个通道的微带阵列发射天线向至少三个不同方向发射电磁波；电磁波遇到障碍物反射后的反射波经至少二个通道的接收天线接收后，通过雷达信号处理器分别进行处理，雷达信号处理器根据反射波以及返回时间，分别计算至少三个不同方向的雷达的电磁波的发射点到地面反射点之间的探测距离，输出至少三个不同方向的地面距离信息至数据融合处理器。数据融合处理器根据至少三个不同方向的地面距离信息，以及反射波的返回时间，进行融合与同步，得到当前的高度信息与地形变化趋势，并根据高度信息与地形变化趋势，判断作业的地块类型。根据现有数据分类以建立各种地形的判断模型，通过将高度信息和地形变化趋势与现有的地形的判断模型匹配，可以判断出无人机作业地块类型是平坦、丘陵或梯田等环境。
本实施例中，参见图1，至少三个通道的不同波束指向的微带阵列发射天线的发射方向包括：装载有雷达的无人机的当前位置的正下方、无人机航向的前进方向、以及无人机航向的后退方向。三个通道的不同波束指向的微带阵列发射天线的发射方向之间的角度范围可根据现场的情况进行调整。
本发明的多波束雷达1使用波束赋形设计，单雷达能实现多个不同方向指向，能实现能单独提供当前高度信息与地形变化趋势。
目前市场上所使用的毫米波仿地雷达，只能探测当前位置正下方地面的高度信息，而本发明采用多波束雷达的天线，可以同时探测前位置正下方、航向前进、后退方向的地面的高度信息，适应性更好。
本发明在工作过程中，采用以下数据融合方法：
通过至少三个通道的微带阵列发射天线向至少三个不同方向发射电磁波；通过至少二个通道的接收天线接收所述电磁波遇到障碍物反射后的反射波，以获取至少三个不同方向的地面距离信息，以及反射波的返回时间，进行数据融合与同步，得到当前的高度信息与地形变化趋势。进一步地，根据所述高度信息与地形变化趋势，判断作业的地块类型，所述作业的地块类型包括：平坦、丘陵或梯田。
综上可知，本发明的多波束雷达1在天线端实现不同方向波束指向，无需安装多台覆盖不同方向的雷达，也解决了多台雷达安装角度校准困难，同步效果差的问题。所述多波束雷达1在信号处理端完成多方向距离信息融合，单雷达能够输出同一时间不同方向的地面距离信息，从而判断作业地块类型。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，其特征在于，包括：雷达天线，雷达射频前端、雷达信号处理器以及数据融合处理器，
所述雷达天线，包括至少三个通道的不同波束指向的微带阵列发射天线，以及至少二个通道的接收天线；
所述雷达射频前端通过所述至少三个通道的微带阵列发射天线向至少三个不同方向发射电磁波；所述电磁波遇到障碍物反射后的反射波经所述至少二个通道的接收天线接收后，通过雷达信号处理器分别进行处理，并经数据融合处理器融合处理成地形信息。
2.根据权利要求1所述的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，其特征在于，所述接收天线为四个通道的接收天线。
3.根据权利要求1所述的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，其特征在于，所述雷达还包括ADC采样模块，所述ADC采样模块用于将所述接收天线接收到的反射波进行模拟-数字转换后，输出给雷达信号处理器。
4.根据权利要求3所述的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，其特征在于，所述雷达信号处理器用于根据所述反射波以及返回时间，分别计算至少三个不同方向的雷达的电磁波的发射点到地面反射点之间的探测距离，输出至少三个不同方向的地面距离信息至数据融合处理器。
5.根据权利要求4所述的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，其特征在于，所述数据融合处理器用于根据至少三个不同方向的地面距离信息，以及反射波的返回时间，进行数据融合与同步，得到当前的高度信息与地形变化趋势。
6.根据权利要求5所述的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，其特征在于，所述数据融合处理器还用于根据所述高度信息与地形变化趋势，判断作业的地块类型。
7.根据权利要求6所述的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，其特征在于，所述作业的地块类型包括：平坦、丘陵或梯田。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达，其特征在于，所述至少三个通道的不同波束指向的微带阵列发射天线的发射方向包括：装载有雷达的无人机的当前位置的正下方、无人机航向的前进方向、以及无人机航向的后退方向。
9.一种用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达的数据融合方法，其特征在于，包括以下步骤：通过至少三个通道的微带阵列发射天线向至少三个不同方向发射电磁波；通过至少二个通道的接收天线接收所述电磁波遇到障碍物反射后的反射波，以获取至少三个不同方向的地面距离信息，以及反射波的返回时间，进行数据融合与同步，得到当前的高度信息与地形变化趋势。
10.根据权利要求9所述的用于无人机仿地飞行控制的多波束雷达的数据融合方法，根据所述高度信息与地形变化趋势，判断作业的地块类型，所述作业的地块类型包括：平坦、丘陵或梯田。
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