CN110986918A - 一种定位系统及定位方法 - Google Patents

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李永龙
汪双
陈永灿
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Abstract

本发明涉及无人机定位技术领域，具体而言，涉及一种定位系统及定位方法。一种定位系统，其包括控制器、系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块。系留绳缆包括与无人机连接的自由端以及用于设置在地面的地面端。第一力传感模块及第二力传感模块分别设置在地面端及自由端，第一力传感模块用于检测地面端的张力大小及张力方向，第二力传感模块用于检测自由端的拉力大小及拉力方向。控制器与第一力传感模块及第二力传感模块电连接；控制器用于接收第一力传感模块输出的张力大小信号及张力方向信号，以及用于接收第二力传感模块输出的拉力大小信号及拉力方向信号，并输出无人机位置的信号。该定位系统能够降低系留无人机的定位误差。

Description

一种定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及无人机定位技术领域，具体而言，涉及一种定位系统及定位方法。
背景技术
目前系留无人机已被广泛的应用于各个领域执行复杂任务，为电力巡检、灾后搜救、隧洞勘探等领域带来了巨大的便利。系留无人机在复杂环境中的应用离不开定位，在户外无人机可以依靠GPS和惯性测量单元(I MU)定位。但在弱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。激光雷达定位受距离、天气、雾霾、粉尘等因素影响，激光雷达在定位过程中时构建二维或三维地图产生的数据量庞大，数据处理也相对复杂。视觉定位对环境光线非常敏感受光照强度的制约。同时激光雷达与视觉定位都会随时间的累积造成数据的漂移，导致无人机弱或无GPS环境下的定位存在不可控环境因素干扰，导致系留无人机的定位存在较大误差。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种定位系统，该定位系统能够降低系留无人机的定位误差。
本发明的实施例可以这样实现：
本发明的实施例提供了一种定位系统，用于定位系留无人机，其包括控制器、系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块；
系留绳缆包括与无人机连接的自由端以及用于设置在地面的地面端；
第一力传感模块及第二力传感模块分别设置在地面端及自由端，第一力传感模块用于检测地面端的张力大小及张力方向，第二力传感模块用于检测自由端的拉力大小及拉力方向；
控制器与第一力传感模块及第二力传感模块电连接；控制器用于接收第一力传感模块输出的张力大小信号及张力方向信号，以及用于接收第二力传感模块输出的拉力大小信号及拉力方向信号，并输出无人机位置的信号。
可选的，第一力传感模块为张力传感器。
可选的，第二力传感模块为三维力传感器。
可选的，定位系统还包括用于设置在地面的绕线机；
系留绳缆绕接于绕线机的收线筒，并且系留绳缆的地面端为系留绳缆绕接于绕线机后的出线端。
可选的，定位系统还包括编码器，编码器与绕线机连接，并位于出线端；
编码器与控制器电连接，编码器用于测量地面端与自由端之间的系留绳缆长度，并将信号发送至控制器。
可选的，定位系统还包括供电组件，供电组件用于向无人机供电。
可选的，供电组件包括设置在地面的直流逆变器以及与无人机连接的电源模组；
直流逆变器与外接电源电连接，直流逆变器通过系留绳缆向电源模组传输电能。
一种定位方法，应用于定位系统中，以对无人机进行定位，定位系统包括系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块；系留绳缆包括与无人机连接的自由端以及用于设置在地面的地面端；第一力传感模块及第二力传感模块分别设置在地面端及自由端；其包括以下步骤：
接收第一力传感模块输出的地面端的张力大小及张力方向的第一信号，以及接收第二力传感模块输出的自由端的拉力大小及拉力方向的第二信号；
根据第一信号以及第二信号，对自由端的拉力大小进行矫正，输出表征无人机位置的信号。
可选的，对自由端的拉力大小进行矫正包括：
根据第一信号及第二信号，得出地面端的张力及自由端的拉力，以及地面端的张力与自由端的拉力水平分量的均值；
T′＝(T1cosθs+T0)/2，a′＝T′/γ；
T0为地面端的张力，T1为自由端的拉力，T′为拉力水平分量的均值。
可选的，输出表征无人机位置的信号包括：
以地面端为原点建立笛卡尔坐标系；
根据系留绳缆的长度、无人机的俯仰角度、系留绳缆的质量、绕线机的方位角及自由端的拉力建立悬链线模型，计算出无人机的位置，并输出表征无人机位置的信号；
悬链线模型包括以下等式：
Figure BDA0002326660950000041
θs为无人机的俯仰角度，Ls为系留绳缆的长度。
本发明实施例的定位系统及定位方法的有益效果包括：
该定位系统包括系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块，系留绳缆包括与无人机连接的自由端以及用于设置在地面的地面端，第一力传感模块和第二力传感模块分别设置在系留绳缆的地面端及自由端，从而能够通过第一力传感模块及第二力传感模块对地面端及自由端的力的大小和方向进行检测，从而能够对自由端的拉力进行矫正，从而能够保证获得的力的相关数据的准确性，进而提高系留无人机的定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中定位方法的模型示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
本实施例提供了一种定位系统，用于定位系留无人机，其包括控制器、系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块。
系留绳缆包括与无人机连接的自由端以及用于设置在地面的地面端。
第一力传感模块及第二力传感模块分别设置在地面端及自由端，第一力传感模块用于检测地面端的张力大小及张力方向，第二力传感模块用于检测自由端的拉力大小及拉力方向。
控制器与第一力传感模块及第二力传感模块电连接；控制器用于接收第一力传感模块输出的张力大小信号及张力方向信号，以及用于接收第二力传感模块输出的拉力大小信号及拉力方向信号，并输出无人机位置的信号。
该定位系统的工作原理是：
该定位系统包括控制器、系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块。
其中，系留绳缆的两端分别为地面端及自由端，并且地面端设置在地面，而自由端则与无人机连接。与此同时，第一力传感模块及第二力传感模块分别设置在地面端及自由端，第一力传感模块用于检测地面端的张力大小及张力方向，第二力传感模块用于检测自由端的拉力大小及拉力方向。
由此，通过第一力传感模块检测地面端的张力大小及张力方向，第二力传感模块检测自由端的拉力大小及拉力方向；并将检测到的张力大小信号、张力方向信号、拉力大小信号及拉力方向信号传递至控制器中。
控制器根据接收的第一力传感模块输出的张力大小信号、张力方向信号、拉力大小信号及拉力方向信号，便可对自由端的拉力进行矫正，并以地面端为笛卡尔坐标系的原点，并建立悬链线模型，从而计算出无人机的位置，并输出无人机位置的信号。
这样的定位方式，通过对自由端的拉力数据进行矫正，从而能够提高数据的准确性，进而能够提高定位精度。
在本实施例中，在设置第一力传感模块及第二力传感模块时，第一力传感模块可以为张力传感器，而第二力传感模块可以为三维力传感器。
进一步地，需要说明的是，在本发明的实施例中，在设置系留绳缆时，为便于对系留绳缆的收放，定位系统还包括用于设置在地面的绕线机，系留绳缆绕接于绕线机的收线筒，并且系留绳缆的地面端为系留绳缆绕接于绕线机后的出线端。
这样的设置方式，可以根据实际需要调整地面端与自由端的系留绳缆长度，同时地面端与自由端外的系留绳缆部分绕接于绕线机，从而能够便于系留绳缆的收放。
另外，为便于对地面端与自由端间的系留绳缆的长度进行测量。故定位系统还包括编码器，编码器与绕线机连接，并位于出线端；编码器与控制器电连接，编码器用于测量地面端与自由端之间的系留绳缆长度，并将信号发送至控制器。
需要说明的，在本发明的其他实施例中，系留绳缆还可以采取将系留绳缆的自由端及地面端的长度设置为固定值的方式，并且采取这样的设置方式时，系留绳缆需要保持伸展状态。
进一步地，该定位系统还包括供电组件，供电组件用于向无人机供电。在设置供电组件时，供电组件包括设置在地面的直流逆变器以及与无人机连接的电源模组；直流逆变器与外接电源电连接，直流逆变器通过系留绳缆向电源模组传输电能。
其中，直流逆变器是把220V的交流供电逆变成380V的直流供电，以减小传输过程中的能量损耗，而电源模组包含了380V直流降24V直流降压电源模块。
基于上述的定位系统，请参照图1，图1示出了本发明实施例中定位方法的模型。本发明还提供了一种定位方法，该定位方法应用于上述的定位系统中时，可以对无人机进行定位。
定位系统包括系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块；系留绳缆包括与无人机连接的自由端以及用于设置在地面的地面端；第一力传感模块及第二力传感模块分别设置在地面端及自由端；其包括以下步骤：
接收第一力传感模块输出的地面端的张力大小及张力方向的第一信号，以及接收第二力传感模块输出的自由端的拉力大小及拉力方向的第二信号；
根据第一信号以及第二信号，对自由端的拉力大小进行矫正，输出表征无人机位置的信号。
进一步地，在对自由端的拉力大小进行矫正时，可以根据第一信号及第二信号，得出地面端的张力及自由端的拉力，从而根据地面端的张力及自由端的拉力数据建立公式，以得出地面端的张力与自由端的拉力水平分量的均值：T′＝(T1cosθs+T0)/2，a′＝T′/γ；
其中，T0为地面端的张力，T1为自由端的拉力，T′为拉力水平分量的均值。
进一步地，在输出表征无人机位置的信号时，通过绕线机出现端的编码器测量绳缆长度，并以地面端为原点建立笛卡尔坐标系；
Figure BDA0002326660950000091
Lr为无人机到绕线机的直线距离，θr为Lr与水XOY平面的夹角，φr为绕线机与初始位置的方位角。
根据系留绳缆的长度、无人机的俯仰角度、系留绳缆的质量、绕线机的方位角及自由端的拉力建立悬链线模型，计算出无人机的位置，并输出表征无人机位置的信号；
经过模型的推导计算，系留无人机悬链线模型计算公式如下：θs为无人机的俯仰角度，Ls为系留绳缆的长度，m0为系留绳缆的单位质量；
Figure BDA0002326660950000092
那么经过数据矫正后的计算公式：a′＝T′/γ；
那么最终悬链线模型计算公式变成：
Figure BDA0002326660950000101
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种定位系统，用于定位系留无人机，其特征在于：
所述定位系统包括控制器、系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块；
所述系留绳缆包括与无人机连接的自由端以及用于设置在地面的地面端；
所述第一力传感模块及所述第二力传感模块分别设置在所述地面端及所述自由端，所述第一力传感模块用于检测所述地面端的张力大小及张力方向，所述第二力传感模块用于检测所述自由端的拉力大小及拉力方向；
所述控制器与所述第一力传感模块及所述第二力传感模块电连接；所述控制器用于接收所述第一力传感模块输出的张力大小信号及张力方向信号，以及用于接收所述第二力传感模块输出的拉力大小信号及拉力方向信号，并输出所述无人机位置的信号。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：
所述第一力传感模块为张力传感器。
3.根据权利要求1或2所述的定位系统，其特征在于：
所述第二力传感模块为三维力传感器。
4.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：
所述定位系统还包括用于设置在地面的绕线机；
所述系留绳缆绕接于所述绕线机的收线筒，并且所述系留绳缆的地面端为所述系留绳缆绕接于所述绕线机后的出线端。
5.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于：
所述定位系统还包括编码器，所述编码器与所述绕线机连接，并位于所述出线端；
所述编码器与所述控制器电连接，所述编码器用于测量所述地面端与所述自由端之间的所述系留绳缆的长度，并将信号发送至所述控制器。
6.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：
所述定位系统还包括供电组件，所述供电组件用于向所述无人机供电。
7.根据权利要求6所述的定位系统，其特征在于：
所述供电组件包括设置在地面的直流逆变器以及与所述无人机连接的电源模组；
所述直流逆变器与外接电源电连接，所述直流逆变器通过所述系留绳缆向所述电源模组传输电能。
8.一种定位方法，应用于定位系统中，以对无人机进行定位，所述定位系统包括系留绳缆、第一力传感模块及第二力传感模块；所述系留绳缆包括与无人机连接的自由端以及用于设置在地面的地面端；所述第一力传感模块及所述第二力传感模块分别设置在所述地面端及所述自由端；其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：
接收所述第一力传感模块输出的所述地面端的张力大小及张力方向的第一信号，以及接收所述第二力传感模块输出的所述自由端的拉力大小及拉力方向的第二信号；
根据所述第一信号以及所述第二信号，对所述自由端的拉力大小进行矫正，输出表征所述无人机位置的信号。
9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于：
所述对所述自由端的拉力大小进行矫正包括：
根据所述第一信号及所述第二信号，得出所述地面端的张力及所述自由端的拉力，以及所述地面端的张力与所述自由端的拉力水平分量的均值；
T′＝(T1cosθs+T0)/2，a′＝T′/γ；
T0为所述地面端的张力，T1为所述自由端的拉力，T′为拉力水平分量的均值。
10.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于：
所述输出表征所述无人机位置的信号包括：
以所述地面端为原点建立笛卡尔坐标系；
根据所述系留绳缆的长度、所述无人机的俯仰角度、所述系留绳缆的质量、绕线机的方位角及所述自由端的拉力建立悬链线模型，计算出所述无人机的位置，并输出表征所述无人机位置的信号；
所述悬链线模型包括以下等式：
Figure FDA0002326660940000041
θs为所述无人机的俯仰角度，Ls为所述系留绳缆的长度。
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