CN111239788A - 一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统及其方法 - Google Patents

一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统及其方法，具体包括:确定架设在桥梁底部边缘处的多个超宽带UWB基站的坐标系；通过无人机搭载的UWB移动站实时获取与多个所述超宽带UWB基站间的距离并间接计算出无人机所处的水平位置坐标；通过融合毫米波雷达确定无人机高度位置坐标；将无人机的位置信息以NMEA协议的格式嵌入到飞控系统中。本发明通过在桥梁底部边缘上安装超宽带UWB基站进而间接的确定无人机水平位置坐标，通过无人机上安装毫米波雷达确定无人机高度位置坐标，然后将无人机定位信息嵌入飞控系统内，完美的解决了无人机在桥梁底部无法精确定位的问题，通过航线规划使无人机在桥梁底部自主飞行，从而对桥梁进行全方位的检测。

Description

一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统及其方法
技术领域
本发明涉及无人机桥梁自主检测技术领域，具体涉及一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统及其方法。
背景技术
随着无人机技术的不断进步，无人机用于桥梁检测的报道时有出现。检测过程通常由两名技术人员手动配合完成无人机的飞行和拍摄，再对获取到的数据进行处理。而采用人工飞行进行桥梁检测存在诸多问题：1、在抵近观察时，飞行员近距离长时间观看视频会产生眩晕感；2、飞行员和无人机距离较远时，无人机易与天空等背景形成融合，无法有效的对飞行状况进行监控；3、飞行位置与观察部件的距离无法进行有效地把控，无法对裂缝进行定量分析。而造成上述诸多问题的主要原因是因为无人机无法在桥梁检测中进行有效的航线规划和自主导航。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统及其方法，通过航线规划使无人机在桥梁底部进行自主飞行，从而对桥梁进行全方位的检测，提高检测效率，保证人员安全。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统，包括多个架设在桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站和一个安装在无人机上的超宽带UWB移动站；安装在无人机上的超宽带UWB移动站站与多个架设在所述桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站进行通信连接；在所述桥梁上安装有差分定位RTK设备，在无人机的底部安装有毫米波雷达。
作为本发明实施例的优选，所述超宽带UWB基站通过安装组件架设在桥梁底部边缘处，所述安装组件包括夹紧器、伸缩杆和安装板，所述夹紧器夹在桥梁护栏上，所述伸缩杆一端与夹紧器相连接，另一端与安装板相连接；所述超宽带UWB基站固定安装在安装板上。
作为本发明实施例的优选，多个架设在桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站设置在同一水平高度上。
作为本发明实施例的优选，架设在桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站为四个，其中之一的超宽带UWB基站作为备用基站。
本发明实施例还提供一种用于桥梁检测的无人机自主定位方法，具体包括:
(1)确定架设在桥梁底部边缘处的多个超宽带UWB基站的坐标系；
(2)通过架设在桥梁底部边缘处的多个超宽带UWB基站的坐标系间接算出无人机所处的水平位置坐标；
(3)通过融合毫米波雷达确定无人机高度位置坐标；
(4)将无人机的位置信息以NMEA协议的格式嵌入到飞控系统中。
在本实施例中，确定架设在桥梁底部边缘处的多个超宽带UWB基站的坐标系的方法为：
S1、用差分定位RTK设备测出每个UWB基站正上方的高精度GPS坐标；
S2、通过测量UWB基站与RTK设备的距离来确定每个UWB基站的高精度GPS坐标；
S3、将GPS坐标转化为笛卡尔坐标系，分别记为(0,0,0),(X1,Y1,0),(X2,Y2,0)和(X3,Y3,0)。
在本实施例中，确定无人机所处的水平位置坐标的方法为：
S1、通过无人机上安装的UWB移动站实时获取无人机到四个所述UWB基站的距离，分别记为L0，L1，L2和L3；
S2、根据四个所述UWB基站的笛卡尔坐标和无人机到四个所述UWB基站的距离解算出无人机所处的水平位置坐标为：
Figure BDA0002014373700000031
Figure BDA0002014373700000032
在本实施例中，确定无人机所处的高度位置坐标的方法为：
S1、通过安装在无人机底部的毫米波雷达在水面上定高，输出无人机距离水面的高度h；
S2、用差分定位RTK设备测出水面高程h0；
S3、得到无人机高度坐标H＝h0+h。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明所述的用于桥梁检测的无人机自主定位系统及其方法，通过在桥梁的底部边缘处设置多个超宽带UWB基站，通过差分定位RTK设备与超宽带UWB基站之间的距离确定每个UWB基站的高精度GPS坐标，再通过无人机上安装的UWB移动站与安装在桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站的距离解算出无人机所处的水平位置坐标，这样解决了无人机因为桥底GPS信号被遮挡，无人机无法确定自身水平位置坐标放入问题；通过融合毫米波雷达技术来确定无人机高度位置坐标，解决了由于桥梁下风大，气流不稳定，无人机无法利用气压计确定自身高度位置坐标的问题。
2、本发明所述的用于桥梁检测的无人机自主定位系统及其方法，通过在桥梁底部边缘上安装超宽带UWB基站的坐标系与无人机上的UWB移动站之间的距离间接的确定无人机水平位置坐标，通过无人机上安装毫米波雷达确定无人机高度位置坐标，然后将无人机定位信息嵌入飞控系统内，完美的解决了无人机在桥梁底部精确定位问题，通过航线规划使无人机在桥梁底部自主飞行，从而对桥梁进行全方位的检测，可以节省检测成本，提高检测效率，保证人员安全。
附图说明
图1为本发明用于桥梁检测的无人机自主定位系统的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、桥梁，2、桥梁护栏，3、超宽带UWB基站，4、夹紧器，5、伸缩杆，6、安装板。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
参见图1所示，本发明实施例提供一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统，具体包括多个架设在桥梁1的底部边缘处的超宽带UWB基站3(在本实施例中，安装在桥梁1的底部边缘处的超宽带UWB基站3为四个，其中一个作为备用基站，当然在实际的使用过程中，可以根据需要增加超宽带UWB基站3的个数)和一个安装在无人机上的超宽带UWB移动站(图中未标示出无人机以及无人机上的超宽带UWB移动站)。在本实施例中，安装在无人机上的UWB移动站与多个架设在桥梁1的底部边缘处的超宽带UWB基站3进行通信连接。在桥梁1上安装有差分定位RTK设备(在本实施例中，可以根据需要安装多个差分定位RTK设备)，在无人机的底部安装有毫米波雷达(图中未标示)。
参见图1所示，多个超宽带UWB基站3通过安装组件架设在桥梁1的底部边缘处。在本实施例中，其中，安装组件包括夹紧器4、伸缩杆5和安装板6，夹紧器4夹在桥梁护栏2上，伸缩杆5的一端与夹紧器4相连接，伸缩杆5的另一端与安装板6相连接。将超宽带UWB基站3固定安装在安装板6上(在本实施例中，图1只是展示了其中一个超宽带UWB基站3在桥梁1上的安装示意图，剩余的超宽带UWB基站3的安装方式均与其相同)。通过调整伸缩杆5将安装在桥梁1的底部边缘处的多个超宽带UWB基站3设置在同一水平高度上。
在前面无人机自主定位系统的基础上，本发明实施例还提供一种用于桥梁检测的无人机自主定位方法，其具体包括如下步骤:
步骤一：确定架设在所述桥梁1的底部边缘处的多个超宽带UWB基站3的坐标系：
通过安装在桥梁1的边缘上的差分定位RTK设备(图中未标示)测出每个超宽带UWB基站3与差分定位RTK设备的距离来确定高精度GPS坐标，将GPS坐标转化为笛卡尔坐标系，分别记为(0,0,0),(X1,Y1,0),(X2,Y2,0)和(X3,Y3,0)。在本实施例中，由于安装在桥梁1上的超宽带UWB基站3和差分定位RTK设备均是固定的，所以得到的超宽带UWB基站3的坐标是十分精确的。
步骤二：通过架设在桥梁1的底部边缘处的多个超宽带UWB基站3的坐标系算出无人机所处的水平位置坐标：
通过无人机上安装的UWB移动站实时获取无人机到四个超宽带UWB基站3的距离，分别记为L0，L1，L2和L3，根据四个超宽带UWB基站3的笛卡尔坐标和无人机到四个超宽带UWB基站3的距离解算出无人机所处的水平位置坐标为：
Figure BDA0002014373700000051
Figure BDA0002014373700000052
本发明实施例中，在步骤一和步骤二中，通过差分定位RTK设备与超宽带UWB基站3之间的距离确定每个UWB基站的高精度GPS坐标，再通过无人机上的UWB移动站与安装在桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站的距离解算出无人机所处的水平位置坐标，解决了无人机因为桥底GPS信号被遮挡，无人机无法确定自身水平位置坐标的问题。
步骤三：通过融合毫米波雷达确定无人机高度位置坐标：
通过安装在无人机底部的毫米波雷达(图中未标示)在桥梁下面的水面上定高，输出无人机距离水面的高度h，用差分定位RTK设备测出水面高程h0，这样就得到无人机高度坐标H＝h0+h。在本实施例中，通过融合毫米波雷达技术来确定无人机高度位置坐标，解决了由于桥梁下风大，气流不稳定，无人机无法利用气压计确定自身高度位置坐标部准确的问题。
步骤四：将定位信息嵌入飞控：
将笛卡尔坐标下的无人机的水平和高度坐标转化为GPS地理坐标系，并将位置信息以NMEA协议的格式嵌入到飞控中，最终解决无人机在桥底的精确定位问题。
在本发明中，通过在桥梁1的底部边缘上安装超宽带UWB基站3的坐标系与无人机上的UWB移动站之间的距离间接的确定无人机水平位置坐标，通过无人机上安装毫米波雷达确定无人机高度位置坐标，然后将无人机定位信息嵌入飞控系统内，完美的解决了无人机在桥梁底部精确定位问题，通过航线规划使无人机在桥梁底部自主飞行，从而对桥梁进行全方位的检测，可以节省检测成本，提高检测效率，保证人员安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统，其特征在于：包括多个架设在桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站和一个安装在无人机上的超宽带UWB移动站；安装在无人机上的超宽带UWB移动站与多个架设在所述桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站进行通信连接；在所述桥梁上安装有差分定位RTK设备，在无人机的底部安装有毫米波雷达。
2.根据权利要求1所述用于桥梁检测的无人机自主定位系统，其特征在于：所述超宽带UWB基站通过安装组件架设在桥梁底部边缘处，所述安装组件包括夹紧器、伸缩杆和安装板，所述夹紧器夹在桥梁护栏上，所述伸缩杆一端与夹紧器相连接，另一端与安装板相连接；所述超宽带UWB基站固定安装在安装板上。
3.根据权利要求1所述用于桥梁检测的无人机自主定位系统，其特征在于：多个架设在桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站设置在同一水平高度上。
4.根据权利要求3所述用于桥梁检测的无人机自主定位系统，其特征在于：架设在桥梁底部边缘处的超宽带UWB基站为四个，其中之一所述的超宽带UWB基站作为备用基站。
5.一种用于桥梁检测的无人机自主定位方法，其特征在于包括:
(1)确定架设在桥梁底部边缘处的多个超宽带UWB基站的坐标系；
(2)通过架设在桥梁底部边缘处的多个超宽带UWB基站的坐标系间接算出无人机所处的水平位置坐标；
(3)通过融合毫米波雷达确定无人机高度位置坐标；
(4)将无人机的位置信息以NMEA协议的格式嵌入到飞控系统中。
6.根据权利要求5所述用于桥梁检测的无人机自主定位方法，其特征在于，确定架设在桥梁底部边缘处的多个超宽带UWB基站的坐标系的方法为：
S1、用差分定位RTK设备测出每个超宽带UWB基站正上方的高精度GPS坐标；
S2、通过测量超宽带UWB基站与RTK设备的距离来确定每个超宽带UWB基站的高精度GPS坐标；
S3、将GPS坐标转化为笛卡尔坐标系，分别记为(0,0,0),(X1,Y1,0),(X2,Y2,0)和(X3,Y3,0)。
7.根据权利要求6所述一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统，其特征在于，确定无人机所处的水平位置坐标的方法为：
S1、通过无人机上安装的UWB移动站实时获取无人机到四个所述UWB基站的距离，分别记为L0，L1，L2和L3；
S2、根据四个所述UWB基站的笛卡尔坐标和无人机到四个所述UWB基站的距离解算出无人机所处的水平位置坐标为：
Figure FDA0002014373690000021
Figure FDA0002014373690000022
8.根据权利要求5所述一种用于桥梁检测的无人机自主定位系统，其特征在于，确定无人机所处的高度位置坐标的方法为：
S1、通过安装在无人机底部的毫米波雷达在水面上定高，输出无人机距离水面的高度h；
S2、用差分定位RTK设备测出水面高程h0；
S3、得到无人机高度坐标H＝h0+h。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Li Mingpeng

Inventor before: Chen Mingxiang

Inventor before: Li Mingpeng

TA01 Transfer of patent application right
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Effective date of registration: 20230403

Address after: 430000 Hubei city of Wuhan province Wuchang Luojiashan

Applicant after: WUHAN University

Address before: No.01-01, 13 / F, building A3, phase 4.1, software industrial park, No.1 Guanshan Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430000

Applicant before: WUHAN JIAYING INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
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Application publication date: 20200605