CN111812583A - 一种无人机群定位系统和定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了提供一种无人机群定位系统和定位方法，能够在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方进行定位导航。在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方，有多个无人机在里面飞行，构成一个无人机群。无人机群中在定位导航中有一个无人机作为领队，可向其他无人机发射信号告知其行走方向，以控制对队形，指定定位无人机和辅助定位无人机。其中，每个无人机上均携带有无信息的标签，无人机在飞行过程中在相应位置贴上标签，贴标签的同时赋予标签位置信息并将此处标签的位置信息返回给系统以便于后续定位导航。本发明的优点在于：可以隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方实现自动定位导航，保障了人身安全，实现了精准导航。

Description

一种无人机群定位系统和定位方法
技术领域
本发明涉及无人机群定位系统和定位方法，属于无人机技术领域。
背景技术
目前，国内外的定位系统大多基于卫星导航系统，如常用的GPS系统，所采用的定位技术通常为到达时间差(TDOA)定位技术，该技术能够有效的减少障碍物对定位精度的影响。然而，在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方，导航系统定位不准确，因此在这些特殊环境中常采用人工检测定位、半自动化的仪器检测定位等几种技术，其中，人工检测由于隧道日常运营只能有两三个小时的检测时间，这导致了人工检测的线路都很短；半自动化的仪器检测由于要在隧道生产时就需要预理检测传感器，同时在隧道运营时架设专门的通讯设备才可以进行，况且预理传感器成活率都不是很高，而且安装传感器时有些地方并不安全，可能会对人有伤害。
常用的单个无人机定位系统采用标签用于辅助定位，如专利CN106197422B基于已经贴好的辅助二维标签，采用相机对标签进行图像处理实现无人机定位，该方法成本高，且二维标签需要事先贴好，浪费人力、物力、财力，且在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方人工贴标签不安全。专利CN110632937A则是在通过在输油管道上等距设置检测标签以对无人机进行定位。专利CN110446159A采用事先贴好的标签与辅助的视觉系统相结合的方式实现无人机定位。同样的需要预设8个锚点的情况也存在于采用TDOA定位技术对无人机群进行定位的专利CN108445914中。目前，还没有无人机群可以一边飞行一边自动贴标签以辅助自己定位的系统，实现真正意义上的无人机群在复杂环境下的自主定位飞行。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种无人机群定位系统和定位方法，能够在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方进行定位导航。在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方，有多个无人机在里面飞行，构成一个无人机群，其中，每个无人机上均携带有无信息的标签，无人机在飞行过程中于相应位置贴上标签，贴标签的同时赋予标签位置信息并将此处标签的位置信息反馈给系统以便于后续定位导航。
该无人机群定位系统包括无人机群，所述的无人机群中在定位导航中有一个领航无人机，负责向其他无人机发射信号告知其行走方向和队形，同时还需要指定定位无人机和辅助定位无人机。
每个无人机除含有飞行功能的模块外，还含有射频读写模块、边缘计算模块、数据库、卫星定位模块、通讯模块、避障模块和图像识别模块、自动贴电子标签模块；
所述的自动贴电子标签模块可携带和安装电子标签可携带和安装电子标签；
所述的电子标签携带有唯一的身份识别信息；
所述的射频读写模块基于UWB技术用于接收电子标签发射的验证信息并将该信息传输给边缘计算模块；
所述的通讯模块负责无人机之间的通讯；
所述数据库用于存储电子标签所对应的坐标位置信息；
所述的边缘计算模块用于查找数据库中对应的电子标签的位置坐标信息，并计算无人机的实时位置；
所述的卫星定位模块用于无人机初始位置的定位，以及初始时刻电子标签坐标位置的定位；
所述的避障模块和图像识别模块用于无人机飞行路径的规划以及安装电子标签位置的选取。
所述的定位无人机能够进行自身定位计算并推导出其他无人机定位并实时的共享给所有无人机的数据库，满足任意时刻电子标签和辅助定位无人机至少有三个的信号范围覆盖定位无人机实时坐标位置，且其中电子标签数量大于等于一个；所述的辅助定位无人机为协助定位无人机定位进行悬停控制的无人机。
无人机群定位方法包括如下步骤：
(1)利用卫星定位技术，通过人工或者无人机预先固定安装的位置坐标已知的电子标签，并获取所有无人机初始坐标位置；
(2)领航无人机开始引领无人机群按队形飞行，所有无人机飞行进入电子标签的信号范围后，射频读写模块识别区域的磁场使得电子标签产生感应电流，并通过电子标签的芯片将信号发射给射频读写模块；
(3)领航无人机每隔一定时间，通过通讯获取其他无人机接收电子标签信号的信息，并指定无人机群众接收到电子标签信号最强的无人机作为定位无人机，再根据定位精度、通讯和队形要求的需求，按照与定位无人机距离由远到近的策略指定一定数量的无人机悬停在空中作为辅助定位无人机；
(4)定位无人机的射频读写模块或通讯模块收到三个及以上的电子标签信号和辅助定位无人机信号后，将信号强度、信号收发的绝对时间差以及对应的电子标签信息输入给边缘计算模块；
(5)边缘计算模块访问数据库获取对应电子标签坐标位置信息；
(6)边缘计算模块接收到数据库的电子标签坐标位置信息后，并利用TDOA定位和场强法方法得出定位无人机坐标位置，并进一步利用场强法计算出其他无人机的坐标位置；
(7)判断无人机群中任一无人机的电子标签信号强度是否衰减到阈值，如果是，对应的无人机利用避障模块和图像识别模块选取合适位置并飞抵，同时通知领航无人机控制其他无人机悬停等待该无人机返航，在新位置上安装一个新的电子标签，将该电子标签的身份识别信息以及坐标位置信息记录到数据库；如果否，返回步骤(2)，直到无人机群飞行到达指定区域或完成飞行任务。
所述的定位方法根据电子标签的数量来决定，当电子标签数量大于等于两个时，采用TDOA定位方法计算电子标签的位置；当电子标签数量少于两个时或无人机间的定位，则采用场强法；然后采用最小二乘法拟合求解方程组，选取距离无人机上一时刻位置最近的解作为无人机当前时刻坐标位置。
所述TDOA定位方法是通过计算出射频读写模块到每两个电子标签的绝对时间差距离，计算方法如下；
Figure BSA0000212749740000031
其中，i、j为电子标签的编号且i≠j，ti为射频读写模块发出信号到接收第i个电子标签信号的时间差，c为光速；(xi，yi，zi)为第i个电子标签的坐标位置。
所述的场强法是通过射频读写模块或通讯模块分别接收到单个电子标签或无人机的信号强度计算出直线距离，计算方法如下：
Ri＝-Ai+10·ni·lg(di) (2)
Figure BSA0000212749740000032
Ri为第i个无人机接收到的信号强度值，Ai和ni为信号传播参数；di为第i个无人机与标签的距离；(xi，yi，zi)为第i个电子标签或辅助定位无人机的坐标位置。
有益效果；
本发明通过定位无人机和辅助定位无人机技术降低了定位精度误差，降低了电子标签数量和成本，同时可以根据定位精度需求以及飞行路径的规划选取合适的位置加装定位电子标签，提高无人机群定位精度，可以隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方实现无人机群的自动定位导航，保障了人身安全，实现了精准导航。
附图说明
图1为本发明定位系统的结构示意图；其中，1为已安装的电子标签，2为定位无人机，3为辅助定位无人机，4为新需安装的电子标签位置，圆环为电子标签信号覆盖范围。
图2为本发明实施例定位方法的流程图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。具体技术方案如下：
本发明公开了提供一种无人机群定位系统和定位方法，能够在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方进行定位导航。在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方，有多个无人机在里面飞行，构成一个无人机群，其中，每个无人机上均携带有无信息的标签，无人机在飞行过程中在相应位置贴上标签，贴标签的同时赋予标签位置信息并将此处标签的位置信息返回给系统以便于后续定位导航。
该无人机群定位系统包括无人机群，所述的无人机群中在定位导航中有一个领航无人机，负责向其他无人机发射信号告知其行走方向和队形，同时还需要指定定位无人机和辅助定位无人机。
每个无人机除含有飞行功能的模块外，还含有射频读写模块、边缘计算模块、数据库、卫星定位模块、通讯模块、避障模块和图像识别模块、自动贴电子标签模块。
所述的自动贴电子标签模块可携带和安装电子标签可携带和安装电子标签；
所述的电子标签携带有唯一的身份识别信息；
所述的射频读写模块基于UWB技术用于接收电子标签发射的验证信息并将该信息传输给边缘计算模块；
所述的通讯模块负责无人机之间的通讯；
所述数据库用于存储电子标签所对应的坐标位置信息；
所述的边缘计算模块用于查找数据库中对应的电子标签的位置坐标信息，并计算无人机的实时位置；
所述的卫星定位模块用于无人机初始位置的定位，以及初始时刻电子标签坐标位置的定位；
所述的避障模块和图像识别模块用于无人机飞行路径的规划以及安装电子标签位置的选取。
无人机群定位方法包括如下步骤：
(1)初始时刻，利用卫星定位技术，通过人工方式在隧道或者洞穴附近GPS信号衰减接近阈值的地方预先固定安装一个或一个以上的位置坐标已知的电子标签并将电子标签信息存储到无人机数据库中，无人机群通过各自的GPS定位每个无人机的初始坐标位置；
(2)无人机起飞，利用避障模块和图像识别模块并根据路径规划程序，领航无人机开始引领无人机群按队形朝目标位置飞行进入隧道或者洞穴；
(3)当无人机进入洞穴或者隧道后判断每一个无人机的GPS信号强度是否衰减到阈值，如果其中有一个无人机GPS信号强度衰减到阈值，则进行步骤(4)；如果否，则返回步骤(2)，直到飞行到达指定位置或完成飞行任务；
(4)所有无人机射频读写模块按照领航无人机通讯指令，每隔一定间隔时间后发射UWB信号，飞行进入电子标签的信号范围后，射频读写模块识别区域的磁场使得电子标签产生感应电流，并通过电子标签的芯片将信号发射给对应的射频读写模块；
(5)领航无人机通过通讯获取其他无人机接收电子标签信号的信息，并指定无人机群众接收到电子标签信号最强的无人机作为定位无人机，再根据定位精度、通讯和队形要求的需求，按照与定位无人机距离由远到近的策略指定一定数量的无人机悬停在空中作为辅助定位无人机；
(6)定位无人机的射频读写模块或通讯模块收到三个及以上的电子标签信号和辅助定位无人机信号后，将信号强度、信号收发的绝对时间差以及对应的电子标签信息输入给边缘计算模块；
(7)定位无人机边缘计算模块访问数据库获取对应电子标签坐标位置信息；
(8)定位无人机边缘计算模块接收到数据库的电子标签坐标位置信息后，剔除其中不合理数据，保留至少三个坐标位置信息，并利用TDOA定位和场强法方法得出定位无人机坐标位置，并进一步利用场强法计算出其他无人机的坐标位置；
(9)判断无人机群中任一无人机的电子标签信号强度是否衰减到阈值，如果是，对应的无人机利用避障模块和图像识别模块选取合适位置并飞抵，同时通知领航无人机控制其他无人机悬停等待该无人机返航，在新位置上安装一个新的电子标签，将该电子标签的身份识别信息以及坐标位置信息记录到数据库；如果否，返回步骤(2)，直到无人机群飞行到达指定区域或完成飞行任务。
所述的定位方法根据电子标签的数量来决定，当电子标签数量大于等于两个时，采用TDOA定位方法计算电子标签的位置；当电子标签数量少于两个时或无人机间的定位，则采用场强法；然后采用最小二乘法拟合求解方程组，选取距离无人机上一时刻位置最近的解作为无人机当前时刻坐标位置。
所述TDOA定位方法是通过计算出射频读写模块到每两个电子标签的绝对时间差距离，计算方法如下：
Figure BSA0000212749740000051
其中，i、j为电子标签的编号且i≠j，ti为射频读写模块发出信号到按收第i个电子标签信号的时间差，c为光速；(xi，yi，zi)为第i个电子标签的坐标位置。
所述的场强法是通过射频读写模块或通讯模块分别接收到单个电子标签或无人机的信号强度计算出直线距离，计算方法如下：
Ri＝-Ai+10·ni·lg(di) (2)
Figure BSA0000212749740000052
Ri为第i个无人机接收到的信号强度值，Ai和ni为信号传播参数；di为第i个无人机与标签的距离；(xi，yi，zi)为第i个电子标签或辅助定位无人机的坐标位置。
本发明通过无人机在飞行过程中贴标签可以隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方实现自动定位导航，保障了人身安全，提高效率。特别需要说明的是，电子标签能够有效的降低辅助定位无人机在悬停过程中出现的位置波动误差，在定位精度要求较高的应用中，应大量使用电子标签；同时，相同电子标签数量的情况下，无人机群数量越多，定位精度越高。
本发明不限于上述实施例，对于本领域技术人员来说，对本发明的上述实施例所做出的任何改进或变更都不会超出仅以举例的方式示出的本发明的实施例和所附权利要求的保护范围，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

Claims (5)

1.一种无人机群定位系统，该无人机定位系统包括无人机群，其特征在于，无人机群中在定位导航中有一个领航无人机，负责向其他无人机发射信号告知其行走方向和队形，同时还需要指定定位无人机和辅助定位无人机；每一个所述的无人机除含有飞行功能的模块外，还含有射频读写模块、边缘计算模块、数据库、卫星定位模块、通讯模块、避障模块和图像识别模块、自动贴电子标签模块；
所述的自动贴电子标签模块可携带和安装电子标签可携带和安装电子标签；
所述的电子标签携带有唯一的身份识别信息；
所述的射频读写模块基于UWB技术用于接收电子标签发射的验证信息并将该信息传输给边缘计算模块；
所述的通讯模块负责无人机之间的通讯；
所述数据库用于存储电子标签所对应的坐标位置信息；
所述的边缘计算模块用于查找数据库中对应的电子标签的位置坐标信息，并计算无人机的实时位置；
所述的卫星定位模块用于无人机初始位置的定位，以及初始时刻电子标签坐标位置的定位；
所述的避障模块和图像识别模块用于无人机飞行路径的规划以及安装电子标签位置的选取。
2.根据权利要求1所述的基于射频识别的无人机定位系统，其特征在于，所述的定位无人机能够进行自身定位计算并推导出其他无人机定位并实时的共享给所有无人机的数据库，满足任意时刻电子标签和辅助定位无人机至少有三个的信号范围覆盖定位无人机实时坐标位置，且其中电子标签数量大于等于一个；所述的辅助定位无人机为协助定位无人机定位进行悬停控制的无人机。
3.应用于上述任一项权利要求的无人机群定位方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)利用卫星定位技术，通过人工或者无人机预先固定安装的位置坐标已知的电子标签，并获取所有无人机初始坐标位置；
(2)领航无人机开始引领无人机群按队形飞行，所有无人机飞行进入电子标签的信号范围后，射频读写模块识别区域的磁场使得电子标签产生感应电流，并通过电子标签的芯片将信号发射给射频读写模块；
(3)领航无人机每隔一定时间，通过通讯获取其他无人机接收电子标签信号的信息，并指定无人机群众接收到电子标签信号最强的无人机作为定位无人机，再根据定位精度、通讯和队形要求的需求，按照与定位无人机距离由远到近的策略指定一定数量的无人机悬停在空中作为辅助定位无人机；
(4)定位无人机的射频读写模块或通讯模块收到三个及以上的电子标签信号和辅助定位无人机信号后，将信号强度、信号收发的绝对时间差以及对应的电子标签信息输入给边缘计算模块；
(5)边缘计算模块访问数据库获取对应电子标签坐标位置信息；
(6)边缘计算模块接收到数据库的电子标签坐标位置信息后，并利用TDOA定位和场强法方法得出定位无人机坐标位置，并进一步利用场强法计算出其他无人机的坐标位置；
(7)当无人机群中任一无人机的电子标签信号强度衰减到阈值时，该无人机利用避障模块和图像识别模块选取合适位置并飞抵，同时通知领航无人机控制其他无人机悬停等待该无人机返航，在新位置上安装一个新的电子标签，将该电子标签的身份识别信息以及坐标位置信息记录到数据库。
4.根据权利要求3所述的无人机群定位方法，其特征在于，所述的定位方法根据电子标签的数量来决定，当电子标签数量大于等于两个时，采用TDOA定位方法计算电子标签的位置；当电子标签数量少于两个时或无人机间的定位，则采用场强法；然后采用最小二乘法拟合求解方程组，选取距离无人机上一时刻位置最近的解作为无人机当前时刻坐标位置。
5.根据权利要求3所述的无人机群定位方法，其特征在于，所述TDOA定位方法是通过计算出射频读写模块到每两个电子标签的绝对时间差距离，计算方法如下：
Figure FSA0000212749730000021
其中，i、j为电子标签的编号且i≠j，ti为射频读写模块发出信号到接收第i个电子标签信号的时间差，c为光速；(xi，yi，zi)为第i个电子标签的坐标位置；
所述的场强法是通过射频读写模块或通讯模块分别接收到单个电子标签或无人机的信号强度计算出直线距离，计算方法如下：
Ri＝-Ai+10·ni·lg(di) (2)
Figure FSA0000212749730000022
Ri为第i个无人机接收到的信号强度值，Ai和ni为信号传播参数；di为第i个无人机与标签的距离；(xi，yi，zi)为第i个电子标签或辅助定位无人机的坐标位置。
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