CN111901031A - 车载无人机自组网增强系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载无人机自组网增强系统，应用于车载装置和无人机之间的连接通讯，包括配对系统，计算系统和调整系统，配对系统、计算系统和调整系统三者电性相连，配对系统将车载装置和无人机进行配对连接，计算系统获取无人机和车载装置的坐标值，根据两者之间的实际坐标进行距离和角度的计算，并将相关的结果信息传输至调整系统内，调整系统接收结果信息后面对信号天线的角度进行调整，并且调整信号强度，使得车载装置和无人机之间建立稳定连接；本发明通过特殊的方式使得无人机和车载系统的信号天线都处于同一条直线上，从而可有效降低信号的损失，确保数据传输的稳定性。

Description

车载无人机自组网增强系统
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种车载无人机自组网增强系统。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，目前在航拍、农业、植保、自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。无人机具有机动灵活、反应速度快及对操作要求低等优点；例如在无人机上装载摄像头及各类传感器，可以对高危地区的影像进行实时拍摄和传输。
在无人机在执行任务时，地形阻挡、多径效应、频率选择性衰落和输电线路强电磁干扰等因素会对原有无人机通信链路产生限制，为克服这些限制，现有技术是需要增加一定数量的中继设备，最后实现测控数据及机载图像的超视距、远距离传输。一般的无人机数据链路通信中继机载装置，通过采用单线接收外部信号并对所述外部信号进行信息处理加强后发送出去完成通信中继，这种单线接收外部信号的方式，对于信号的接收往往不够强，经处理后的信号发送绕射能力不够强，容易引起无人机数据链路通信中继机载装置本身性能不够稳定的问题。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种车载无人机自组网增强系统，通过特殊的方式使得无人机和车载系统的信号天线都处于同一条直线上，从而可有效降低信号的损失，确保数据传输的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供一种车载无人机自组网增强系统，应用于车载装置和无人机之间的连接通讯，包括配对系统，计算系统和调整系统，所述配对系统、计算系统和调整系统三者电性相连，所述配对系统将车载装置和无人机进行配对连接，所述计算系统获取无人机和车载装置的坐标值，根据两者之间的实际坐标进行距离和角度的计算，并将相关的结果信息传输至调整系统内，所述调整系统接收结果信息后面对信号天线的角度进行调整，并且调整信号强度，使得车载装置和无人机之间建立稳定连接。
作为优选，所述配对系统包括第一配对单元和第二配对单元，第一配对单元安装在车载装置内，第二配对单元安装在无人机内；无人机和车载装置进行连接后，所述第一配对单元将含有信号接收频段的识别码发送至所述第二配对单元，所述第二单元接收识别码后反馈调整系统，从而使得第一配对单元和第二配对单元采用该频段的信号进行通讯。
作为优选，所述第一配对单元接收识别码后，利用调整系统中的频段调整单元对车载装置内的频段进行调整，将信号发送频段调整至无人机的信号接收频段，调整完毕后将反馈指令传输至无人机。
作为优选，所述计算系统不仅包括频段调整单元，还包括坐标转换单元，坐标建立单元和数据处理单元，所述坐标转换单元用于实现坐标的统一，将不同的坐标系数据进行转化从而使得所有的位置信息都处于同一个坐标系中；所述坐标建立单元以车载装置作为坐标原点进行全新的空间坐标系，所述数据处理单元将原有的数据进行计算，最终计算得到无人机与车载装置之间的倾斜角和方位角。
作为优选，所述坐标转化单元用于将GPS坐标系转化为地心直角坐标系，以
Figure BDA0002612938590000021
作为地心测量的纬度，
Figure BDA0002612938590000022
为大地测量学的纬度，λ为经度，h为椭球体高程，将无人机的GPS坐标系(GCF)的相关数值转换为地心直角坐标系(ECEF)，坐标r＝(x,y,z)T的转换方程为
e2＝f(2-f)
Figure BDA0002612938590000031
Figure BDA0002612938590000032
其中a是地球近似基准椭圆的长半轴，f是地球近似基准椭圆的扁率，在计算式，a＝6378137.0，f＝1.0/298.257223563。
作为优选，所述坐标建立单元车载系统作为原点建立EUN坐标系，Z轴指向天，Y轴指向北，X轴指向东，从ECEF转换为EUN坐标的转换矩阵为
Figure BDA0002612938590000033
作为优选，所述数据处理单元对无人机和车载系统之间的方位角和倾斜角的测量方程如下
Figure BDA0002612938590000034
Figure BDA0002612938590000035
Figure BDA0002612938590000036
其中es r是ECEF坐标系中从无人机到车载系统的单位向量，Er是从ECEF坐标系到车载系统所在的EUN坐标系转化矩阵。
作为优选，所述调整系统包括角度调整单元和信号强度调整单元，所述角度调整单元按照数据处理单元计算得到的方位角和倾斜角对车载装置和无人机进行角度调整，从而使得两者的信号天线处于同一条直线上。
作为优选，所述信号强度调整单元根据数据处理单元计算得到的无人机和车载装置之间的距离信息，按照公式PR＝PT/rn对自身发出的信号进行调整，保证无人机和车载装置接收功率保持不变。
本发明的有益效果是：本申请通过特殊的算法以及坐标系的转换从而将无人机的坐标转换为以车载系统作为原点的空间坐标系，从而得到无人机和车载系统之间的方位角和倾斜角，这样在进行信号天线的角度调节时，能够确保车载系统和无人机系统的信号天线始终位于同一条直线上，且调整过程中更加简单方便；在进行信号传输时，为了确保信息传输的稳定性，特别还对车载系统和无人机之间的距离进行监测，使得无人机的接收功率始终保持一致。
附图说明
图1为本申请的模块连接示意图；
图2为本申请的角度测量示意图。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
请参阅图1至图2，本发明公开了一种车载无人机自组网增强系统，应用于车载装置和无人机之间的连接通讯，包括配对系统，计算系统和调整系统，配对系统、计算系统和调整系统三者电性相连，配对系统将车载装置和无人机进行配对连接，计算系统获取无人机和车载装置的坐标值，根据两者之间的实际坐标进行距离和角度的计算，并将相关的结果信息传输至调整系统内，调整系统接收结果信息后面对信号天线的角度进行调整，并且调整信号强度，使得车载装置和无人机之间建立稳定连接。众所周知，两点之间直线最短，基于这一点应用在无人机和车载装置上，就能确保无人机和车载装置之间在进行传输时能够更加稳定，现有的信号天线采用的技术方案在信号天线上设置多个不同角度、不同方向的信息接收/发射器，能接收/发射不同方向上的信号，从而确保信号接收的稳定性，成产的成本会大大提高，对于车载无人机来说，进行信息传输的稳定性是必须要保证的，而且由于在使用的时候会一定程度上受到环境的干扰，如果采用现有的信号天线进行工作，很大程度上就需要增大信号的发射功率才能作用到无人机上，但是这样做就会提高能源的损耗，同时对设备的需求也更高，因此为了解决这个问题，本申请采用一种全新的技术方案，使得车载装置和无人机的信号天线始终处于同一条直线上，这样在进行信号传输时只需在该方向上安装一个信号增强装置，其他方向无需增加信号源，从而在降低生产成本的同时有效增强了无人机和车载装置的信号强度。
配对系统包括第一配对单元和第二配对单元，第一配对单元安装在车载装置内，第二配对单元安装在无人机内；无人机和车载装置进行连接后，第一配对单元将含有信号接收频段的识别码发送至所述第二配对单元，第二单元接收识别码后反馈调整系统，从而使得第一配对单元和第二配对单元采用该频段的信号进行通讯；第一配对单元接收识别码后，利用调整系统中的频段调整单元对车载装置内的频段进行调整，将信号发送频段调整至无人机的信号接收频段，调整完毕后将反馈指令传输至无人机，在本实施例中，为了确保连接的稳定性，需要将无人机和车载装置进行一一配对，从而保证信号传输的时候不会出现串流，确立了使用时的稳定性，例如无人机和车载装置采用电磁波进行连接，由于电磁波具有很宽的波段，哪怕是用于雷达或者其他通讯系统的波长范围也从1米到0.1厘米，在这么宽泛的波段范围下，选择一个合适的波长是特别有必要的，从而能有效和其他的无人机进行有效区分，防止串流；即使在相同的频段，无人机和车载装置在进行配对时还采用识别码进行配对，更为具体的是无人机将自身的频段信息结合配对码利用第一配对单元发送至车载装置中，车载装置接受配对码和相应的频段信息后，使用频段调整单元的发射频段进行调整，调整完毕后参数反馈码通过第二配对单元作用于无人机，从而确保两者在同一频段下进行信息交互，且每次信息交互时都包含有配对码和反馈码，从而保证不穿流。
调整系统不仅包括频段调整单元，还包括坐标转换单元，坐标建立单元和数据处理单元，坐标转换单元用于实现坐标的统一，将不同的坐标系数据进行转化从而使得所有的位置信息都处于同一个坐标系中；坐标建立单元以车载装置作为坐标原点进行全新的空间坐标系，数据处理单元将原有的数据进行计算，最终计算得到无人机与车载装置之间的倾斜角和方位角，更为具体的是，坐标转化单元用于将GPS 坐标系转化为地心直角坐标系，以
Figure BDA0002612938590000061
作为地心测量的纬度，
Figure BDA0002612938590000062
为大地测量学的纬度，λ为经度，h为椭球体高程，将无人机的GPS坐标系（GCF）的相关数值转换为地心直角坐标系（ECEF），坐标 r=(x,y,z)T的转换方程为
e2＝f(2-f)
Figure BDA0002612938590000063
Figure BDA0002612938590000064
其中a是地球近似基准椭圆的长半轴，f是地球近似基准椭圆的扁率，在计算式，a=6378137.0，f=1.0/298.257223563。坐标建立单元车载系统作为原点建立EUN坐标系，Z轴指向天，Y轴指向北，X 轴指向东，从ECEF转换为EUN坐标的转换矩阵为
Figure BDA0002612938590000071
数据处理单元对无人机和车载系统之间的方位角和倾斜角的测量方程如下
Figure BDA0002612938590000072
Figure BDA0002612938590000073
Figure BDA0002612938590000074
其中es r是ECEF坐标系中从无人机到车载系统的单位向量，Er是从ECEF坐标系到车载系统所在的EUN坐标系转化矩阵；对于无人机，常见的定位方式是采用GPS进行定位，了解无人机的经纬度和高度，而对于车载系统来说，一般采用的是ECEF(地心地固坐标系)，确定车载系统的经纬度即可，而GPS采用的是WGS84坐标计算，因为地球是一个椭圆体结构，并不是一个完整的圆球形结构，因此如果采用 GPS数据进行计算时，会存在一定程度的误差，为了降低这种误差，就需要进行坐标转换，进行转换后，使得都能达到同一个坐标系中；因为本申请的最终目的是为了让两者的信号天线能处于同一条直线上，在对信号天线进行调整时，需要了解偏转角，因此以车载系统作为坐标原点，建立一个新的坐标系，然后对无人机的坐标进行转化，从而计算得到偏转角和方位角，获知无人机处于车载系统的哪个方位，这样车载系统在进行信号天线的角度调整时，就能快速进行调节，例如方位角为NS30度，偏转角为60度就代表无人机位于车载系统的北偏东30度，与水平线的夹角为60度的方向上，从而车载系统就能快速对信号天线进行调节，同理，无人机也对自身的信号天线进行调整，使得信号天线位于无人机西偏南60度，与水平线夹角为30度的方向上，这样就能使得两者的信号天线位于同一条直线上。
调整系统包括角度调整单元和信号强度调整单元，角度调整单元按照数据处理单元计算得到的方位角和倾斜角对车载装置和无人机进行角度调整，从而使得两者的信号天线处于同一条直线上；信号强度调整单元根据数据处理单元计算得到的无人机和车载装置之间的距离信息，按照公式PR＝PT/rn对自身发出的信号进行调整，保证无人机和车载装置接收功率保持不变。
以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种车载无人机自组网增强系统，其特征在于，应用于车载装置和无人机之间的连接通讯，包括配对系统，计算系统和调整系统，所述配对系统、计算系统和调整系统三者电性相连，所述配对系统将车载装置和无人机进行配对连接，所述计算系统获取无人机和车载装置的坐标值，根据两者之间的实际坐标进行距离和角度的计算，并将相关的结果信息传输至调整系统内，所述调整系统接收结果信息后面对信号天线的角度进行调整，并且调整信号强度，使得车载装置和无人机之间建立稳定连接。
2.根据权利要求1所述的车载无人机自组网增强系统，其特征在于，所述配对系统包括第一配对单元和第二配对单元，第一配对单元安装在车载装置内，第二配对单元安装在无人机内；无人机和车载装置进行连接后，所述第一配对单元将含有信号接收频段的识别码发送至所述第二配对单元，所述第二单元接收识别码后反馈调整系统，从而使得第一配对单元和第二配对单元采用该频段的信号进行通讯。
3.根据权利要求2所述的车载无人机自组网增强系统，其特征在于，所述第一配对单元接收识别码后，利用调整系统中的频段调整单元对车载装置内的频段进行调整，将信号发送频段调整至无人机的信号接收频段，调整完毕后将反馈指令传输至无人机。
4.根据权利要求1所述的车载无人机自组网增强系统，其特征在于，所述计算系统不仅包括频段调整单元，还包括坐标转换单元，坐标建立单元和数据处理单元，所述坐标转换单元用于实现坐标的统一，将不同的坐标系数据进行转化从而使得所有的位置信息都处于同一个坐标系中；所述坐标建立单元以车载装置作为坐标原点进行全新的空间坐标系，所述数据处理单元将原有的数据进行计算，最终计算得到无人机与车载装置之间的倾斜角和方位角。
5.根据权利要求4所述的车载无人机自组网增强系统，其特征在于，所述坐标转化单元用于将GPS坐标系转化为地心直角坐标系，以
Figure FDA0002612938580000011
作为地心测量的纬度，
Figure FDA0002612938580000012
为大地测量学的纬度，λ为经度，h为椭球体高程，将无人机的GPS坐标系(GCF)的相关数值转换为地心直角坐标系(ECEF)，坐标r＝(x,y,z)T的转换方程为
e2＝f(2-f)
Figure FDA0002612938580000021
Figure FDA0002612938580000022
其中a是地球近似基准椭圆的长半轴，f是地球近似基准椭圆的扁率，在计算式，a＝6378137.0，f＝1.0/298.257223563。
6.根据权利要求4所述的车载无人机自组网增强系统，其特征在于，所述坐标建立单元车载系统作为原点建立EUN坐标系，Z轴指向天，Y轴指向北，X轴指向东，从ECEF转换为EUN坐标的转换矩阵为：
Figure FDA0002612938580000023
7.根据权利要求4所述的车载无人机自组网增强系统，其特征在于，所述数据处理单元对无人机和车载系统之间的方位角和倾斜角的测量方程如下
Figure FDA0002612938580000031
Figure FDA0002612938580000032
Figure FDA0002612938580000033
其中es r是ECEF坐标系中从无人机到车载系统的单位向量，Er是从ECEF坐标系到车载系统所在的EUN坐标系转化矩阵。
8.根据权利要求1所述的车载无人机自组网增强系统，其特征在于，所述调整系统包括角度调整单元和信号强度调整单元，所述角度调整单元按照数据处理单元计算得到的方位角和倾斜角对车载装置和无人机进行角度调整，从而使得两者的信号天线处于同一条直线上。
9.根据权利要求8所述的车载无人机自组网增强系统，其特征在于，所述信号强度调整单元根据数据处理单元计算得到的无人机和车载装置之间的距离信息，按照公式PR＝PT/rn对自身发出的信号进行调整，保证无人机和车载装置接收功率保持不变。
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