CN112073111A - 车载无人机自组网增强方法 - Google Patents

车载无人机自组网增强方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载无人机自组网增强方法，应用于车载系统和无人机之间的连接通讯，包括以下步骤：S1：车载系统和无人机之间建立配对关系；S2：获取无人机的坐标值和车载系统的坐标值，根据两者的坐标值进行两者之间位置的计算；S3：根据计算结果调整车载系统中发射天线的角度和信号强度，从而使得车载系统和无人机系统建立稳定连接，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方法
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方法。
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方法，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方法，应用于车载系统和无人机之间的连接通讯，包括以下步骤：
S1：车载系统和无人机之间建立配对关系；
S2：获取无人机的坐标值和车载系统的坐标值，根据两者的坐标值进行两者之间位置的计算；
S3：根据计算结果调整车载系统中发射天线的角度和信号强度，从而使得车载系统和无人机系统建立稳定连接。
作为优选，在步骤S1中，车载系统需事先与无人机进行配对连接，从而确保车载系统与无人机建立一一对应关系，更为具体的是车载系统首先和无人机进行有线连接，无人机向车载系统传输含有信号接收频段的识别码，车载系统接收识别码后反馈给无人机，从而建立以该频段的信号实现车载系统与无人机之间的通讯连接。
作为优选，所述车载系统在接收识别码后，对自身的频段进行调整，将信号发送频段调整至无人机的信号接收频段，调整完毕后反馈指令信息至无人机，从而和无人机建立无线连接。
作为优选，在步骤S2中，包含以下步骤：
S21:对于车载系统和无人机的坐标系进行统一；
S22：获取无人机与地面的高度信息；
S23：计算得到无人机的与车载系统的夹角信息以及相应的距离信息。
作为优选，在步骤S21中，通过先将无人机的GPS坐标转换为地心直角坐标系，然后再转换为以车载系统为原点的坐标系对于无人机的GPS坐标，以
Figure BDA0002613524450000021
作为地心测量的纬度，
Figure BDA0002613524450000022
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 BDA0002613524450000031
Figure BDA0002613524450000032
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，再次以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 BDA0002613524450000033
作为优选，在步骤S23中，无人机和车载系统的方位角和倾斜角的测量方程如下，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， Er的具体性质参考公式为
Figure BDA0002613524450000034
Figure BDA0002613524450000035
Figure BDA0002613524450000036
作为优选，所述车载系统和无人机都对自身的信号天线进行角度调整，从而使得两个装置上的信号天线处于同一直线上。
作为优选，所述无人机将对应的高度信息传输至车载系统中，车载系统根据角度信息计算出与无人机的距离信息，根据公式PR＝PT/rn，其中PR接收功率，PT是发射功率，r是两者之间的距离,n传播因子，车载系统根据实时的距离信息对发射功率进行调整，保证无人机的接收功率保持不变。
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为本申请的总体步骤图；
图2为本申请的详细步骤图；
图3为本申请的角度示意图。
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3，本发明的本发明提供一种车载无人机自组网增强方法，应用于车载系统和无人机之间的连接通讯，包括以下步骤：S1：车载系统和无人机之间建立配对关系；S2：获取无人机的坐标值和车载系统的坐标值，根据两者的坐标值进行两者之间位置的计算；S3：根据计算结果调整车载系统中发射天线的角度和信号强度，从而使得车载系统和无人机系统建立稳定连接，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系统上，就能确保无人机和车载系统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，使得车载系统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系统的信号强度。
当然，在使得无人机和车载系统进行信号传输之前，车载系统需与无人机进行配对连接，从而确保车载系统与无人机建立一一对应关系，更为具体的是车载系统首先和无人机进行有线连接，无人机向车载系统传输含有信号接收频段的识别码，车载系统接收识别码后反馈给无人机，从而建立以该频段的连接信号实现车载系统与无人机之间的通讯连接，车载系统在接收识别码后，对自身的频段进行调整，将信号发送频段调整至无人机的信号接收频段，调整完毕后反馈指令信息至无人机，从而和无人机建立无线连接。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系统进行一一配对，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，例如无人机和车载系统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，无人机和车载系统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发送至车载系统中，车载系统接受配对码和相应的频段信息后，将自身的发射频段进行调整，调整完毕后参数反馈码作用于无人机，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。
为了实现上述方法，在步骤S2中，包含以下步骤：S21:对于车载系统和无人机的坐标系进行统一；S22：获取无人机与地面的高度信息；S23：计算得到无人机的与车载系统的夹角信息以及相应的距离信息。在本实施例中，通过特殊的坐标转换和公式计算，从而将无人机的实际坐标转换为以车载系统作为坐标原点的坐标系中，这样两个设备都处于同一个坐标系中，从而在进行信号天线角度的调整过程中，也会更加方便。
对于无人机的GPS坐标，以
Figure BDA0002613524450000061
作为地心测量的纬度，
Figure BDA0002613524450000062
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 BDA0002613524450000063
Figure BDA0002613524450000065
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，再次以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 BDA0002613524450000064
无人机和车载系统的方位角和倾斜角的测量方程如下，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，Er的具体性质参考公式为：
Figure BDA0002613524450000071
Figure BDA0002613524450000072
Figure BDA0002613524450000073
在本实施例中，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，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，使得都处于同一个坐标系中；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。
无人机将对应的高度信息传输至车载系统中，车载系统根据角度信息计算出与无人机的距离信息，根据公式PR＝PT/rn，其中PR是接收功率，PT是的发射功率，r是两者之间的距离,n传播因子，车载系统根据实时的距离信息对发射功率进行调整，保证无人机的接收功率保持不变，当车载系统接收到无人机的高度信息后，通过角度信息计算出相应两者之间的距离，为了确保无人机或者车载系统信息接收的稳定性，当距离发生改变时，通过增大发射功率，从而保证接收功率的不变。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，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方法，其特征在于，应用于车载系统和无人机之间的连接通讯，包括以下步骤：
S1：车载系统和无人机之间建立配对关系；
S2：获取无人机的坐标值和车载系统的坐标值，根据两者的坐标值进行两者之间位置的计算；
S3：根据计算结果调整车载系统中发射天线的角度和信号强度，从而使得车载系统和无人机系统建立稳定连接。
2.根据权利要求1所述的车载无人机自组网增强方法，其特征在于，在步骤S1中，车载系统需事先与无人机进行配对连接，从而确保车载系统与无人机建立一一对应关系，更为具体的是车载系统首先和无人机进行有线连接，无人机向车载系统传输含有信号接收频段的识别码，车载系统接收识别码后反馈给无人机，从而建立以该频段的信号实现车载系统与无人机之间的通讯连接。
3.根据权利要求2所述的车载无人机自组网增强方法，其特征在于，所述车载系统在接收识别码后，对自身的频段进行调整，将信号发送频段调整至无人机的信号接收频段，调整完毕后反馈指令信息至无人机，从而和无人机建立无线连接。
4.根据权利要求1所述的车载无人机自组网增强方法，其特征在于，在步骤S2中，包含以下步骤：
S21:对于车载系统和无人机的坐标系进行统一；
S22：获取无人机与地面的高度信息；
S23：计算得到无人机的与车载系统的夹角信息以及相应的距离信息。
5.根据权利要求4所述的车载无人机自组网增强方法，其特征在于，在步骤S21中，通过先将无人机的GPS坐标转换为地心直角坐标系，然后再转换为以车载系统为原点的坐标系；对于无人机的GPS坐标，以
Figure FDA0002613524440000011
作为地心测量的纬度，
Figure FDA0002613524440000012
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 FDA0002613524440000021
Figure FDA0002613524440000022
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5所述的车载无人机自组网增强方法，其特征在于，再次以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 FDA0002613524440000023
7.根据权利要求4所述的车载无人机自组网增强方法，其特征在于，在步骤S23中，无人机和车载系统的方位角和倾斜角的测量方程如下，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，Er的具体性质参考公式为：
Figure FDA0002613524440000031
Figure FDA0002613524440000032
Figure FDA0002613524440000033
8.根据权利要求1所述的车载无人机自组网增强方法，其特征在于，所述车载系统和无人机都对自身的信号天线进行角度调整，从而使得两个装置上的信号天线处于同一直线上。
9.根据权利要求1所述的车载无人机自组网增强方法，其特征在于，所述无人机将对应的高度信息传输至车载系统中，车载系统根据角度信息计算出与无人机的距离信息，根据公式PR＝PT/rn，其中PR是接收功率，PT是发射功率，r是两者之间的距离,n传播因子，车载系统根据实时的距离信息对发射功率进行调整，保证无人机的接收功率保持不变。
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