CN112147653B - 基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法及相关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，运用于无人机与水上浮标的定位与通信，所述水上浮标设有至少三个LED定位灯和一个LED通信灯，所述LED通信灯位于三个所述LED定位灯的中心位置，所述LED定位灯用于发出单色光信号且光强各不相同，所述LED通信灯用于发出通信光信号；所述无人机根据卫星导航系统的指引到达所述水上浮标所在的数据采集区域的外围；所述无人机采集所述水上浮标上的所述LED定位灯发出的单色光信号，并根据该单色光信号进行精确定位，以到达所述数据采集区域以内，以实现对所述水上浮标的定位与通信。与相关技术相比，本发明的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法及相关设备成本低、定位精确度高且可靠性好。

Description

基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法及相关设备
技术领域
本发明涉及无人机定位技术领域，尤其涉及一种基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法及相关设备。
背景技术
在海洋数据准实时传输以及监测控制方面，在远海海面缺乏无线通信运营商的信号覆盖，远洋海域迫切需要有效的空中-海面-海下的海面通信手段，以实现有效开发和保护海洋资源，满足多网协同监测及数据准实时传送的需求。
现在的海洋通信一般使用VHF电台，支持单工和双工通信。但是，其带宽比较低，基本上用于话音通信和少量紧急告警应用，少有用于数据传输。且其存在最大的问题是通信距离有限，通常<30km。民用卫星导航系统为无人机找到待采集数据的水面浮标提供了极大的便利。但是受限于陈用导航系统现在的精度，仅凭借民用卫星导航，无人机还不能准确地飞到几十甚至上百公里之外的水面浮标的正上方。
因此，有必要提供一种新的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法及相关设备解决上述问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种成本低、定位精确度高且可靠性好的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法及相关设备。
第一方面，本发明实施例提供一种基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，运用于无人机与水上浮标的定位与通信，所述水上浮标设有至少三个LED定位灯和一个LED通信灯，所述LED通信灯位于三个所述LED定位灯的中心位置，所述LED定位灯用于发出单色光信号且光强各不相同，所述LED通信灯用于发出通信光信号，该方法包括如下步骤：
步骤S1、所述无人机根据卫星导航系统的指引到达所述水上浮标所在的数据采集区域的外围；
步骤S2、所述无人机采集所述水上浮标上的所述LED定位灯发出的单色光信号，并根据该单色光信号进行精确定位，以到达所述数据采集区域以内，以实现对所述水上浮标的定位与通信。
第二方面，本发明实施例还提供一种无人机，包括处理器、存储器、收发机和用户接口，所述处理器、所述存储器、所述收发机和所述用户接口通过总线系统耦合在一起，所述处理器用于读取所述存储器中的程序，执行上述基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法中的步骤。
第三方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有定位方法程序，所述定位方法程序被处理器执行时实现上述基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法的步骤。
这样，本发明实施例中，所述无人机根据卫星导航系统的指引到达所述水上浮标所在的数据采集区域的外围；所述无人机采集所述水上浮标上的所述LED定位灯发出的单色光信号，并根据该单色光信号进行精确定位，以到达所述数据采集区域以内，以实现对所述水上浮标的定位与通信。该方法能克服卫星导航覆盖广而定位不精的缺点，实现无人机准确定位，且成本更低，从而保障无人机与定位目标之间数据稳定可靠的传输，进一步提高可靠性。
附图说明
为了使本发明的内容更加清晰，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域的普通技术人员来讲，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附图，其中：
图1为本发明基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法的流程框图；
图2为本发明基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法中的水上浮标的结构俯视图；
图3为本发明提供的实施例的数据采集区域附近的无人机定位过程仿真图，(左)侧视图，(右)俯视图；
图4为本发明提供的实施例的可见光通信性能分析示意图，包括(上)对数误码率分布图和(下)误码率性能优于10-3的区域示意图，本实施例中，(左)飞行高度：1米，(右)飞行高度：2米；
图5为本发明提供的另一实施例的可见光通信性能分析示意图，包括(上)对数误码率分布图和(下)误码率性能优于10-3的区域示意图，其中(左)飞行高度：4米，(右)飞行高度：6米。
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-2所示，本发明提供一种基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，运用于无人机与水上浮标1的定位与通信，所述水上浮标1设有至少三个LED定位灯11和一个LED通信灯12，所述LED通信灯12位于三个所述LED定位灯11的中心位置，所述LED定位灯11用于发出单色光信号且光强各不相同，所述LED通信灯12用于发出通信光信号。该方法包括如下步骤：
步骤S1、所述无人机根据卫星导航系统的指引到达所述水上浮标所在的数据采集区域的外围。
本实施方式中，所述卫星导航系统为北斗卫星导航系统。当然，也可以是GPS导航系统。
步骤S2、所述无人机采集所述水上浮标上的所述LED定位灯发出的单色光信号，并根据该单色光信号进行精确定位，以到达所述数据采集区域以内，以实现对所述水上浮标的定位与通信：
步骤S21、所述无人机接收所述单色光信号并解调，根据解调出的不同的子载波块所处于频谱的区域以判断是哪个所述LED定位灯发出的信号；
步骤S22、所述无人机计算出其当前所处位置的各个子载波块的基带信号功率；再以当前所处位置为圆心，以第一长度为半径飞行一周，同时记录下各个飞行位置所对应的各个子载波块的基带信号功率；
步骤S23、所述无人机比较各个飞行位置接收到的各个子载波块的基带信号功率，选取功率最大的基带信号所对应的所述LED定位灯，并飞到该LED定位灯处，进一步按照该位置所对应的飞行角度继续飞行；
步骤S24、所述无人机以第二长度为飞行步长继续飞行，并记录各个位置的该子载波块上的基带信号功率：
若当前位置的子载波块的基带信号功率比上一位置的子载波块的基带信号功率大，则沿当前方向继续飞行；
若当前位置的子载波块的基带信号功率比上一位置的子载波块的基带信号功率小，则退回到上一位置并停止飞行位置调整。
步骤S2中，第二长度小于第一长度。比如，本实施方式中，所述第一长度为0.5m，所述第二长度为0.1m。
需要说明的是，为了进一步提高定位精度，三个所述LED定位灯同时发射单色光信，每个用于调制LED定位灯的基带信号所占据的子载波块各占整个频谱的三分之一，且其频谱之间互不重叠；所述无人机在各个位置接收的各个子载波块的基带信号功率为各个位置时三个所述LED定位灯对应的子载波块的平均功率。
更优的，本方法还包括步骤S3：
所述无人机接收所述LED通信灯发出的光通信信号并实现通信，同时将所述光通信信号中的信息进行存储，以便无人机将数据带回至陆地。
本实施方式中，三个所述LED定位灯围成等边三角形排布，有利于提高无人机对水上浮标的定位精度。
本实施例还提供一种无人机，包括处理器、存储器、收发机和用户接口，所述处理器、所述存储器、所述收发机和所述用户接口通过总线系统耦合在一起，所述处理器用于读取所述存储器中的程序，执行本发明实施例提供的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法的步骤。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有定位方法程序，所述定位方法程序被处理器执行时实现本发明实施例提供的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法的步骤。
本发明提供的实施例实现的定位方法具体可靠性和定位精度分析参图3-5所示，其中，图3为本发明提供的实施例的数据采集区域附近的无人机定位过程仿真图，(左)侧视图，(右)俯视图；图4为本发明提供的实施例的可见光通信性能分析示意图，包括(上)对数误码率分布图和(下)误码率性能优于10-3的区域示意图，本实施例中，(左)飞行高度：1米，(右)飞行高度：2米；图5为本发明提供的另一实施例的可见光通信性能分析示意图，包括(上)对数误码率分布图和(下)误码率性能优于10-3的区域示意图，其中(左)飞行高度：4米，(右)飞行高度：6米。
本发明实施例中，所述无人机根据卫星导航系统的指引到达所述水上浮标所在的数据采集区域的外围；所述无人机采集所述水上浮标上的所述LED定位灯发出的单色光信号，并根据该单色光信号进行精确定位，以到达所述数据采集区域以内，以实现对所述水上浮标的定位与通信。该方法能克服卫星导航覆盖广而定位不精的缺点，实现无人机准确定位，且成本更低，从而保障无人机与定位目标之间数据稳定可靠的传输，进一步提高可靠性。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，运用于无人机与水上浮标的定位与通信，所述水上浮标设有至少三个LED定位灯和一个LED通信灯，所述LED通信灯位于三个所述LED定位灯的中心位置，所述LED定位灯用于发出单色光信号且光强各不相同，所述LED通信灯用于发出通信光信号，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1、所述无人机根据卫星导航系统的指引到达所述水上浮标所在的数据采集区域的外围；
步骤S2、所述无人机采集所述水上浮标上的所述LED定位灯发出的单色光信号，并根据该单色光信号进行精确定位，以到达所述数据采集区域以内，以实现对所述水上浮标的定位与通信：
步骤S21、所述无人机接收所述单色光信号并解调，根据解调出的不同的子载波块所处于频谱的区域以判断是哪个所述LED定位灯发出的信号；
步骤S22、所述无人机计算出其当前所处位置的各个子载波块的基带信号功率；再以当前所处位置为圆心，以第一长度为半径飞行一周，同时记录下各个飞行位置所对应的各个子载波块的基带信号功率；
步骤S23、所述无人机比较各个飞行位置接收到的各个子载波块的基带信号功率，选取功率最大的基带信号所对应的所述LED定位灯，并飞到该LED定位灯处，进一步按照该位置所对应的飞行角度继续飞行；
步骤S24、所述无人机以第二长度为飞行步长继续飞行，其中，第二长度小于第一长度，并记录各个位置的该子载波块上的基带信号功率：
若当前位置的子载波块的基带信号功率比上一位置的子载波块的基带信号功率大，则沿当前方向继续飞行；
若当前位置的子载波块的基带信号功率比上一位置的子载波块的基带信号功率小，则退回到上一位置并停止飞行位置调整。
2.根据权利要求1所述的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，其特征在于，还包括步骤S3：
所述无人机接收所述LED通信灯发出的光通信信号并实现通信，同时将所述光通信信号中的信息进行存储。
3.根据权利要求1所述的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，三个所述LED定位灯同时发射单色光信，每个用于调制LED定位灯的基带信号所占据的子载波块各占整个频谱的三分之一，且其频谱之间互不重叠；所述无人机在各个位置接收的各个子载波块的基带信号功率为各个位置时三个所述LED定位灯对应的子载波块的平均功率。
4.根据权利要求1所述的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第一长度为0.5m，所述第二长度为0.1m。
5.根据权利要求1所述的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，其特征在于，三个所述LED定位灯围成等边三角形排布。
6.根据权利要求1所述的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法，其特征在于，所述卫星导航系统为北斗卫星导航系统。
7.一种无人机，其特征在于，包括处理器、存储器、收发机和用户接口，所述处理器、所述存储器、所述收发机和所述用户接口通过总线系统耦合在一起，所述处理器用于读取所述存储器中的程序，执行如权利要求1至6中任一项所述的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法中的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有定位方法程序，所述定位方法程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的基于可见光的无人机与水上浮标的定位方法的步骤。
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