CN113156366B - 一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法 - Google Patents

一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，包括具体包括以下步骤：s1：基准定位无人机启动，完成定位准备后升空；s2：基准定位无人机开始发射加密无线信号；s3：集群无人机接收到所述加密无线信号后分别解析出自身当前实际坐标；s4：集群无人机根据当前实际坐标与目标坐标的差异，输出控制信号到执行机构，完成无人机位置控制。该发明通过含有对地视觉定位，GPS定位，蜂窝网络定位以及自有加密通讯系统的基准定位无人机，提供定位替代备份方案，让无人机集群在有限的成本增加下可以得到更加可靠和准确的定位能力。

Description

一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法
技术领域
本发明涉及无人机空间定位技术领域，具体为一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法。
背景技术
目前无人机的空间定位方式主要有两种，一是全球卫星定位系统，如美国GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，中国北斗系统。卫星定位系统通过围绕地球的若干颗定位卫星持续发出含有发射时间信息的无线电波，由地面端接收机收到之后通过与接收时间的对比得出时间差乘以光速，就是接收设备与卫星的距离。由于卫星轨道三维坐标已知，距离已知，同时收到3颗以上卫星信号就可以通过3角定位法得出接收设备的三维坐标。同时收到卫星信号越多，定位就越准。优势在于成本低，只需要一个GPS接收机，缺点在于定位精度一般(普通非RTK GPS只有2～10米)，需要室外开阔环境，单向传输无复核机制，信号频率固定且公开易受到外界干扰。
二是以OPTITRACK为代表的运动捕捉技术，利用红外高速摄像机捕捉装在目标物体上的反光标记点，可以确定目标物体的三维坐标与运动轨迹，并通过无线通讯反馈给目标物体的飞控系统，使其完成三维空间定位并修正。优点在于精度高，可以到0.01mm，缺点在于系统搭建复杂成本高，而且识别距离有限。
现有的夜间无人机集群表演由于极度依赖卫星定位系统来实现表演效果，由于卫星离地遥远，信号强度低，而且传输频率等技术指标都是公开数据，所以非常容易被人为干扰，导致无人机集群演出效果不能保证，客户权益遭到损失。由于演出通常都具有时间与地点的严格限制，所以一旦出现干扰问题，当事双方的损失都是巨大的。
运动捕捉技术需要架设多台红外摄像相机并需要校准位置，识别距离也有限，更适用于室内场景固定多次的运动识别，无人机集群表演通常是开阔地的单次表演，飞行高度高，识别距离受限，摄像机前期搭建与后期拆除的时间与成本无法满足运营需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，发明提供如下技术方案：
一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，具体包括以下步骤：
s1：基准定位无人机启动，完成定位准备后升空；
s2：基准定位无人机开始发射加密无线信号；
s3：集群无人机接收到所述加密无线信号后分别解析出自身当前实际坐标；
s4：集群无人机根据当前实际坐标与目标坐标的差异，输出控制信号到执行机构，完成无人机位置控制。
优选的：所述基准定位无人机为三台基准定位无人机A1、A2、A3通过卫星定位系统的融合，从地面开始确定各自的精确坐标后升空。
优选的：步骤s2中所述基准定位无人机升空后通过视觉传感器与高度传感器的冗余定位，通过基准定位无人机发射加密无线信号。
优选的：所述加密信号为通过基准定位无人机发射的含发射时间信息的、与卫星定位系统不同频率且加密的无线信号。
优选的：：集群无人机任一台Bn收到基准定位无人机A1，A2的信号时，通过接收时间与发射时间的对比，乘以光速，即可分别得知Bn与A1、A2的直线距离，三维空间内与A1等距的所有点的集合体现为一个球型的表面，与A2等距的所有点的集合也体现为一个球型的表面，两个球型表面的相交为一个圆形R(Bn)，即为所有同时满足A1、A2距离的点，也就是Bn的三维坐标的集合；同理，收到基准无人机A3的信号时，圆形R(Bn)与基准定位无人机A3球面相交，得Bn与Bn’两点，即为同时满足A1、A2、A3距离的唯二坐标点，再通过Bn气压计得出的飞行高度排除一个无效坐标，剩下即为当前实际坐标。
优选的：步骤s4中由于集群无人机用于表演的情况下，每一台无人机在表演时间内的飞行轨迹都是事先确定好的，集群无人机任一台Bn的飞控计算机通过当前实际坐标与当前目标坐标的差异，输出控制信号到执行机构，完成飞机的位置控制。
优选的：步骤s4之后还包括步骤s5:集群无人机任务完成，降落。
优选的：步骤s5之后还包括基准定位无人机任务完成，降落。
优选的：所述卫星定位系统为视觉传感器与高度传感器融合定位、蜂窝网络定位、GPS、GLOSSNASS、北斗中的一种或多种组合。
优选的：所述高度传感器包括不限于气压传感器、光学测距传感器或无线电测距传感器。
与现有技术相比，发明的有益效果是：该嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，通过含有对地视觉定位，GPS定位，蜂窝网络定位以及自有加密通讯系统的3台基准定位无人机，提供3角定位替代备份方案，让无人机集群在有限的成本增加下可以得到更加可靠和准确的定位能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法的流程示意图；
图2为实施例中基准定位无人机与无人机集群B示意图一；
图3为实施例中基准定位无人机与无人机集群B示意图二；
图4为实施例中基准定位无人机与无人机集群B示意图三。
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。
请参阅图1，发明提供一种技术方案：一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，具体包括以下步骤：
步骤一：基准定位无人机启动，完成定位准备，升空；
本发明中，以3台基准定位无人机A1、A2、A3通过卫星定位系统的融合，从地面开始确定各自的精确坐标后升空；在实际使用中，也可以是4台、5台及以上无人机作为基准定位无人机。
基准定位无人机是设立定位基准的，所以其自身的定位精度与可靠性要求很高。启动后先定位再升空的目的是类似于手机导航，通过地面丰富的手机基站信号加上高精度地图可以快速定位，再通过视觉传感器限制水平方向的漂移，通过高度传感器精确测出垂直方向的位移，即可完成不依靠卫星定位系统完成定位。
本发明中，高度传感器包括但不限于气压传感器、光学测距传感器或无线电测距传感器等。
步骤二：基准定位无人机开始发射加密无线信号；
具体地，基准定位无人机升空后通过视觉传感器与气压传感器的冗余定位，确保基准定位无人机的坐标精确保真。
如图2所示，本发明中A1，A2，A3为3台基准定位无人机，中间小三角为无人机集群B，通过基准定位无人机发射的含发射时间信息的、与卫星定位系统不同频率且加密的无线信号；
步骤三：集群无人机接收到信号后分别解算出自身当前实际坐标；
基准定位无人机与无人机集群B1，B2，B3，B4…Bn进行通讯，本发明中，如图3所示，集群无人机B1收到A1，A2的信号时，通过接收时间与发射时间的对比，乘以光速，即可分别得知B1与A1、A2的直线距离，三维空间内与A1等距的所有点的集合体现为一个球型的表面，与A2等距的所有点的集合也体现为一个球型的表面，两个球型表面的相交为一个圆形R(B1)，即为所有同时满足A1、A2距离的点，也就是B1的三维坐标的集合；同理，如图4所示，收到基准无人机A3的信号时，圆形R(B1)与A3球面相交，得B1与B1’两点，即为同时满足A1、A2、A3距离的唯二坐标点，再通过B1气压计得出的飞行高度排除一个无效坐标，剩下即为当前实际坐标；
步骤四：集群无人机根据当前实际坐标与目标坐标的差异，输出控制信号到执行机构，完成飞机位置控制；
由于集群无人机B1，B2，B3，B4…Bn用于表演的情况下，每一台无人机在表演时间内的飞行轨迹都是事先确定好的，B1的飞控计算机通过当前实际坐标与当前目标坐标的差异，输出控制信号到执行机构，完成飞机的位置控制；
步骤五：集群无人机B1，B2，B3，B4…Bn任务完成，降落；
步骤六：基准定位无人机A1，A2，A3任务完成，降落。
本实施例中所述卫星定位系统为蜂窝网络定位、GPS、GLOSSNASS、北斗中的一种或多种组合。
发明的有益效果是：该嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，通过含有对地视觉定位，GPS定位，蜂窝网络定位以及自有加密通讯系统的3台基准定位无人机，提供3角定位替代备份方案，让无人机集群在有限的成本增加下可以得到更加可靠和准确的定位能力。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
s1：基准定位无人机启动，完成定位准备后升空；
s2：基准定位无人机开始发射加密无线信号；
s3：集群无人机接收到所述加密无线信号后分别解析出自身当前实际坐标；
s4：集群无人机根据当前实际坐标与目标坐标的差异，输出控制信号到执行机构，完成无人机位置控制；
所述基准定位无人机为三台基准定位无人机A1、A2、A3通过卫星定位系统的融合，从地面开始确定各自的精确坐标后升空；
集群无人机任一台Bn收到基准定位无人机A1，A2的信号时，通过接收时间与发射时间的对比，乘以光速，即可分别得知Bn与A1、A2的直线距离，三维空间内与A1等距的所有点的集合体现为一个球型的表面，与A2等距的所有点的集合也体现为一个球型的表面，两个球型表面的相交为一个圆形R(Bn)，即为所有同时满足A1、A2距离的点，也就是Bn的三维坐标的集合；收到基准无人机A3的信号时，圆形R(Bn)与基准定位无人机A3球面相交，得Bn与Bn’两点，即为同时满足A1、A2、A3距离的唯二坐标点，再通过Bn气压计得出的飞行高度排除一个无效坐标，剩下即为当前实际坐标。
2.如权利要求1所述的一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，其特征在于：步骤s2中所述基准定位无人机升空后通过视觉传感器与高度传感器的冗余定位，通过基准定位无人机发射加密无线信号。
3.如权利要求2所述的一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，其特征在于：所述加密信号为通过基准定位无人机发射的含发射时间信息的、与卫星定位系统不同频率且加密的无线信号。
4.如权利要求1所述的一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，其特征在于：步骤s4中由于集群无人机用于表演的情况下，每一台无人机在表演时间内的飞行轨迹都是事先确定好的，集群无人机任一台Bn的飞控计算机通过当前实际坐标与当前目标坐标的差异，输出控制信号到执行机构，完成飞机的位置控制。
5.如权利要求1所述的一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，其特征在于：步骤s4之后还包括步骤s5:集群无人机任务完成，降落。
6.如权利要求5所述的一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，其特征在于：步骤s5之后还包括基准定位无人机任务完成，降落。
7.如权利要求2所述的一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，其特征在于：所述卫星定位系统为视觉传感器与高度传感器融合定位、蜂窝网络定位、GPS、GLOSSNASS、北斗中的一种或多种组合。
8.如权利要求1所述的一种嘈杂电磁环境下集群无人机的空间定位方法，其特征在于：所述高度传感器包括但不限于气压传感器、光学测距传感器或无线电测距传感器。
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