CN114115328A - 一种无人机、定位设备及定位系统 - Google Patents

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CN114115328A CN202111198548.8A CN202111198548A CN114115328A CN 114115328 A CN114115328 A CN 114115328A CN 202111198548 A CN202111198548 A CN 202111198548A CN 114115328 A CN114115328 A CN 114115328A
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Abstract

本申请公开了一种无人机、定位设备及定位系统，无人机包括：控制器向射频收发电路发送第一超宽带UWB信号；射频收发电路通过天线阵列发射第一UWB信号，并通过天线阵列接收来自停机坪的定位设备针对第一UWB信号的反馈UWB信号，并将反馈UWB信号发送给控制器；控制器根据第一UWB信号的传输时间和反馈UWB信号的传输时间获得无人机与停机坪的定位设备之间的距离；天线阵列包括多个天线，多个天线形成一个平面；控制器根据多个天线接收的停机坪的定位设备发送的第二UWB信号获得无人机与停机坪的定位设备之间的角度；根据无人机与停机坪的定位设备之间的距离和角度控制无人机返航停机坪，能够实现无人机的自动精准返航。

Description

一种无人机、定位设备及定位系统
技术领域
本申请涉及无人机定位技术领域，尤其涉及一种无人机、定位设备及定位系统。
背景技术
随着科技的发展，无人机控制越来越智能，应用场景越来越广泛，而且对于无人机的要求也越来越高，例如，不用人工遥控，无人机可以实现自动精准返航等。
目前，民用的小型无人机一般还在采用人工遥控实现返航，如果无人机自动返航，利用北斗卫星导航或GPS导航来进行定位，但是无论北斗还是GPS，对于无人机的返航点和起飞点之间将会存在几米甚至几十米的误差，造成无人机不能精准返航到返航点。如果无人机自动返航的位置偏差较大，地面的障碍物太多时可能造成无人机损坏。
发明内容
为了解决以上技术问题，本申请提供一种无人机、定位设备及定位系统，能够实现无人机的自动精准返航。
本申请提供一种无人机，包括：控制器、射频收发电路和天线阵列；射频收发电路和天线阵列以及控制器电连接；控制器，用于向射频收发电路发送第一超宽带UWB信号；射频收发电路，用于通过天线阵列发射第一UWB信号，并通过天线阵列接收来自停机坪的定位设备针对第一UWB信号的反馈UWB信号，并将反馈UWB信号发送给控制器；控制器，还用于根据第一UWB信号的传输时间和反馈UWB信号的传输时间获得无人机与停机坪的定位设备之间的距离；天线阵列包括多个天线，多个天线形成一个平面；控制器，还用于根据多个天线接收的停机坪的定位设备发送的第二UWB信号获得无人机与停机坪的定位设备之间的角度；根据无人机与停机坪的定位设备之间的距离和角度控制无人机返航停机坪。
无人机向停机坪发送第一UWB信号，停机坪对第一UWB信号进行反馈，无人机根据反馈UWB信号获得与停机坪之间的距离；另外，停机坪向无人机的多个天线发送第二UWB信号，由于多个天线之间存在距离，因此，尽管停机坪发送的为同一个第二UWB信号，但是多个天线接收的第二UWB信号由差别，利用多个天线接收的不同的第二UWB信号可以获得无人机与停机坪之间的角度。由于UWB信号可以实现精准的定位，因此，无人机根据UWB信号可以获得与停机坪之间的距离，也可以获得与停机坪之间的角度，无人机根据距离和角度便可以实现自动精准返航，相比于利用北斗或GPS定位来返航准确度更高，可以实现厘米级的精准返航，从而避免无人机没有返航到指定地点而出现意外。
一种可能的实现方式，停机坪的定位设备针对第一UWB信号的反馈UWB信号携带第一UWB信号的接收时间和反馈UWB信号的发射时间；控制器，具体用于根据第一UWB信号的发射时间和第一UWB信号的接收时间获得第一UWB信号的传输时间，以及根据反馈信号的接收时间和反馈UWB信号的发射时间获得反馈UWB信号的传输时间。
一种可能的实现方式，控制器，具体用于根据第一UWB信号的传输时间、反馈UWB信号的传输时间和电磁波传播速度获得无人机与停机坪之间的距离；第一UWB信号和反馈UWB信号均为电磁波。
一种可能的实现方式，天线阵列包括至少三个天线，至少三个天线形成一个平面；控制器，具体用于根据至少三个天线接收的停机坪的定位设备发送的第二UWB信号获得无人机与停机坪之间的角度。因为控制器需要获得无人机与停机坪之间的立体角度，如果多个天线位于同一条直线上，则同一条直线与停机坪仅构成一个二维平面，控制器无法获得空间立体角度，因此，需要多个天线之间的连线至少形成两条交叉的直线，即至少形成一个平面，进而获得两条直线各自与停机坪形成的平面，进而获得无人机与停机坪之间的立体角度，由立体角度，无人机才可以准确获得停机坪的位置，实现精准返航。
一种可能的实现方式，天线阵列至少包括以下四个天线：第一天线、第二天线、第三天线和第四天线；第一天线，用于发射第一UWB信号和接收反馈UWB信号；第二天线、第三天线和第四天线，均用于接收定位设备发送的第二UWB信号；控制器，具体用于根据第二UWB信号获得定位设备相对于第二天线和定位设备相对于第三天线之间的第一角度，以及根据第二UWB信号获得定位设备相对于第二天线和定位设备相对于第四天线之间的第二角度，根据所第一角度和第二角度获得无人机与停机坪之间的角度。应该理解，获得无人机和定位设备之间角度时需要利用至少三个天线，例如三个，另外可以根据大于三个天线即更多数量的天线来获得角度，本申请不做具体限定。
一种可能的实现方式，控制器，具体用于根据第二天线与第三天线之间的第一距离、第二天线接收的第二UWB信号和第三天线接收的第二UWB信号获得定位设备相对于第二天线和定位设备相对于第三天线之间的第一角度；还具体用于根据第二天线与第四天线之间的第二距离、第二天线接收的第二UWB信号和第四天线接收的第二UWB信号获得定位设备相对于第二天线和定位设备相对于第四天线之间的第二角度；控制器，具体用于根据所第一角度和第二角度获得无人机与停机坪之间的角度。
一种可能的实现方式，控制器，具体用于根据第二天线接收的第二UWB信号的相位和第三天线接收的第二UWB信号的相位获得第一相位差，根据第一相位差、第一距离和电磁波传播速度获得第一角度；用于根据第二天线接收的第二UWB信号的相位和第四天线接收的第二UWB信号的相位获得第二相位差，根据第二相位差、第二距离和电磁波传播速度获得第二角度。
一种可能的实现方式，控制器具体根据以下公式获得第一角度α1；
Figure BDA0003304009360000021
其中，d1为第一距离，
Figure BDA0003304009360000022
c为电磁波传播速度，
Figure BDA0003304009360000023
为第一相位差；
控制器具体用于根据以下公式获得第二角度α2；
Figure BDA0003304009360000031
其中，d2为第二距离，
Figure BDA0003304009360000032
为第二相位差。
一种可能的实现方式，射频收发电路包括：发射通道、第一接收通道、第二接收通道、第一开关组和第二开关组；第一天线和第二天线均通过第一开关组连接发射通道；第一天线和第二天线均通过第一开关组连接第一接收通道；第三天线和第四天线均通过第二开关组连接第二接收通道；控制器，具体用于控制第一开关组中的开关动作使第一天线与发射通道接通，通过第一天线发射第一UWB信号，并控制第一开关组中的开关动作使第一天线与第一接收通道接通，通过第一天线接收反馈UWB信号；具体用于控制第一开关组中的开关动作使第二天线与第一接收通道接通，接收第二天线接收的第二UWB信号；具体用于控制第二开关组中的开关动作，分别使第三天线与第二接收通道接通和第四天线与第二接收通道接通，分别接收第三天线接收的第二UWB信号和第四天线接收的第二UWB信号。
一种可能的实现方式，射频收发电路还包括：第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和第四滤波器；第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和第四滤波器均用于UWB频段的滤波；第一天线和第一开关组之间连接第一滤波器；第二天线和第一开关组之间连接第二滤波器；第三天线和第二开关组之间连接第三滤波器；第四天线和第二开关组之间连接第四滤波器。
本申请提供一种与以上无人机对应的定位设备，包括：控制器、射频收发电路和天线；射频收发电路，用于通过天线接收无人机发送的第一UWB信号，并将第一UWB信号发送给控制器；控制器，用于根据第一UWB信号生成反馈UWB信号，将反馈UWB信号通过射频收发电路和天线发射给无人机，使无人机根据第一UWB信号的传输时间和反馈UWB信号的传输时间获得无人机与停机坪之间的距离；控制器，还用于通过射频收发电路和天线向无人机发送第二UWB信号，使无人机根据第二UWB信号获得无人机与定位设备之间的角度。
一种可能的实现方式，射频收发电路包括接收通道和发射通道；接收通道，用于接收第一UWB信号并转发给控制器；发射通道，用于将反馈UWB信号通过天线发送给无人机；发射通道，还用于将第二UWB信号通过天线发送给无人机。
一种可能的实现方式，射频收发电路包括开关组；控制器，还用于控制开关组中的开关动作使天线与接收通道接通，使接收通道接收第一UWB信号，还用于控制开关组中的开关动作使天线与发射通道接通，使发射通道发送反馈UWB信号和第二UWB信号。其中，开关组可以利用多路选择开关来实现，也可以利用其他类型的开关来实现，本申请不做具体限定。
一种可能的实现方式，射频收发电路还包括滤波器；天线和开关组之间连接滤波器。
本申请提供一种定位系统，包括以上介绍的无人机和定位设备；无人机与和定位设备之间发送和接收UWB信号实现无人机自动返航至停机坪。
本申请至少具有以下优点：
在无人机上可以安装UWB定位装置，同理，在停机坪上也安装UWB定位设备，即UWB定位装置可以发射、接收和处理UWB信号。无人机向停机坪发送第一UWB信号，停机坪对第一UWB信号进行反馈，无人机根据反馈UWB信号获得与停机坪之间的距离；另外，停机坪向无人机的多个天线发送第二UWB信号，由于多个天线之间存在距离，因此，尽管停机坪发送的为同一个第二UWB信号，但是多个天线接收的第二UWB信号由差别，利用多个天线接收的不同的第二UWB信号可以获得无人机与停机坪之间的角度。由于UWB信号可以实现精准的定位，因此，无人机根据UWB信号可以获得与停机坪之间的距离，也可以获得与停机坪之间的角度，无人机根据距离和角度便可以实现自动精准返航，相比于利用北斗或GPS定位来返航准确度更高，可以实现厘米级的精准返航，从而避免无人机没有返航到指定地点而出现意外。
附图说明
图1为本申请提供的一种无人机返航的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种无人机的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种无人机收发UWB信号的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种天线阵列的示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种天线阵列的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种天线测量角度的示意图；
图7为本申请实施例提供的第二UWB信号到达两个天线的角度示意图；
图8为本申请实施例提供的又一种无人机的示意图；
图9为本申请实施例提供的一种定位设备的示意图；
图10为本申请实施例提供的另一种定位设备的示意图；
图11为本申请实施例提供的一种定位系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
以下说明中的“第一”、“第二”等用词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。此外，术语“耦接”可以是实现信号传输的电性连接的方式。“耦接”可以是直接的电性连接，也可以通过中间媒介间接电性连接。
为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案，下面先结合附图介绍该技术方案的应用场景。
参见图1，该图为一种无人机返航的示意图。
图1中无人机100需要在没有人工干预的情况下返航到停机坪2000的定位设备200，以返航到停机坪2000的定位设备200的中心点为例进行说明。
传统技术中，无人机100均是利用北斗或者GPS来定位实现自动返航，但是北斗和GPS的定位精度较差，例如误差在几米到几十米，因此，利用目前的定位技术无法实现无人机地自动精准返航。
本申请实施例利用超宽带(UWB，Ultra Wide Band)定位技术来实现无人机100的精准自动返航或者自动降落，即不需要人工干预控制，无人机可以通过UWB信号来定位，从而精准返航到停机坪2000的定位设备200或自动降落停机坪2000的定位设备200。为了方便理解，以下以无人机精准返航停机坪2000的定位设备200为例进行介绍，应该理解，停机坪2000的定位设备200可以为任意设置的无人机需要降落或者返航的地点。
UWB技术是一种无线载波通信技术，不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点。
下面结合附图介绍本申请实施例提供的无人机实现自动精准返航的具体实现方式。
参见图2，该图为本申请实施例提供的一种无人机的示意图。
本申请实施例提供的无人机，包括：控制器101、射频收发电路102和天线阵列103；
射频收发电路102和天线阵列103电连接，射频收发电路102与控制器101电连接；
控制器101，用于向射频收发电路102发送第一超宽带UWB信号；具体实现时，无人机可以实时获得与停机坪的距离，例如在距离停机坪几十米或十几米时，控制器101可以发送第一UWB信号。当无人机距离停机坪较远时，可以使用北斗和GPS定位，获得与停机坪的距离。应该理解，控制器101可以按照预设周期向停机坪发送第一UWB信号，为了方便描述和理解，本申请不再赘述重复发送的过程。
射频收发电路102，用于通过天线阵列103发射第一UWB信号，并通过天线阵列103接收来自停机坪的定位设备针对第一UWB信号的反馈UWB信号，并将反馈信号发送给控制器101；
控制器101，还用于根据第一UWB信号的传输时间和反馈UWB信号的传输时间获得无人机与停机坪之间的距离；
由于无人机和停机坪之间的传递的信号均为UWB信号，UWB信号为电磁波信号，电磁波传播速度是已知的，因此，获得无人机和停机坪之间电磁波信号的传播时间便可以获得无人机和停机坪之间的距离。
控制器101，还用于根据多个天线接收的停机坪的定位设备发送的第二UWB信号获得无人机与停机坪之间的角度；根据无人机与停机坪之间的距离和角度控制无人机返航停机坪。
本申请实施例不限定天线阵列103包括的天线数量，也不限定天线的具体类型。本实施例提供的无人机上搭载的天线阵列103包括多个天线，而且多个天线需要形成一个平面。因为控制器101需要获得无人机与停机坪之间的立体角度，如果多个天线位于同一条直线上，则同一条直线与停机坪仅构成一个二维平面，控制器101无法获得空间立体角度，因此，需要多个天线之间的连线至少形成两条交叉的直线，即至少形成一个平面，进而获得两条直线各自与停机坪形成的平面，进而获得无人机与停机坪之间的立体角度，由立体角度，无人机才可以准确获得停机坪的位置，实现精准返航。
本申请实施例提供的无人机，在无人机上可以安装UWB定位装置，同理，在停机坪上也安装UWB定位设备，即UWB定位装置可以发射、接收和处理UWB信号即可。无人机向停机坪发送第一UWB信号，停机坪对第一UWB信号进行反馈，无人机根据反馈UWB信号获得与停机坪之间的距离；另外，停机坪向无人机的多个天线发送第二UWB信号，由于多个天线之间存在距离，因此，尽管停机坪发送的为同一个第二UWB信号，但是多个天线接收的第二UWB信号由差别，利用多个天线接收的不同的第二UWB信号可以获得无人机与停机坪之间的角度。由于UWB信号可以实现精准的定位，因此，无人机根据UWB信号可以获得与停机坪之间的距离，也可以获得与停机坪之间的角度，无人机根据距离和角度便可以实现自动精准返航，相比于利用北斗或GPS定位来返航准确度更高，可以实现厘米级的精准返航，从而避免无人机没有返航到指定地点而出现意外。
为了方便理解，下面先结合附图介绍无人机通过UWB信号获得与停机坪之间的距离。
参见图3，该图为本申请实施例提供的一种无人机收发UWB信号的示意图。
无人机的射频收发电路向停机坪的定位设备发送第一UWB信号，无人机的控制器记录发送第一UWB信号的发射时间为T1，具体可以利用寄存器记录T1。经过一段时间t1的传输以后，第一UWB信号到达停机坪的定位设备，即停机坪的定位设备200的定位设备记录第一UWB信号的接收时间T2，定位设备对第一UWB信号进行处理，处理时间未Tt，定位设备得到处理后的反馈UWB信号，将反馈UWB信号发射给无人机，反馈UWB信号的发射时间为T3，无人机接收到反馈UWB信号的接收时间为T4，具体地，由于反馈UWB信号由停机坪的定位设备发送给无人机，定位设备发送的反馈UWB信号携带了定位设备接收到第一UWB信号的接收时间的时间戳T2，以及携带了反馈UWB信号的发射时间的时间T3，因此，无人机的控制器可以根据第一UWB信号的发射时间T1以及定位设备接收第一UWB信号的接收时间T2计算得到第一UWB信号的传输时间t1，以及根据反馈UWB信号的发射时间T3和反馈UWB信号的接收时间T4计算得到反馈UWB信号的传输时间t2，即控制器，具体用于根据第一UWB信号的发射时间T1和停机坪的定位设备反馈的第一UWB信号的接收时间T2获得第一UWB信号的传输时间t1，以及根据反馈信号的接收时间T4和停机坪的定位设备反馈的反馈UWB信号的发射时间T3获得反馈UWB信号的传输时间t2。
从图3中可以看出，电磁波在空中的传输时间为t1+t2，而t1＝T2-T1；t2＝T4-T3；但是t1+t2内，电磁波在空中传输的距离为无人机与停机坪距离的两倍，因此，无人机与停机坪的距离，控制器可以根据第一UWB信号的传输时间、反馈UWB信号的传输时间和电磁波传播速度获得无人机与停机坪之间的距离T；第一UWB信号和反馈UWB信号均为电磁波。
具体可以通过以下公式获得距离S：
Figure BDA0003304009360000071
其中，c为电磁波传播速度。
为了精准获得无人机与停机坪之间的角度，本申请实施例提供的无人机的天线阵列包括至少三个天线，至少三个天线形成一个平面；
控制器，具体用于根据至少三个天线接收的停机坪的定位设备发送的第二UWB信号获得无人机与停机坪之间的角度。
本申请实施例不具体限定三个天线的位置，只要不在同一条直线上即可，即三个天线可以形成一个平面。
本申请实施例提供的天线阵列至少包括以下四个天线：第一天线、第二天线、第三天线和第四天线；其中第一天线用于配合控制器获得无人机与停机坪的距离。第二天线、第三天线和第四天线，均用于配合控制器获得无人机与停机坪的角度。
第一天线，用于发射第一UWB信号和接收反馈UWB信号；
第二天线、第三天线和第四天线，均用于接收定位设备发送的第二UWB信号；
下面结合附图举例说明第二天线、第三天线和第四天线的布局。
参见图4，该图为本申请实施例提供的一种天线阵列的示意图。
本申请实施例提供的第二天线ANT2、第三天线ANT3和第四天线ANT4呈现三角形的三个顶点布局，例如可以布局为等腰三角形或等边三角形，也可以为任意一个三角形。
参见图5，该图为本申请实施例提供的另一种天线阵列的示意图。
本实施例提供的第二天线ANT2、第三天线ANT3和第四天线ANT4呈现直角三角形布局，可以为等腰直角三角形，也可以为普通直角三角形。
为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的无人机，下面介绍一种具体实现方式。
参见图6，该图为本申请实施例提供的又一种无人机的示意图。
本实施例提供的无人机，其中射频收发电路102包括：发射通道TX、第一接收通道RX1、第二接收通道RX2、第一开关组104和第二开关组105；
第一天线ANT1和第二天线ANT2均通过第一开关组104连接发射通道TX；即发射通道TX可以通过第一开关组104切换连接ANT1还是ANT2，本申请实施例不具体限定各个开关组的具体实现方式，例如可以为多路选择开关，切换天线与发射通道或接收通道的连接关系。
第一天线ANT1和第二天线ANT2均通过第一开关组104连接第一接收通道RX1；
第三天线ANT3和第四天线ANT4均通过第二开关组105连接第二接收通道RX2；第二开关组105除了可以使用多路选择开关以外，还可以使用单刀多掷开关。例如，第二开关组105的第一端连接第二接收通道RX2，第二开关组105的第二端连接第三天线ANT3，第二开关组105的第三端连接第四天线ANT4，当第二开关组105的第一端与第二端接通时，第二接收通道RX2与第三天线ANT3接通；当第二开关组105的第一端与第三端接通时，第二接收通道RX2与第四天线ANT4接通。
控制器(图中未示出)，具体用于控制第一开关组104中的开关动作使第一天线ANT1与发射通道TX接通，通过第一天线ANT1发射第一UWB信号，并控制第一开关组104中的开关动作使第一天线ANT1与第一接收通道RX1接通，通过第一天线ANT1接收反馈UWB信号；具体用于控制第一开关组104中的开关动作使第二天线ANT2与第一接收通道RX1接通，接收第二天线ANT2接收的第二UWB信号；具体用于控制第二开关组105中的开关动作，分别使第三天线ANT3与第二接收通道RX2接通和第四天线ANT4与第二接收通道RX2接通，分别接收第三天线ANT3接收的第二UWB信号和第四天线ANT4接收的第二UWB信号。
图6仅是一种具体的举例，以两个接收通道和一个发射通道为例进行介绍，实际实现时，可以选择更多的接收通道，例如三个接收通道或四个接收通道均可以，接收通道越多射频收发电路102的成本越高，因此，本申请实施例提供的实现方式，在满足要求的前提下，可以尽量节省硬件成本。
另外，本申请实施例中，利用四个天线完成距离和角度的测量，其中一个天线用于测量无人机与停机坪之间的距离，三个天线用于测量无人机与停机坪之间的角度。应该理解，实现角度的测量可以使用更多数量的天线例如四个天线，或者五个天线等，但是三个天线已经可以准确测量出立体角度，因此，在保证精准控制无人机降落的前提下，硬件越少越简单成本越低，例如天线的数量越少越好。为了控制无人机精准返航或降落，无人机与停机坪之间的距离和角度可以实时测量，无人机根据测量的结果可以随时调整飞行轨迹，进而准确降落到停机坪。
无人机为了获得更精准的UWB信号，本申请实施例提供的无人机的射频收发电路还可以包括滤波器，每个天线可以连接一个滤波器，下面继续结合附图6进行详细介绍。
本实施例提供的射频收发电路还包括：第一滤波器FIL1、第二滤波器FIL2、第三滤波器FIL3和第四滤波器FIL4；第一滤波器FIL1、第二滤波器FIL2、第三滤波器FIL3和第四滤波器FIL4均用于进行UWB频段的滤波；
第一天线ANT1和第一开关组104之间连接第一滤波器FIL1；
第二天线ANT2和第一开关组104之间连接第二滤波器FIL2；
第三天线ANT3和第二开关组105之间连接第三滤波器FIL3；
第四天线ANT4和第二开关组105之间连接第四滤波器FIL4。
本申请实施例中不具体限定各个滤波器的类型，例如可以为带通滤波器，使UWB频段的信号通过，其余频段的信号无法通过。
下面结合附图介绍利用三个天线获得无人机与停机坪之间的角度。
参见图7，该图为本申请实施例提供的一种天线测量角度的示意图。
无人机上用于测量角度的天线包括第二天线ANT2、第三天线ANT3和第四天线ANT4，由于以上三个天线已知，因此，第二天线ANT2与第三天线ANT3之间的第一距离已知，第三天线ANT3和第四天线ANT4之间的第二距离已知。
控制器，具体用于根据第二UWB信号获得停机坪的定位设备200的定位设备相对于第二天线ANT2和停机坪的定位设备200的定位设备相对于第三天线ANT3之间的第一角度11，以及根据第二UWB信号获得停机坪的定位设备200的定位设备相对于第二天线ANT2和停机坪的定位设备200的定位设备相对于第三天线ANT3之间的第二角度22，根据所第一角度11和第二角度22获得无人机与停机坪之间的角度。
具体实现时，停机坪的定位设备200可以发送第二UWB信号，第二UWB信号可以为UWB广播脉冲信号，第二UWB信号到达无人机的两个天线，例如第二UWB信号到达第二天线ANT2和第三天线3，由于第二天线ANT2和第三天线3之间存在一定的距离，因此，第二UWB信号到达第二天线ANT2和第三天线3的相位不同，又由于无人机上的各个天线之间的间距比较小，一般小于或等于UWB信号的半波长，因此第二UWB到达各个天线的相位与距离差一一对应，即相位差反应了距离差；本申请实施例中直接利用相位差代替距离差，由于UWB的电磁波传播速度是不变的，因此可以用相位差代替时间差。
下面结合附图介绍角度的获得过程。
参见图8，该图为本申请实施例提供的第二UWB信号到达两个天线的角度示意图。
图8是以无人机100中的第二天线ANT2和第三天线ANT3为例进行介绍。
第二UWB信号到达第二天线ANT2的信号表示为：
Figure BDA0003304009360000091
第二UWB信号到达第三天线ANT3的信号表示为：
Figure BDA0003304009360000092
由此可见，第二UWB信号到达第二天线ANT2和第三天线ANT3的相位差为
Figure BDA0003304009360000093
因此，第二UWB信号到达第二天线ANT2和第二UWB信号到达第三天线ANT3的距离差D为：
Figure BDA0003304009360000094
从图8可以看出，第二UWB信号到达ANT2和ANT3的距离差D利用直角三角形的三角函数可以表达为d*sinθ；又由于停机坪与无人机之间的距离与UWB信号的波长相比无限大，因此：
距离差D：
Figure BDA0003304009360000095
因此，停机坪相对于无人机的角度为：
Figure BDA0003304009360000096
由于D可以通过两个天线接收的第二UWB信号计算得到，而d又已知，因此，可以获得角度α。
综上所述，无人机的控制器可以获得无人机与停机坪之间的距离和角度，因此可以根据距离和角度自动控制无人机实现精准返航，由于UWB信号的定位精度较高，因此可以利用UWB信号实现的定位精度可以达到距离在30cm以内，角度在±3°以内。
以上仅是原理的分析过程，下面具体介绍如何利用ANT2、ANT3和ANT4获得无人机与停机坪之间的角度的过程。
控制器，具体用于根据第二天线与第三天线之间的第一距离、第二天线接收的第二UWB信号和第三天线接收的第二UWB信号获得定位设备相对于第二天线和定位设备相对于第三天线之间的第一角度；还具体用于根据第二天线与第四天线之间的第二距离、第二天线接收的第二UWB信号和第四天线接收的第二UWB信号获得定位设备相对于第二天线和定位设备相对于第三天线之间的第二角度；
控制器，具体用于根据所第一角度和第二角度获得无人机与停机坪之间的角度。
控制器，具体用于根据第二天线接收的第二UWB信号的相位和第三天线接收的第二UWB信号的相位获得第一相位差，根据第一相位差、第一距离和电磁波传播速度获得第一角度；用于根据第二天线接收的第二UWB信号的相位和第四天线接收的第二UWB信号的相位获得第二相位差，根据第二相位差、第二距离和电磁波传播速度获得第二角度。
控制器具体根据以下公式获得第一角度α1；
Figure BDA0003304009360000101
其中，d1为第一距离，
Figure BDA0003304009360000102
c为电磁波传播速度，
Figure BDA0003304009360000103
为第一相位差；
控制器具体用于根据以下公式获得第二角度α2；
Figure BDA0003304009360000104
其中，d2为第二距离，
Figure BDA0003304009360000105
为第二相位差。
因此，本申请实施例提供的无人机，可以根据无人机上的天线接收的第二UWB信号的相位差以及天线之间的距离获得无人机与停机坪之间的角度。
定位设备实施例
基于以上实施例提供的一种无人机，本申请实施例还提供一种与无人机对应的定位设备，下面结合附图进行详细说明。
参见图9，该图为本申请实施例提供的一种定位设备的示意图。
本实施例提供的定位设备与以上实施例提供的无人机对应，该定位设备包括：控制器201、射频收发电路202和天线203；
射频收发电路202，用于通过天线203接收无人机发送的第一UWB信号，并将第一UWB信号发送给控制器；
控制器201，用于根据第一UWB信号生成反馈UWB信号，将反馈UWB信号通过射频收发电路202和天线203发射给无人机，使无人机根据第一UWB信号的传输时间和反馈UWB信号的传输时间获得无人机与停机坪之间的距离；即定位设备仅是配合无人机完成距离的测试，当无人机向定位设备发送第一UWB信号时，定位设备向无人机发送反馈UWB信号，并且发送接收到第一UWB信号的时间以及发送反馈UWB信号的时间，以便于使无人机获得距离。
控制器201，还用于通过射频收发电路202和天线203向无人机发送第二UWB信号，使无人机根据第二UWB信号获得无人机与定位设备之间的角度。
以上无人机实施例已经详细介绍根据不同天线接收的第二UWB信号获得无人机与定位设备之间的角度的过程，在此不再赘述。
下面结合附图介绍定位设备的一种具体实现方式。
参见图10，该图为本申请实施例提供的又一种定位设备的示意图。
本实施例提供的定位设备，射频收发电路202包括接收通道RX和发射通道TX；
接收通道RX，用于接收第一UWB信号并转发给控制器；
发射通道TX，用于将反馈UWB信号通过天线ANT发送给无人机；
发射通道TX，还用于将第二UWB信号通过天线ANT发送给无人机。
为了精简硬件架构，接收通道RX和发射通道TX可以共用一个天线ANT，接收通道RX和发射通道TX通过开关组203来实现与天线ANT的切换，即射频收发电路202包括开关组203。
控制器，还用于控制开关组203中的开关动作使天线ANT与接收通道RX接通，使接收通道RX接收第一UWB信号，还用于控制开关组203中的开关动作使天线ANT与发射通道TX接通，使发射通道TX发送反馈UWB信号和第二UWB信号。
另外，为了使定位设备更准确地接收到第一UWB信号，以及使定位设备更准确地发送反馈UWB信号和第二UWB信号，本实施例提供的定位设备中的射频收发电路还包括滤波器。
本实施例提供的定位设备还包括滤波器FIL，具体地，天线ANT和开关组203之间连接滤波器FIL。
本申请实施例中不具体限定各个滤波器的类型，例如可以为带通滤波器，使UWB频段的信号通过，其余频段的信号无法通过。
本申请实施例提供的定位设备可以配合无人机完成距离的测量和角度的测量，从而使无人机可以根据距离和角度精准返航或降落到定位设备的位置。
定位系统实施例
基于以上实施例提供的一种无人机和定位设备，本申请实施例还提供一种定位系统，下面结合附图进行详细介绍。
参见图11，该图为本申请实施例提供的一种定位系统的示意图。
本实施例提供的定位系统，包括以上实施例介绍的无人机100和以上实施例介绍的定位设备200。
无人机100与和定位设备200之间发送UWB信号和接收UWB信号实现无人机自动返航至停机坪。
由于本申请实施例提供的定位系统，利用UWB信号进行定位，而UWB信号可以定位的距离在厘米单位，因此，相比北斗和GPS可以实现更精确地定位，从而使无人机可以更加精准地实现返航或降落。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (15)

1.一种无人机，其特征在于，包括：控制器、射频收发电路和天线阵列；
所述射频收发电路和所述天线阵列以及所述控制器电连接；
所述控制器，用于向所述射频收发电路发送第一超宽带UWB信号；
所述射频收发电路，用于通过所述天线阵列发射所述第一UWB信号，并通过所述天线阵列接收来自停机坪的定位设备针对所述第一UWB信号的反馈UWB信号，并将所述反馈UWB信号发送给所述控制器；
所述控制器，还用于根据所述第一UWB信号的传输时间和所述反馈UWB信号的传输时间获得所述无人机与所述停机坪的定位设备之间的距离；
所述天线阵列包括多个天线，所述多个天线形成一个平面；
所述控制器，还用于根据所述多个天线接收的所述停机坪的定位设备发送的第二UWB信号获得所述无人机与所述停机坪的定位设备之间的角度；根据所述无人机与所述停机坪的定位设备之间的距离和所述角度控制所述无人机返航所述停机坪。
2.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述停机坪的定位设备针对所述第一UWB信号的反馈UWB信号携带所述第一UWB信号的接收时间和所述反馈UWB信号的发射时间；所述控制器，具体用于根据所述第一UWB信号的发射时间和所述第一UWB信号的接收时间获得所述第一UWB信号的传输时间，以及根据所述反馈信号的接收时间和所述反馈UWB信号的发射时间获得所述反馈UWB信号的传输时间。
3.根据权利要求2所述的无人机，其特征在于，所述控制器，具体用于根据所述第一UWB信号的传输时间、所述反馈UWB信号的传输时间和电磁波传播速度获得所述无人机与所述停机坪之间的距离；所述第一UWB信号和所述反馈UWB信号均为电磁波。
4.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述天线阵列包括至少三个天线，所述至少三个天线形成一个平面；
所述控制器，具体用于根据所述至少三个天线接收的所述停机坪的定位设备发送的第二UWB信号获得所述无人机与所述停机坪之间的角度。
5.根据权利要求4所述的无人机，其特征在于，所述天线阵列至少包括以下四个天线：第一天线、第二天线、第三天线和第四天线；
所述第一天线，用于发射所述第一UWB信号和接收所述反馈UWB信号；
所述第二天线、所述第三天线和所述第四天线，均用于接收所述定位设备发送的所述第二UWB信号；
所述控制器，具体用于根据所述第二UWB信号获得所述定位设备相对于所述第二天线和所述定位设备相对于所述第三天线之间的第一角度，以及根据所述第二UWB信号获得所述定位设备相对于所述第二天线和所述定位设备相对于所述第四天线之间的第二角度，根据所第一角度和所述第二角度获得所述无人机与所述停机坪之间的角度。
6.根据权利要求5所述的无人机，其特征在于，所述控制器，具体用于根据所述第二天线与所述第三天线之间的第一距离、所述第二天线接收的所述第二UWB信号和所述第三天线接收的所述第二UWB信号获得所述定位设备相对于所述第二天线和所述定位设备相对于所述第三天线之间的第一角度；还具体用于根据所述第二天线与所述第四天线之间的第二距离、所述第二天线接收的所述第二UWB信号和所述第四天线接收的所述第二UWB信号获得所述定位设备相对于所述第二天线和所述定位设备相对于所述第四天线之间的第二角度；
所述控制器，具体用于根据所第一角度和所述第二角度获得所述无人机与所述停机坪之间的角度。
7.根据权利要求6所述的无人机，其特征在于，所述控制器，具体用于根据所述第二天线接收的所述第二UWB信号的相位和所述第三天线接收的所述第二UWB信号的相位获得第一相位差，根据所述第一相位差、所述第一距离和电磁波传播速度获得所述第一角度；用于根据所述第二天线接收的所述第二UWB信号的相位和所述第四天线接收的所述第二UWB信号的相位获得第二相位差，根据所述第二相位差、所述第二距离和电磁波传播速度获得所述第二角度。
8.根据权利要求7所述的无人机，其特征在于，所述控制器具体根据以下公式获得所述第一角度α1；
Figure FDA0003304009350000021
其中，d1为所述第一距离，
Figure FDA0003304009350000022
c为所述电磁波传播速度，
Figure FDA0003304009350000023
为所述第一相位差；
所述控制器具体用于根据以下公式获得所述第二角度α2；
Figure FDA0003304009350000024
其中，d2为所述第二距离，
Figure FDA0003304009350000025
Figure FDA0003304009350000026
为所述第二相位差。
9.根据权利要求4-8任一项所述的无人机，其特征在于，所述射频收发电路包括：发射通道、第一接收通道、第二接收通道、第一开关组和第二开关组；
所述第一天线和所述第二天线均通过所述第一开关组连接所述发射通道；
所述第一天线和所述第二天线均通过所述第一开关组连接所述第一接收通道；
所述第三天线和所述第四天线均通过所述第二开关组连接所述第二接收通道；
所述控制器，具体用于控制所述第一开关组中的开关动作使所述第一天线与所述发射通道接通，通过所述第一天线发射所述第一UWB信号，并控制所述第一开关组中的开关动作使所述第一天线与所述第一接收通道接通，通过所述第一天线接收所述反馈UWB信号；具体用于控制所述第一开关组中的开关动作使所述第二天线与所述第一接收通道接通，接收所述第二天线接收的第二UWB信号；具体用于控制所述第二开关组中的开关动作，分别使所述第三天线与所述第二接收通道接通和所述第四天线与所述第二接收通道接通，分别接收所述第三天线接收的所述第二UWB信号和所述第四天线接收的所述第二UWB信号。
10.根据权利要求9所述的无人机，其特征在于，所述射频收发电路还包括：第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和第四滤波器；所述第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和第四滤波器均用于UWB频段的滤波；
所述第一天线和所述第一开关组之间连接所述第一滤波器；
所述第二天线和所述第一开关组之间连接所述第二滤波器；
所述第三天线和所述第二开关组之间连接所述第三滤波器；
所述第四天线和所述第二开关组之间连接所述第四滤波器。
11.一种与权利要求1-10任一项所述的无人机对应的定位设备，其特征在于，包括：控制器、射频收发电路和天线；
所述射频收发电路，用于通过所述天线接收所述无人机发送的第一UWB信号，并将所述第一UWB信号发送给所述控制器；
所述控制器，用于根据所述第一UWB信号生成反馈UWB信号，将所述反馈UWB信号通过所述射频收发电路和所述天线发射给所述无人机，使所述无人机根据所述第一UWB信号的传输时间和所述反馈UWB信号的传输时间获得所述无人机与所述停机坪之间的距离；
所述控制器，还用于通过所述射频收发电路和所述天线向所述无人机发送第二UWB信号，使所述无人机根据所述第二UWB信号获得所述无人机与所述定位设备之间的角度。
12.根据权利要求11所述的定位设备，其特征在于，所述射频收发电路包括接收通道和发射通道；
所述接收通道，用于接收所述第一UWB信号并转发给所述控制器；
所述发射通道，用于将所述反馈UWB信号通过所述天线发送给所述无人机；
所述发射通道，还用于将所述第二UWB信号通过所述天线发送给所述无人机。
13.根据权利要求12所述的定位设备，其特征在于，所述射频收发电路包括开关组；
所述控制器，还用于控制所述开关组中的开关动作使所述天线与所述接收通道接通，使所述接收通道接收所述第一UWB信号，还用于控制所述开关组中的开关动作使所述天线与所述发射通道接通，使所述发射通道发送所述反馈UWB信号和所述第二UWB信号。
14.根据权利要求13所述的定位设备，其特征在于，所述射频收发电路还包括滤波器；
所述天线和所述开关组之间连接所述滤波器。
15.一种定位系统，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所述的无人机和权利要求11-14任一项所述的定位设备；
所述无人机与和所述定位设备之间发送和接收UWB信号实现所述无人机自动返航至所述停机坪。
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