CN114705192B - 隧道环境下旋翼无人机自主导航方法及系统 - Google Patents

隧道环境下旋翼无人机自主导航方法及系统 Download PDF

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Abstract

隧道环境下旋翼无人机自主导航方法及系统，在隧道内的顶部等间距地布置n个超宽带定位基站，采集每个基站的经纬度坐标；其中，隧道的一端作为起点，部署第1个基站；将起点的经纬度坐标设置为机载超宽带标签的经纬度初始坐标；测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离和当前的航向；利用超宽带标签与基站进行通信，确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置和累积角度；根据绝对轴向位置确定目标点位置，根据累积角度修正航向，同时利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置。采用超宽带基站进行隧道环境下的一维定位，基于传感器技术对位置累计误差进行及时修正，满足隧道环境内的旋翼无人机进行长距离飞行的高精度导航需求。

Description

隧道环境下旋翼无人机自主导航方法及系统
技术领域
本发明涉及图像传输技术领域，更具体地，涉及隧道环境下旋翼无人机自主导航方法及系统。
背景技术
随着无人机控制技术发展与成熟，其在电力行业领域的应用快速增长，市场上成熟的无人机控制技术以GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)导航为基础，主要应用在室外环境下，而对于GNSS信号较差的隧道内环境，尚无成熟温度的导航方法。
现有技术1(CN108520640A)提出基于超宽带的无人机导航方法、导航设备和无人机，无人机与导航设备之间建立超宽带通信，根据超宽带通信确定无人机与导航设备之间的相对位置，无人机根据相对位置朝着靠近或远离导航设备方法运动。现有技术2(CN110850457A)一种用于室内煤场的无人机定位导航方法，将UWB(Ultra Wide Band，超宽带)定位数据和GPS(Global Positioning System，全球定位系统)或北斗位星信号数据融合获得位置坐标，再根据先验地图，对无人机进行定位导航。该专利技术中，需要多种坐标数据进行融合，数据处理量大、算法复杂，更重要的是，导航数据的准确性还受制于先验地图的准确性，因此该专利技术的使用具有一定的局限性。现有技术3(CN112219137A)无人机定位方法、装置、无人机和计算机可读介质，其中采用超宽带定位信号确定无人机的第二定位结果，定位过程包括：通过超宽带收发装置发射超宽带信号，接收无人机作业区域内的多个超宽带收发机返回的信号，其中，超宽带收发机返回的信号包含超宽带收发机位置信息，基于所接收到的信号，确定各超宽带收发机与无人机的距离，基于各超宽带收发机的位置信息和所确定的各距离，确定无人机的第二定位结果；该现有技术中，使用全球卫星导航定位信息，无法适用于隧道环境下。现有技术4(CN112556691A)一种基于相对距离与位移测量值的无人机自主导航与温度测量系统及其方法，包括红外测距仪，测出无人机与被测对象间的相对距离，根据所有相对距离与位移信息计算得到无人机位置；该现有技术采用光流系统进行无人机导航与定位，无法修正无人机系统的累积误差。
综上，需要研究隧道环境下旋翼无人机自主导航，不依赖全球卫星导航定位信息，能够进行无人机的定位以及位置累计误差的及时修正，从而提升隧道环境下的适用度以及长距离飞行的定位精度。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供隧道环境下旋翼无人机自主导航方法及系统，采用超宽带基站进行隧道环境下的一维定位，基于传感器技术对位置累计误差进行及时修正，满足隧道环境内的旋翼无人机进行长距离飞行的高精度导航需求。
本发明采用如下的技术方案。
本发明一方面提供了隧道环境下旋翼无人机自主导航方法，包括：
步骤1，在隧道内的顶部等间距地布置n个超宽带定位基站，采集每个超宽带定位基站的经纬度坐标；其中，隧道的一端作为起点，部署第1个超宽带定位基站；
步骤2，将起点的经纬度坐标设置为超宽带标签的经纬度初始坐标；所述超宽带标签安装在旋翼无人机上；
步骤3，测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离和旋翼无人机当前的航向；
步骤4，利用超宽带标签与超宽带定位基站进行通信，确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置和累积角度，绝对轴向位置代表无人机当前在隧道中的一维位置，累积角度为无人机在隧道当前段中累积偏转角度总和；
步骤5，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定下一个时刻的目标点位置，根据累积角度修正旋翼无人机的航向，同时利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置。
优选地，步骤1中，超宽带定位基站沿着隧道轴向布置在隧道内的顶部，每两个超宽带定位基站之间的间距d小于等于50米；每两个超宽带定位基站之间不存在S弯。
优选地，步骤1中，从隧道的一端，即起点开始，对各超宽带定位基站依次进行编号，其中，第j个超宽带定位基站Staj的经纬度坐标为(Loc_Staj_Lon,Loc_Staj_Lat)；
并且，第1个超宽带定位基站Sta1的经度坐标Loc_Sta1_Lon为0，第j个超宽带定位基站Staj的经度坐标Loc_Staj_Lon为(j-1)d，其中d为每两个超宽带定位基站之间的间距。
优选地，步骤2中，超宽带标签的经纬度初始坐标为(Loc_Sta1_Lon,loc_Sta1_Lat)，即(0,Loc_Sta1_Lat)。
优选地，步骤3中，采用激光测距装置测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离L1和L2；通过机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向H。
优选地，步骤4包括：
步骤4.1，计算超宽带标签与各超宽带定位基站的相对轴向距离，并选择两个最小相对轴向距离Xm和Xm+1；其中，相对轴向距离Xm对应超宽带定位基站Stam，相对轴向距离Xm+1对应超宽带定位基站Stam+1；
步骤4.2，利用相对轴向距离Xm，以如下关系式计算得到旋翼无人机当前的绝对轴向位置
式中，d为两个超宽带定位基站之间的间距，m为轴向距离Xm对应超宽带定位基站Stam的编号；
步骤4.3，计算超宽带定位基站Stam和Stam+1之间的直线距离D(m,m+1)，满足如下关系式：
D(m,m+1)＝6371004×cos-1(1-((sinαm×cosβm-sinαm+1×cosβm+1)2+(sin2αm-sin2αm+1)2+(cosβm-cosβm+1)2)/2)
式中，
αm＝(90-Loc_Stam_Lat)×π/180°，
αm+1＝(90-Loc_Stam+1_Lat)×π/180°，
βm＝(Loc_Stam_Lon)×π/180°，
βm+1＝(Loc_Stam+1_Lon)×π/180°，
第m个超宽带定位基站Stam的经纬度坐标为(Loc_Stam_Lon,Loc_Stam_Lat)，
第m+1个超宽带定位基站Stam+1的经纬度坐标为(Loc_Stam+1_Lon,Loc_Stam+1_Lat)；
步骤4.4，利用超宽带定位基站Stam和Stam+1之间的直线距离D(m,m+1)，计算旋翼无人机的累积角度θ，满足如下关系式：
其中，累积角度θ表示旋翼无人机从超宽带定位基站Stam飞机到超宽带定位基站Stam+1产生的航向偏移角度。
优选地，步骤5包括：
步骤5.1，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定旋翼无人机下一个时刻的目标点位置；
步骤5.2，根据累积角度θ修正旋翼无人机的航向，满足如下关系式：
H′＝H+θ/50
式中，H′为旋翼无人机的修正后航向，H为通过机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向；
步骤5.3，利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置，控制旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离满足关系式|L1-L2|≤0.1米。
本发明的另一方面提供了隧道环境下旋翼无人机自主导航系统，包括：n个超宽带定位基站、机载超宽带标签、激光测距装置、机载磁罗盘、机载自主导航模块；
n个超宽带定位基站，等间距地布置在隧道内的顶部；
机载超宽带标签安装在旋翼无人机上；
超宽带标签与超宽带定位基站进行通信，确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置和累积角度，
激光测距装置测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离；
机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向；
机载自主导航模块，用于根据绝对轴向位置确定旋翼无人机的目标点位置，根据累积角度修正旋翼无人机的航向，同时利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置。
机载自主导航模块包括：轴向距离采集单元、目标位置控制单元、航向控制单元、水平控制单元；
轴向距离采集单元，采集旋翼无人机与最接近的两个超宽带定位基站的相对轴向距离；
目标位置控制单元，根据相对轴向距离确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定旋翼无人机下一个时刻的目标点位置；
航向控制单元，计算与旋翼无人机最接近的两个超宽带定位基站之间的直线距离，根据直线距离确定旋翼无人机的累积角度，利用累积角度修正旋翼无人机的航向；
水平控制单元，利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置，实现旋翼无人机在隧道正中飞行。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、充分考虑了隧道环境的特殊性，不依赖全球卫星导航定位信息，采用超宽带定位基站进行隧道环境下的一维定位；
2、基于传感器技术对位置累计误差进行及时修正，满足隧道环境内的旋翼无人机进行长距离飞行的高精度导航需求。
附图说明
图1为本发明隧道环境下旋翼无人机自主导航方法的步骤框图；
图2为本发明一实施例中旋翼无人机自主导航的示意图；
图2中的附图标记说明如下：
Sta1-第1个超宽带定位基站；Sta2-第2个超宽带定位基站；Sta3-第3个超宽带定位基站；Sta4-第4个超宽带定位基站；L1和L2分别为采用激光测距装置测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离；H为通过机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1，本发明的一个优选实施例提供了一种隧道环境下旋翼无人机自主导航方法，包括步骤1至5，具体如下：
步骤1，在隧道内的顶部等间距地布置n个超宽带定位基站，采集每个超宽带定位基站的经纬度坐标；其中，隧道的一端作为起点，部署第1个超宽带定位基站。
优选地，步骤1中，超宽带定位基站沿着隧道的轴向(即隧道的长度方向)布置在隧道内的顶部，每两个超宽带定位基站之间的间距d小于等于50米；每两个超宽带定位基站之间不存在S弯。
值得注意的是，所属领域技术人员可以根据隧道长度和定位精准度而确定每两个超宽带定位基站之间的间距，本发明优选实施例中采用的小于等于50米，是一种非限制性的较优选择。
优选地，步骤1中，从隧道的一端，即起点开始，对各超宽带定位基站依次进行编号，其中，第h个超宽带定位基站Staj的经纬度坐标为(Loc_Staj_Lon,Loc_Staj_Lat)；
并且，第1个超宽带定位基站Sta1的经度坐标Loc_Sta1_Lon为0，第j个超宽带定位基站Staj的经度坐标Loc_Staj_Lon为(j-1)d，其中d为每两个超宽带定位基站之间的间距。
本发明优选实施例中，每两个超宽带定位基站之间的间距为50米，则第1个超宽带定位基站Sta1的经度坐标Loc_Sta1_Lon为0，即轴向位置为0，第二个超宽带定位基站Sta2的轴向位置为50，第三个超宽带定位基站Sta3的轴向位置为100，第四个超宽带定位基站Sta4的轴向位置为150，依此类推。
步骤2，将起点的经纬度坐标设置为超宽带标签的经纬度初始坐标；超宽带标签安装在旋翼无人机上。
具体地，步骤2中，超宽带标签的经纬度初始坐标为(Loc_Sta1_Lon,Loc_Sta1_Lat)，即(0,Loc_Sta1_Lat)。
步骤3，测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离和旋翼无人机当前的航向。
具体地，如图2，步骤3中，采用激光测距装置测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离L1和L2；通过机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向H。
步骤4，利用超宽带标签与超宽带定位基站进行通信，确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置和累积角度，绝对轴向位置代表无人机当前在隧道中的一维位置，累积角度为无人机在隧道当前段中累积偏转角度总和。
具体地，步骤4包括：
步骤4.1，计算超宽带标签与各超宽带定位基站的相对轴向距离，并选择两个最小相对轴向距离Xm和Xm+1；其中，相对轴向距离Xm对应超宽带定位基站Stam，相对轴向距离Xm+1对应超宽带定位基站Stam+1；
步骤4.2，利用相对轴向距离Xm，以如下关系式计算得到旋翼无人机当前的绝对轴向位置
式中，d为两个超宽带定位基站之间的间距，m为轴向距离Xm对应超宽带定位基站Stam的编号；
步骤4.3，计算超宽带定位基站Stam和Stam+1之间的直线距离D(m,m+1)，满足如下关系式：
D(m,m+1)＝6371004×cos-1(1-((sinαm×cosβm-sinαm+1×cosβm+1)2+(sin2αm-sin2αm+1)2+(cosβm-cosβm+1)2)/2)
式中，
αm＝(90-Loc_Stam_Lat)×π/180°，
αm+1＝(90-Loc_Stam+1_Lat)×π/180°，
βm＝(Loc_Stam_Lon)×π/180°，
βm+1＝(Loc_Stam+1_Lon)×π/180°，
第m个超宽带定位基站Stam的经纬度坐标为(Loc_Stam_Lon,Loc_Stam_Lat)，
第m+1个超宽带定位基站Stam+1的经纬度坐标为(Loc_Stam+1_Lon,Loc_Stam+1_Lat)；
步骤4.4，利用超宽带定位基站Stam和Stam+1之间的直线距离D(m,m+1)，计算旋翼无人机的累积角度θ，满足如下关系式：
其中，累积角度θ表示旋翼无人机从超宽带定位基站Stam飞机到超宽带定位基站Stam+1产生的航向偏移角度。
步骤5，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定下一个时刻的目标点位置，根据累积角度修正旋翼无人机的航向，同时利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置。
具体地，步骤5包括：
步骤5.1，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定旋翼无人机下一个时刻的目标点位置；
步骤5.2，根据累积角度θ修正旋翼无人机的航向，满足如下关系式：
H′＝H+θ/50
式中，H′为旋翼无人机的修正后航向，H为通过机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向；
步骤5.3，利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置，控制旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离满足关系式|L1-L2|≤0.1米。
值得注意的是，旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离差距不超过0.1米是一种非限制性的较优选择，所属领域技术人员可以根据旋翼无人机飞行水平要求以及隧道环境特性，设置不同的直线距离差距限值。
本发明的又一优选实施例提供了一种隧道环境下旋翼无人机自主导航系统，包括：n个超宽带定位基站、机载超宽带标签、激光测距装置、机载磁罗盘、机载自主导航模块；
n个超宽带定位基站，等间距地布置在隧道内的顶部；
机载超宽带标签安装在旋翼无人机上；
超宽带标签与超宽带定位基站进行通信，确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置和累积角度，
激光测距装置测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离；
机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向；
机载自主导航模块，用于根据绝对轴向位置确定旋翼无人机的目标点位置，根据累积角度修正旋翼无人机的航向，同时利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置。
机载自主导航模块包括：轴向距离采集单元、目标位置控制单元、航向控制单元、水平控制单元；
轴向距离采集单元，采集旋翼无人机与最接近的两个超宽带定位基站的相对轴向距离；
目标位置控制单元，根据相对轴向距离确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定旋翼无人机下一个时刻的目标点位置；
航向控制单元，计算与旋翼无人机最接近的两个超宽带定位基站之间的直线距离，根据直线距离确定旋翼无人机的累积角度，利用累积角度修正旋翼无人机的航向；
水平控制单元，利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置，实现旋翼无人机在隧道正中飞行。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、充分考虑了隧道环境的特殊性，不依赖全球卫星导航定位信息，采用超宽带定位基站进行隧道环境下的一维定位；
2、基于传感器技术对位置累计误差进行及时修正，满足隧道环境内的旋翼无人机进行长距离飞行的高精度导航需求。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.隧道环境下旋翼无人机自主导航方法，其特征在于，
所述方法包括：
步骤1，在隧道内的顶部等间距地布置n个超宽带定位基站，采集每个超宽带定位基站的经纬度坐标；其中，隧道的一端作为起点，部署第1个超宽带定位基站；
步骤2，将起点的经纬度坐标设置为超宽带标签的经纬度初始坐标；所述超宽带标签安装在旋翼无人机上；
步骤3，测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离和旋翼无人机当前的航向；
步骤4，利用超宽带标签与超宽带定位基站进行通信，确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置和累积角度，绝对轴向位置代表无人机当前在隧道中的一维位置，累积角度为旋翼无人机在相邻的两个超宽带定位基站之间飞行产生的航向偏移角度；
步骤5，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定下一个时刻的目标点位置，根据累积角度修正旋翼无人机的航向，同时利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置，旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离差距不超过直线距离差距限值。
2.根据权利要求1所述的隧道环境下旋翼无人机自主导航方法，其特征在于，
步骤1中，超宽带定位基站沿着隧道轴向布置在隧道内的顶部，每两个超宽带定位基站之间的间距小于等于50米；每两个超宽带定位基站之间不存在S弯。
3.根据权利要求2所述的隧道环境下旋翼无人机自主导航方法，其特征在于，
步骤1中，从隧道的一端，即起点开始，对各超宽带定位基站依次进行编号，其中，第个超宽带定位基站/>的经纬度坐标为/>。
4.根据权利要求1所述的隧道环境下旋翼无人机自主导航方法，其特征在于，
步骤3中，采用激光测距装置测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离和/>；通过机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向/>。
5.根据权利要求1所述的隧道环境下旋翼无人机自主导航方法，其特征在于，
步骤4包括：
步骤4.1，计算超宽带标签与各超宽带定位基站的相对轴向距离，并选择两个最小相对轴向距离和/>；其中，相对轴向距离/>对应超宽带定位基站/>，相对轴向距离/>对应超宽带定位基站/>；
步骤4.2，利用相对轴向距离，以如下关系式计算得到旋翼无人机当前的绝对轴向位置/>：
式中，为两个超宽带定位基站之间的间距，/>为相对轴向距离/>对应超宽带定位基站/>的编号；
步骤4.3，计算超宽带定位基站和/>之间的直线距离/>，满足如下关系式：
式中，
，
，
，
，
第个超宽带定位基站/>的经纬度坐标为，
第个超宽带定位基站/>的经纬度坐标为；
步骤4.4，利用超宽带定位基站和/>之间的直线距离/>，计算旋翼无人机的累积角度/>，满足如下关系式：
其中，累积角度表示旋翼无人机从超宽带定位基站/>飞行到超宽带定位基站产生的航向偏移角度。
6.根据权利要求1所述的隧道环境下旋翼无人机自主导航方法，其特征在于，
步骤5包括：
步骤5.1，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定旋翼无人机下一个时刻的目标点位置；
步骤5.2，根据累积角度修正旋翼无人机的航向，满足如下关系式：
式中，为旋翼无人机的修正后航向，/>为通过机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向；
步骤5.3，利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置，控制旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离满足关系式米。
7.利用权利要求1至6任一项所述的隧道环境下旋翼无人机自主导航方法而实现的隧道环境下旋翼无人机自主导航系统，其特征在于，
所述系统包括：n个超宽带定位基站、机载超宽带标签、激光测距装置、机载磁罗盘、机载自主导航模块；
所述n个超宽带定位基站，等间距地布置在隧道内的顶部；
所述机载超宽带标签安装在旋翼无人机上；
超宽带标签与超宽带定位基站进行通信，确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置和累积角度，
所述激光测距装置测量旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离；
所述机载磁罗盘获取旋翼无人机的当前航向；
所述机载自主导航模块，用于根据绝对轴向位置确定旋翼无人机的目标点位置，根据累积角度修正旋翼无人机的航向，同时利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置。
8.根据权利要求7所述的隧道环境下旋翼无人机自主导航系统，其特征在于，
所述机载自主导航模块包括：轴向距离采集单元、目标位置控制单元、航向控制单元、水平控制单元；
所述轴向距离采集单元，采集旋翼无人机与最接近的两个超宽带定位基站的相对轴向距离；
所述目标位置控制单元，根据相对轴向距离确定旋翼无人机当前的绝对轴向位置，根据当前旋翼无人机绝对轴向位置确定旋翼无人机下一个时刻的目标点位置；
所述航向控制单元，计算与旋翼无人机最接近的两个超宽带定位基站之间的直线距离，根据直线距离确定旋翼无人机的累积角度，利用累积角度修正旋翼无人机的航向；
所述水平控制单元，利用旋翼无人机到隧道两侧内壁的直线距离修正旋翼无人机的水平位置，实现旋翼无人机在隧道正中飞行。
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