CN118210325A - 一种无人机的定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及领域，公开了一种无人机的定位系统及方法，本发明中的无人机定位系统是通过两架无人机来进行配合实现的，及控制第一无人机对桥梁底部进行检测，并通过第二无人机接收信号，且利用三轴云台相机对第一无人机进行视觉特征识别，并转动朝向第一无人机，计算并锁定第一无人机所在位置，再将位置信息发送给第一无人机，进行定位。

Description

一种无人机的定位系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机定位领域，具体的是一种无人机的定位系统及方法。

背景技术

在无人机技术领域中，精确定位是确保无人机安全、高效执行任务的关键，然而，当无人机在特定环境下（如桥底）作业时，即通过无人机拍摄桥梁底部架构以及表面情况，由于桥面较宽且存在其他建筑或其他障碍物的遮挡，会导致其无法直接接收到全球定位系统（GPS）或其他传统定位技术的精确信号，故此无人机移动至桥底时并无法知晓其所在精确位置，导致在控制无人机飞行至桥梁底部，对桥梁下端面进行观察时，容易因为视野较差的问题，导致无人机飞行超出原本行程，撞击桥梁顶端，造成无人机以及拍摄设备的损坏。

发明内容

本发明提供了一种无人机的定位系统及方法，其克服了背景技术中所描述的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：

一种无人机的定位系统，所述定位系统包括距离探测模块、监测模块、处理模块，距离探测模块设于第二无人机内，而监测模块设置于第一无人机内，第二无人机用于接收GPS信号，而第一无人机用于移动至桥梁底部并对桥梁底部进行监测，所述距离探测模块与监测模块均与处理模块信号连接；

所述距离探测模块包括安装于第一无人机上的第一UWB测距模块和第二无人机上的三轴云台相机、第二UWB测距模块，所述第一UWB测距模块与第二UWB测距模块信号连接，

当第一无人机与第二无人机均在作业时，通过第一UWB测距模块与第二UWB测距模块之间相互检测来获得第一无人机与第二无人机之间的直线间距。

所述第一无人机包括架体、第一电机、机臂、第二电机，第一电机安装在架体内，第一电机的输出轴贯穿过架体，且第一电机的输出轴上安装有一个衔接件，而机臂呈环形阵列状固定在衔接件外，每个机臂的末端均安装有一个第二电机，而第二电机的输出轴上安装有叶片；

所述架体表面设有一导轨，而每个机臂上均套设有一个滑动件，而每个滑动件的上端均安装有抵杆，当第一无人机飞行至桥梁下方并向上升起靠近桥梁时，抵杆的上端会与桥梁下端面相抵。

一较佳技术方案，所述衔接件上方设置有一个监测组件，监测组件包括支撑板体、离心电机、第一弹簧支撑条、摄像机，第一弹簧支撑条环形阵列于支撑板体的下端，支撑板体通过第一弹簧支撑条与各个滑动件相连，而摄像机与离心电机分别设于支撑板体的上下两端，所述摄像机的拍摄镜头垂直向上设置；

所述第一弹簧支撑条为弧形轮廓，且由橡胶材质制成。

一较佳技术方案，所述离心电机通过第二弹簧支撑条与第一弹簧固定在支撑板体下端，而第二弹簧支撑条为橡胶材质且呈弧形轮廓，并且第一弹簧设于第二弹簧支撑条外。

一较佳技术方案，所述滑动件包括滑块、活动管、第三弹簧、杆体，第三弹簧套设在杆体外，而活动管对称安装于第三弹簧的上下两端，且位于上端的活动管与滑块相连，且杆体的上下两端均不与两个活动管相连。

一较佳技术方案，所述抵杆包括套管、活动管、第二弹簧、橡胶块，所述活动管活动安装在套管内，而第二弹簧安装于套管内，且对活动管进行支撑；

所述橡胶块包裹在套管的上部，且突出于套管的上端，并同时包裹活动管，所述活动管的上端活动安装着一个滚珠，以通过滚珠与桥梁下端面相抵。

一种基于无人机的定位系统的定位方法，所述定位方法包括以下具体步骤：

S1：启动第一无人机与第二无人机进行工作，并通过终端控制第二无人机飞行至空旷上空，并接收信号再通过终端控制第一无人机飞行至需要监测、观察的桥梁底部；

S2：利用处理模块控制三轴云台相机朝向第一无人机所在大致方向，并利用三轴云台相机进行视觉特征识别第一无人机，让三轴云台相机调整至朝向第一无人机的准确方向、角度；

S3：读取三轴云台相机的姿态角度，获得第一无人机相对于第二无人机的方向角D和俯仰角p，并通过第一UWB测距模块与第二UWB测距模块之间的相互测量，获得第一无人机与第二无人机之间的直线间距d；

S3：随后在方向角D、俯仰角p、直线间距d的基础上，计算第一无人机所在位置，并将计算后得到的第一无人机精确位置发送至第一无人机以及控制第一无人机的终端；

步骤S3中，计算第一无人机所在位置的同时，先将方向角D和俯仰角p从角度分别转换为弧度Drad、Prad，计算式为：

并通过GPS定位第二无人机当前的位置的经度λb、纬度φb和高度hb，并将所述第一无人机与第二无人机之间的直线间距d转换为纬度差Δφ、经度差Δλ和高度差Δh，计算式为：

上述计算式中的R为地球半径；

再将第二无人机的经度λb、纬度φb和高度hb与计算得到的经度差Δλ、纬度差Δφ、高度差Δh相加，得到第一无人机的经度λa、纬度φa和高度ha，以下为计算式：

最终将计算得到的第一无人机经度λa、纬度φa和高度ha传输到第一无人机以及控制第一无人机的终端，完成第一无人机的定位。

本技术方案与现有技术相比，它具有如下优点：

本发明中的无人机定位系统是通过两架无人机来进行配合实现的，及控制第一无人机对桥梁底部进行检测，并通过第二无人机接收信号，且利用三轴云台相机对第一无人机进行视觉特征识别，并转动朝向第一无人机，计算并锁定第一无人机所在位置，再将位置信息发送给第一无人机，进行定位。

使用者在控制第一无人机在桥梁下飞行时，并无需特意控制第一无人机的具体精确飞行高度，只要让所有的抵杆均与桥梁底部相抵时，既可保持第一无人机的飞行平稳性，并通过衔接件的上设置的监测组件对桥梁下端表面、结构进行拍摄、监测，并且由于第一弹簧支撑条为弧形轮廓，且由橡胶材质制成，如此设置旨在通过离心电机在工作时所产生的震动来保持支撑板体的动态平衡，减少因第一无人机飞行时倾斜抵接桥梁底部而产生的摄像机抖动影响拍摄效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为第二无人机示意图。

图3为第一无人机示意图。

图4为第一无人机的局部结构示意图。

图5为抵杆示意图。

图6为图4中a处的放大示意图。

图7为监测组件示意图。

图8为离心电机示意图。

图中：第一无人机1、架体11、导轨111、抵杆112、套管1121、活动管1122、滚珠1221、第二弹簧1123、橡胶块1124、滑动件113、滑块1131、活动管1132、第三弹簧1133、杆体1134、第一电机12、衔接件121、机臂13、第二电机14、叶片141、监测组件15、支撑板体151、离心电机152、第二弹簧支撑条521、第一弹簧522、第一弹簧支撑条153、摄像机154；

第二无人机2、三轴云台相机21；

第一UWB测距模块101、第二UWB测距模块102。

具体实施方式

一种无人机的定位系统，所述定位系统所述定位系统包括距离探测模块、监测模块、处理模块，距离探测模块设于第二无人机2内，而监测模块设置于第一无人机1内，第二无人机2用于接收GPS信号，而第一无人机1用于移动至桥梁底部并对桥梁底部进行监测，所述距离探测模块与监测模块均与处理模块信号连接；

所述距离探测模块包括安装于第一无人机1上的第一UWB测距模块101和第二无人机2上的三轴云台相机21、第二UWB测距模块102，所述第一UWB测距模块101与第二UWB测距模块102信号连接，

当第一无人机1与第二无人机2均在作业时，通过第一UWB测距模块101与第二UWB测距模块102之间相互检测来获得第一无人机1与第二无人机2之间的直线间距。

基于上述内容可知，本发明中的无人机定位系统是通过两架无人机来进行配合实现的，及控制第一无人机1对桥梁底部进行检测，并通过第二无人机2接收信号，且利用三轴云台相机21对第一无人机1进行视觉特征识别，并转动朝向第一无人机1，计算并锁定第一无人机1所在位置，再将位置信息发送给第一无人机1，进行定位。

而基于上述的无人机定位系统，本实施例中还提出了一种基于无人机的定位系统的定位方法，所述定位方法包括以下具体步骤：

S1：启动第一无人机1与第二无人机2进行工作，并通过终端控制第二无人机2飞行至空旷上空，并接收信号再通过终端控制第一无人机1飞行至需要监测、观察的桥梁底部；

S2：利用处理模块控制三轴云台相机21朝向第一无人机1所在大致方向，并利用三轴云台相机21进行视觉特征识别第一无人机1，让三轴云台相机21调整至朝向第一无人机1的准确方向、角度；

S3：读取三轴云台相机21的姿态角度，获得第一无人机1相对于第二无人机2的方向角D和俯仰角p，并通过第一UWB测距模块101与第二UWB测距模块102之间的相互测量，获得第一无人机1与第二无人机2之间的直线间距d；

S4：随后在方向角D、俯仰角p、直线间距d的基础上，计算第一无人机1所在位置，并将计算后得到的第一无人机1精确位置发送至第一无人机1以及控制第一无人机1的终端；

步骤S3中，计算第一无人机1所在位置的同时，先将方向角D和俯仰角p从角度分别转换为弧度Drad、Prad，计算式为：

并通过GPS定位第二无人机2当前的位置的经度λb、纬度φb和高度hb，并将所述第一无人机1与第二无人机2之间的直线间距d转换为纬度差Δφ、经度差Δλ和高度差Δh，计算式为：

上述计算式中的R为地球半径；

再将第二无人机2的经度λb、纬度φb和高度hb与计算得到的经度差Δλ、纬度差Δφ、高度差Δh相加，得到第一无人机1的经度λa、纬度φa和高度ha，以下为计算式：

最终将计算得到的第一无人机1经度λa、纬度φa和高度ha传输到第一无人机1以及控制第一无人机1的终端，完成第一无人机1的定位。

而有必要解释的是，三轴云台，也称为三向稳定器，是相机云台中的一种，主要使用电机控制的三个转动轴来实现相机的稳定拍摄，这三个轴分别是滚动轴、俯仰轴和偏航轴，滚动轴是使相机绕着水平轴旋转的轴，而俯仰轴则通常由一个电机和与相机相连的一个关节构成，通过这三个轴的控制，而三轴云台的工作原理可以概括为以下几个步骤：

传感器感知：三轴云台配备了用于感知相机当前角度和位置的传感器，如加速度计、陀螺仪或磁力计等，这些传感器能够感知相机在三个轴上的旋转或运动，并将这些信息传输给控制系统；

控制系统：三轴云台的控制系统通过接收来自传感器的信息来判断相机的当前位置和方向，控制系统还接收来自用户的输入信号，根据用户的指令来调整相机的位置和方向，控制系统通常由一个微处理器或专用的控制芯片组成，根据预先设定的算法和控制策略来进行运算和控制；

控制信号输出：控制系统根据传感器的输入和用户的指令计算出相应的控制信号，这些控制信号通常是电流或脉冲信号，会传送到相机的电机上，电机通过接收控制信号来旋转相机的关节，从而改变相机的角度和方向；

而为了绘画的简洁性，相对于上述内容中对于三轴云台的公知常识结构，本发明中并不对其赘述以及绘画；

而为了满足上述内容中的视觉特征识别，故此需要选用现有技术中满足相应功能的三轴云台即具有传感器感知、并通过感知器了解并控制三轴云台上的相机。

并且需要解释的是，UWB测距模块的实现通常依赖于特定的硬件设备，这些设备主要包括UWB芯片模组、天线、蓝牙模块以及其他相关的电路和组件；

首先，UWB芯片模组是核心组件，它负责发送和接收超宽带信号，并利用ToFTimeOf Flight，飞行时间原理进行距离测量，在选择UWB芯片模组时，需要考虑其高精度、低功耗、抗干扰能力强等特点，以满足各种智能场景的需求；

其次，天线设计对于确保信号的稳定性和强度至关重要，天线需要根据具体场景进行优化，以便在复杂环境中实现准确可靠的测距；

在硬件搭建过程中，需要将UWB芯片模组与蓝牙模块进行集成，以便通过蓝牙进行通信和同步，同时，还需要搭建相应的电源电路和信号处理电路，以确保设备的正常运行和数据的准确处理；

软件实现是整个方案的核心，包括UWB测距算法的实现、蓝牙通信协议的制定等，UWB测距算法的实现需要利用UWB芯片模组的特性进行距离测量，并通过算法优化以提高精度；

因此，UWB测距模块的实现依赖于包括UWB芯片模组、天线、蓝牙模块、电源电路、信号处理电路以及相应的软件算法在内的多种设备和技术的综合应用，这些设备和技术的有机结合，使得UWB测距模块能够在各种智能场景中实现高精度、高可靠性的测距功能。

上述中的无人机定位系统及定位方法均是用于提供第一无人机1在桥底的具体位置，避免无人机在操控飞行的过程中，因定位信号弱而无法精确飞行至指定区域、目标，导致对桥底的拍摄监测效果差，而通过上述内容中形成的定位效果，能够有效的让操作人员在第一无人机1的操作终端知晓第一无人机1在桥底的实际位置。

而为了在第一无人机1沿桥梁下方飞行并拍摄、监测桥梁底部的结构情况时能够与桥梁保持相对稳定，以提高拍摄的效果，故此本发明做出如下设置：

本发明中的所述第一无人机1包括架体11、第一电机12、机臂13、第二电机14，第一电机12安装在架体11内，第一电机12的输出轴贯穿过架体11，且第一电机12的输出轴上安装有一个衔接件121，而机臂13呈环形阵列状固定在衔接件121外，每个机臂13的末端均安装有一个第二电机14，而第二电机14的输出轴上安装有叶片141，并且，所述架体11表面设有一导轨111，而每个机臂13上均套设有一个滑动件113，而每个滑动件113的上端均安装有抵杆112，当第一无人机1飞行至桥梁下方并向上升起靠近桥梁时，抵杆112的上端会与桥梁下端面相抵；

上述设置旨在通过抵杆112在第一无人机1飞行至桥梁下端时，对桥梁下端进行抵接，使第一无人机1不论如何向上飞行、撞击桥梁底部，均不会对第一无人机1内的结构造成破坏；

基于此可知，使用者在控制第一无人机1在桥梁下飞行时，并无需特意控制第一无人机1的具体精确飞行高度，只要让所有的抵杆112均与桥梁底部相抵时，既可保持第一无人机1的飞行平稳性，并通过衔接件121的上设置的监测组件15对桥梁下端表面、结构进行拍摄、监测。

进一步得到，监测组件15包括支撑板体151、离心电机152、第一弹簧支撑条153、摄像机154，第一弹簧支撑条153环形阵列于支撑板体151的下端，支撑板体151通过第一弹簧支撑条153与各个滑动件113相连，而摄像机154与离心电机152分别设于支撑板体151的上下两端，所述摄像机154的拍摄镜头垂直向上设置，而所述第一弹簧支撑条153为弧形轮廓，且由橡胶材质制成，如此设置旨在通过离心电机152在工作时所产生的震动来保持支撑板体151的动态平衡，减少因第一无人机1飞行时倾斜抵接桥梁底部而产生的摄像机154抖动影响拍摄效果；

并且有必要解释的是，离心电机152所产生的离心力小于第一弹簧支撑条153的形变应力，在动态平衡中，监测组件15虽然受到外力的作用，但是通过内部力量的调整，能够维持稳定的运动状态，离心电机的离心力是使平面发生倾斜或振动的外力，而第一弹簧条的形变应力则是提供恢复力，试图将平面拉回水平位置的内力，当离心电机的离心力小于第一弹簧条的形变应力时，第一弹簧条的恢复力可以抵消离心力的影响，使平面在受到扰动后能够逐渐恢复到水平位置，然而，这并不意味着平面会完全静止不动，因为离心电机仍然在运行，会产生一定的振动，但是只要第一弹簧条的恢复力足够强大，能够抵消离心电机的振动，那么平面就可以在一定范围内保持动态平衡，故此将本发明中的第一弹簧支撑条153的恢复力、形变应力设置为大于离心电机152所产生的离心力；

并且，所述离心电机152通过第二弹簧支撑条521与第一弹簧522固定在支撑板体151下端，而第二弹簧支撑条521为橡胶材质且呈弧形轮廓，并且第一弹簧522设于第二弹簧支撑条521外，旨在通过第二弹簧支撑条521与第一弹簧522进行支撑并传递震动。

更进一步的，所述滑动件113包括滑块1131、活动管1132、第三弹簧1133、杆体1134，第三弹簧1133套设在杆体1134外，而活动管1132对称安装于第三弹簧1133的上下两端，且位于上端的活动管1132与滑块1131相连，且杆体1134的上下两端均不与两个活动管1132相连，如此设置旨在通过滑动件113保持所有机臂13的平衡，当第一无人机1飞行至桥梁下放时，为了避免拍摄角度前后不一致，故此本发明中设置了第一电机12，通过第一电机12改变摄像机154的摆动角度，以保证拍摄、监测内容的稳定性，避免因第一无人机1的移动而造成摄像机154拍摄角度转动，而影响实际拍摄效果。

更进一步的，所述抵杆112包括套管1121、活动管1122、第二弹簧1123、橡胶块1124，所述活动管1122活动安装在套管1121内，而第二弹簧1123安装于套管1121内，且对活动管1122进行支撑；并且所述橡胶块1124包裹在套管1121的上部，且突出于套管1121的上端，并同时包裹活动管1122，所述活动管1122的上端活动安装着一个滚珠1221，以通过滚珠1221与桥梁下端面相抵。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种无人机的定位系统，其特征在于，所述定位系统包括距离探测模块、监测模块、处理模块，距离探测模块设于第二无人机（2）内，而监测模块设置于第一无人机（1）内，第二无人机（2）用于接收GPS信号，而第一无人机（1）用于移动至桥梁底部并对桥梁底部进行监测，所述距离探测模块与监测模块均与处理模块信号连接；

所述距离探测模块包括安装于第一无人机（1）上的第一UWB测距模块（101）和第二无人机（2）上的三轴云台相机（21）、第二UWB测距模块（102），所述第一UWB测距模块（101）与第二UWB测距模块（102）信号连接，

当第一无人机（1）与第二无人机（2）均在作业时，通过第一UWB测距模块（101）与第二UWB测距模块（102）之间相互检测来获得第一无人机（1）与第二无人机（2）之间的直线间距。

2.根据权利要求1所述的无人机的定位系统，其特征在于，所述第一无人机（1）包括架体（11）、第一电机（12）、机臂（13）、第二电机（14），第一电机（12）安装在架体（11）内，第一电机（12）的输出轴贯穿过架体（11），且第一电机（12）的输出轴上安装有一个衔接件（121），而机臂（13）呈环形阵列状固定在衔接件（121）外，每个机臂（13）的末端均安装有一个第二电机（14），而第二电机（14）的输出轴上安装有叶片（141）；

所述架体（11）表面设有一导轨（111），而每个机臂（13）上均套设有一个滑动件（113），而每个滑动件（113）的上端均安装有抵杆（112），当第一无人机（1）飞行至桥梁下方并向上升起靠近桥梁时，抵杆（112）的上端会与桥梁下端面相抵。

3.根据权利要求2所述的无人机的定位系统，其特征在于，所述衔接件（121）上方设置有一个监测组件（15），监测组件（15）包括支撑板体（151）、离心电机（152）、第一弹簧支撑条（153）、摄像机（154），第一弹簧支撑条（153）环形阵列于支撑板体（151）的下端，支撑板体（151）通过第一弹簧支撑条（153）与各个滑动件（113）相连，而摄像机（154）与离心电机（152）分别设于支撑板体（151）的上下两端，所述摄像机（154）的拍摄镜头垂直向上设置；

所述第一弹簧支撑条（153）为弧形轮廓，且由橡胶材质制成。

4.根据权利要求3所述的无人机的定位系统，其特征在于，所述离心电机（152）通过第二弹簧支撑条（521）与第一弹簧（522）固定在支撑板体（151）下端，而第二弹簧支撑条（521）为橡胶材质且呈弧形轮廓，并且第一弹簧（522）设于第二弹簧支撑条（521）外。

5.根据权利要求2所述的无人机的定位系统，其特征在于，所述滑动件（113）包括滑块（1131）、活动管（1132）、第三弹簧（1133）、杆体（1134），第三弹簧（1133）套设在杆体（1134）外，而活动管（1132）对称安装于第三弹簧（1133）的上下两端，且位于上端的活动管（1132）与滑块（1131）相连，且杆体（1134）的上下两端均不与两个活动管（1132）相连。

6.根据权利要求5所述的无人机的定位系统，其特征在于，所述抵杆（112）包括套管（1121）、活动管（1122）、第二弹簧（1123）、橡胶块（1124），所述活动管（1122）活动安装在套管（1121）内，而第二弹簧（1123）安装于套管（1121）内，且对活动管（1122）进行支撑；

所述橡胶块（1124）包裹在套管（1121）的上部，且突出于套管（1121）的上端，并同时包裹活动管（1122），所述活动管（1122）的上端活动安装着一个滚珠（1221），以通过滚珠（1221）与桥梁下端面相抵。

7.一种基于权利要求1-6任一所述无人机的定位系统的定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下具体步骤：

S1：启动第一无人机（1）与第二无人机（2）进行工作，并通过终端控制第二无人机（2）飞行至空旷上空，并接收信号再通过终端控制第一无人机（1）飞行至需要监测、观察的桥梁底部；

S2：利用处理模块控制三轴云台相机（21）朝向第一无人机（1）所在大致方向，并利用三轴云台相机（21）进行视觉特征识别第一无人机（1），让三轴云台相机（21）调整至朝向第一无人机（1）的准确方向、角度；

S3：读取三轴云台相机（21）的姿态角度，获得第一无人机（1）相对于第二无人机（2）的方向角D和俯仰角p，并通过第一UWB测距模块（101）与第二UWB测距模块（102）之间的相互测量，获得第一无人机（1）与第二无人机（2）之间的直线间距d；

S3：随后在方向角D、俯仰角p、直线间距d的基础上，计算第一无人机（1）所在位置，并将计算后得到的第一无人机（1）精确位置发送至第一无人机（1）以及控制第一无人机（1）的终端。

8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，步骤S3中，计算第一无人机（1）所在位置的同时，先将方向角D和俯仰角p从角度分别转换为弧度Drad、Prad，计算式为：

；

并通过GPS定位第二无人机（2）当前的位置的经度λb、纬度φb和高度hb，并将所述第一无人机（1）与第二无人机（2）之间的直线间距d转换为纬度差Δφ、经度差Δλ和高度差Δh，计算式为：

；

上述计算式中的R为地球半径；

再将第二无人机（2）的经度λb、纬度φb和高度hb与计算得到的经度差Δλ、纬度差Δφ、高度差Δh相加，得到第一无人机（1）的经度λa、纬度φa和高度ha，以下为计算式：

；

最终将计算得到的第一无人机（1）经度λa、纬度φa和高度ha传输到第一无人机（1）以及控制第一无人机（1）的终端，完成第一无人机（1）的定位。