CN204989490U

CN204989490U - 一种基于gps与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统

Info

Publication number: CN204989490U
Application number: CN201520390342.9U
Authority: CN
Inventors: 邓嘉焕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2025-06-09

Abstract

本实用新型公开一种基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统，包括：飞行器主体，其特征在：在所述的飞行器主体上设有APM芯片，运动处理组件、三轴磁力计、空气压力传感器、无线数据传输模块、超声波定位模块以及电子航向系统分别与APM芯片连接，所述的运动处理组件与飞行器主体上的螺旋桨组件连接，超声波定位模块与安装在室内的超声波定位系统相对应，所述的无线数据传输模块与控制终端相对应。本实用新型通过采用GPS与超声波相互结合，加上多传感器集成的结构形式，使小型无人机在能够适应室外精确导航定位的同时，实现室外与室内导航的无缝连接，使飞行器能在设定航线之后，穿梭于室内外，并最终精准到达目的地。

Description

一种基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统

技术领域

本实用新型涉及一种无人机定位系统，特别涉及一种基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统。

背景技术

随着科技发展，人们越来越关注兴趣点的定位和导航。全球卫星定位系统（GNSS：GlobalNavigationSatelliteSystem）提供了有效的室外定位手段。继美国的GPS和俄罗斯的GLONASS系统之后，我国北斗导航系统在2012年也形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。但卫星导航也有它的不足和脆弱性，例如卫星信号在受到干扰或遮挡时，将失去定位导航能力，而且在高楼林立的城市区域以及大型场馆的室内，卫星定位的精度会大幅降低，甚至无法定位。然而，大型公共场馆内部建筑结构复杂、人员密度高、场馆内设备数量大，对室内定位的需求十分迫切，定位与位置服务的“最后一公里”问题日益突出。

以GPS为例，GPS现在被各行各业使用，是最热门的定位技术之一，传统的GPS定位技术在户外运转良好，但在室内或卫星信号无法覆盖的地方效果较差，一般民用的精度也不够高（10m左右），相对于室内导航的要求（1m以内）还有一段距离。

室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。目前室内定位技术应用广泛的有：室内GPS定位技术，红外线室内定位技术，超声波定位技术，射频识别定位技术（WLAN，ZigBee，蓝牙技术，Wi-Fi技术等），超宽带技术。而对于小型无人飞行器的室内定位，由超声波传感器测距形成坐标的定位系统，具备抗干扰性强，精度高的特点。

超声波定位目前大多数采用反射式测距法，系统由一个主测距器和若干个电子标签组成，主测距器可放置于移动机器人本体上，各个电子标签放置于室内空间的固定位置。定位过程如下：先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签，电子标签接收到后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。

而室外定位和室内定位之间需要有一个平滑的过度或连接，这就需要运用到无缝定位技术。无缝定位技术就是指在人类活动的地上、地下空间和外层空间范围内能够联合采用不同定位技术以达到对各种定位应用的无缝覆盖同时保证各种场景下定位技术、定位算法、定位精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接。泛在计算对应的泛在定位技术其相对于无缝定位技术而言覆盖的范围偏向于城市和室内空间。

小型无人飞行器的定位技术在国内外已有诸多方案，室外定位技术已相对比较成熟，而室内定位技术也有少许方案，而同时具备室内外定位的小型飞行器却少之极少。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单，导航定位准确，同时实现室外与室内导航的无缝连接的基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统。

实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统，包括：飞行器主体，其特征在：在所述的飞行器主体上设有APM芯片，运动处理组件、三轴磁力计、空气压力传感器、无线数据传输模块、超声波定位模块以及电子航向系统分别与APM芯片连接，所述的运动处理组件与飞行器主体上的螺旋桨组件连接，超声波定位模块与安装在室内的超声波定位系统相对应，所述的无线数据传输模块与控制终端相对应。

优选的是，所述的APM芯片上兼容自带有GPS模块。

优选的是，所述的运动处理组件为六轴运动处理组件MPU-6050。

优选的是，所述的三轴磁力计型号为HMC5883。

优选的是，所述的空气压力传感器为高精度数字空气压力传感器MS5611。

本实用新型采用上述结构后，通过采用GPS与超声波相互结合，加上多传感器集成的结构形式，使小型无人机在能够适应室外精确导航定位的同时，在检测不到GPS卫星信号的室内同样也能够实现精确导航定位，并且实现室外与室内导航的无缝连接，使飞行器能在设定航线之后，穿梭于室内外，并最终精准到达目的地。本实用新型结构简单，导航定位准确，同时实现室外与室内导航的无缝连接。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的超声波定位原理示意图。

图3为本实用新型参考点的覆盖范围示意图。

图4为本实用新型参考点的分布示意图。

图5为本实用新型无缝连接的基础设备图示意图。

图中符号说明：1、飞行器主体，2、APM芯片，3、运动处理组件，4、三轴磁力计，5、空气压力传感器，6、无线数据传输模块，7、超声波定位模块，8、电子航向系统，9、GPS模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

如图所示，为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统，包括：飞行器主体1，其特征在：在所述的飞行器主体1上设有APM芯片2，运动处理组件3、三轴磁力计4、空气压力传感器5、无线数据传输模块6、超声波定位模块7以及电子航向系统8分别与APM芯片2连接，所述的运动处理组件3与飞行器主体1上的螺旋桨组件连接，超声波定位模块7与安装在室内的超声波定位系统相对应，所述的无线数据传输模块6与控制终端相对应。

优选的是，所述的APM芯片2上兼容自带有GPS模块9。

优选的是，所述的运动处理组件3为六轴运动处理组件3MPU-6050。

优选的是，所述的三轴磁力计4型号为HMC5883。

优选的是，所述的空气压力传感器5为高精度数字空气压力传感器MS5611。

工作原理：

首先，飞行器启动，由红外传感器进行定高，当飞行器到达一定高度时，程序读取成功后会给一个for循环使飞行器一直处于一个固定高度，此时高度读取由空气压力传感器5给出，飞行器定高完成后飞行器自动接入GPS定位，如图所示，配合APM芯片2所带的missionplanner程序可让飞行器进行精确的定位并按照设定路线飞行，完成对室外定位飞行的部分。当飞行器进入室内，超声波定位模块7检测到超声波信号，系统则自动断开GPS定位并同时进入室内定位模式，超声波三球定位原理图如图2，3，4，此时通过超声波计算数据得出飞行器具体位置，从而成功实现室内室外定位的无缝连接。

实施例一：

1）、超声波室内定位原理

超声波一般是指频率大于20kHz的机械振动波超声波测距可采用传播时间检测法进行，即测量超声波从发射换能器发出经空气传播到接收换能器的传播时间t，将t与其在空气中的传播速度v相乘，就得到超声波此时的传播距离S由于超声波在空气中的传播速度与温度相关，则传播距离为S=(331.45+0.607T)t

式中:T为环境温度应用上述测距的原理，可对处于空间坐标系中的物体位置坐标进行计算，实现局域空间的定位功能。如附图2所示，在实线所示的空间内，如果对移动物体M进行定位，则需建立如图2所示的直角坐标系，并在该空间的上方设置3个超声波接收点，其坐标分别为:C1(x1，y1，z1)、C2(x2，y2，z2)、C3(x3，y3，z3)如果能测量出移动物体M到3个接收点的距离L1、L2、L3，则移动物体M的坐标(x，y，z)与其之间的函数关系可由下式表示

（1）

式中:x，y，z为移动物体M的坐标;L1、L2、L3为移动物体M到3个接收点的距离;(x1，y1，z1)(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)分别为3个超声波接收点在空间坐标系中的坐标值移动物体M的位置在不断变化，L1、L2、L3值也在不断变化，其坐标值(x，y，z)也在不断更新，从而实现了对目标的定位跟踪。

2）、超声波室内定位算法

定位方程组在特定条件下的解如何简化对式(1)所示定位方程组求解及提高精度，是超声波定位的核心问题。为简化计算，将超声波接收点(以下简称参考点)安置于同一水平平面内，造成其z坐标值相同，即，定位方程组可简化成:

（2）

式中：

如果选择，即，由于3个参考点互不重合，且不共线，故，，即，可以进一步简化求得x、y的解，即：

（3）

根据循环对称性，当、、分别成立时，均可得到类似的解;反之，如果、时成立，则式(2)的解为

（4）

显然式(4)所示的解的结构较为复杂，因此在参考点设置时应尽量满足式(3)所示的形式。最后，将求得的x、y代入式(1)，求得

（5）

式中，z的另一个解不符合实际，已舍去。

3）、超声波室内定位参考点位置的选取

参考点位置的选取原则（见附图3）

在超声波定位系统中，使用的超声波发射和接收换能器的辐射角为90°，如果将其置于高度为H的室内天花板上，则超声换能器的有效辐射空间为一个圆锥体，它向地面投射下一个圆形斑，如图5中红线所示由于接收和发射换能器的可逆性，位于该斑中的超声波发射换能器所发射的超声波都能被置于天花板上的参考点所接收，在辐射角为90°的条件下，圆斑的直径为2H图2参考点的覆盖范围综上所述，参考点位置的选择应该参照3个原则:定位系统中参与定位计算的3个参考点不能位于同一直线上;在设定的定位的空间内，各点至少要处于3个参考点的辐射区域内;参于定位计算的3个参考点，其布点相关矩阵的条件数要小于指定的值。

参考点分布举例（见附图4）

用20m×10m×10m的室内定位空间为例，进行参考点设定本系统的参考点拟安装在顶部，需定位的移动物体沿地面运动根据此条件，参考点的设定需按下述步骤进行。

A、建立定位空间的三维直角坐标系:选定地面的一角作为原点O(0，0，0)；确定x轴，y轴，z轴，使得0≤x≤20m，0≤y≤10m，0≤z≤10m；将参考点全部设于顶部平面，z坐标值均为10m。

B、该定位空间的俯视图如图4所示，拟设定6个参考点，其编号和坐标值分别为:1(7，5，10)、2(2，2，10)、3(2，8，10)、4(13，5，10)、5(18，2，10)、6(18，8，10)。6个参考点对地面的覆盖的区域是分别以各参考点对地面的投影为圆心，半径为10m的圆形区域，6个区域与地面相交，将其分割成13个区域，图中彩色弧线是各圆形区域的边界轨迹，其颜色与各自的参考点相对应。当移动物体在A区活动，1～3号参考点可以感知;当移动物体在B区活动，1～3、4号参考点可以感知；当移动物体在C区活动，所有6个参考点都可以感知；当移动物体在F区活动，1～5号参考点可以感知；当移动物体在J区活动，1、2、4号参考点可以感知，如此类推，就很容易获得移动物体在其它区域活动时能够感知的参考点个数，计算移动物体坐标时，可任选3个。

4）、飞行器室内导航

装有超声波传感器的小型飞行器在室内定位区域内获得一个移动的坐标，此时该坐标将代替GPS定位系统所测定的坐标进行航线规划和航行。

实施例二：

为实现室外定位和室内定位的无缝连接，采用的方案如下：

1、无缝定位基础设施（如附图5所示）

是指各种定位传感器网络基础设施的集合，可利用GPS的定位精度（假设为10米），建立一个“着陆区”，将GPS定位的目标点的误差区域包含在一个装有室内定位传感器的定位区域里。只要飞行器降低到一定高度并进入到该区域，便能检测到飞行器的室内空间坐标，进入室内定位范围。

2、统一坐标系。按照无缝定位基础设施层次可以划分出两个层级：全球框架、区域框架。由室外定位的坐标框架为室内定位提供坐标基准。而飞行器在室内定位里的指令优先于室外定位的指令，也就是飞行器进入室内定位范围后会立即改用室内定位的坐标并执行事先设定好的指令。

3、时间系统。时间作为定位中重要的信息可以按照统一坐标系的层级将GPS提供的时间基准通过无缝定位基础设施进行分层时间传递服务依次向室内传感器网络提供时间基准。

以上所述是本实用新型的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的保护范围。

Claims

1.一种基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统，包括：飞行器主体（1），其特征在：在所述的飞行器主体（1）上设有APM芯片（2），运动处理组件（3）、三轴磁力计（4）、空气压力传感器（5）、无线数据传输模块（6）、超声波定位模块（7）以及电子航向系统（8）分别与APM芯片（2）连接，所述的运动处理组件（3）与飞行器主体（1）上的螺旋桨组件连接，超声波定位模块（7）与安装在室内的超声波定位系统相对应，所述的无线数据传输模块（6）与控制终端相对应。

2.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统，其特征在于：所述的APM芯片（2）上兼容自带有GPS模块（9）。

3.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统，其特征在于：所述的运动处理组件（3）为六轴运动处理组件（3）MPU-6050。

4.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统，其特征在于：所述的三轴磁力计（4）型号为HMC5883。

5.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的小型无人机室内外无缝集成定位系统，其特征在于：所述的空气压力传感器（5）为高精度数字空气压力传感器MS5611。