CN206431277U

CN206431277U - 无人机定位系统

Info

Publication number: CN206431277U
Application number: CN201621069860.1U
Authority: CN
Inventors: 赵久山
Original assignee: Shenzhen Smart Drone Uav Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Smart Drone Uav Co Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2017-08-22
Anticipated expiration: 2026-09-21

Abstract

本实用新型提出一种无人机定位系统，包括无人机、无线定位基站、地面站、无线定位标签、及位置修正模块，在无人机进出无线定位基站范围时，无线定位标签接收地面站发送的定位无线电波，回复无线脉冲信号，无线定位基站捕捉所述无线脉冲信号，并将无线脉冲信号及其时间点的信息发送至地面站，地面站将所述无线脉冲信号及其时间点的信息处理成无人机相对于第一基站的三维坐标信息，并实时发送至所述无人机，位置修正模块通过地面站发送的三维坐标信息对无人机位置进行实时修正，实现精准定位。本实用新型的无人机定位系统，解决了无人机起飞和降落阶段，定位不准确的技术问题，成本低、适用性强、抗干扰能力强、定位准确。

Description

无人机定位系统

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机定位系统。

背景技术

无人机的飞行一般包括起飞、航线飞行和降落三个阶段，目前绝大多数民用无人机都使用GPS或北斗卫星等定位导航方式，精度一般在5m～10m左右，并且这三个阶段均使用这种定位方式。由于航线区域相对空旷，因而在中间的航线飞行阶段，允许存在5m～10m的定位误差，而在起飞和降落阶段，航线相对繁忙，需要精准地降落在指定点，或者从指定航线起飞。但是，现有的定位精度难以保证无人机降落于指定点，起飞时也容易偏离航线。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种无人机定位系统，旨在解决无人机起飞和降落阶段，定位不准确的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提出一种无人机定位系统，包括无人机、无线定位基站、及地面站，所述无人机包括无线定位标签、及位置修正模块，其中，

无线定位标签，接收地面站发送的定位无线电波，回复无线脉冲信号；

无线定位基站，捕捉所述无线脉冲信号，将无线脉冲信号及其时间点的信息发送至地面站；

地面站，将所述无线脉冲信号及其时间点的信息处理成无人机相对于第一基站的三维坐标信息，并实时发送至所述无人机；

位置修正模块，依据所述三维坐标信息对无人机的位置进行修正。

进一步地，所述无线定位基站设置有多个，所述第一基站为标定的1号无线定位基站。

进一步地，所述无人机与地面站之间还设置有通信链路，用于二者之间的数据信息交互。

进一步地，所述无人机还包括：

显示模块，显示无人机的位置信息及飞行状态信息。

进一步地，所述地面站包括：

报警模块，在无人机偏离预设坐标阈值范围时进行报警，并启动位置自动修正；

手动矫正模块，在无人机丧失位置自动修正能力时，对其进行位置矫正。

进一步地，所述无线脉冲信号的频段为6.8GHz。

进一步地，该无人机定位系统的定位精度为10～30cm。

本实用新型的无人机定位系统，包括无人机、无线定位基站、及地面站，所述无人机包括无线定位标签、及位置修正模块，在无人机进出无线定位基站范围时，无线定位标签接收地面站发送的定位无线电波，回复无线脉冲信号，无线定位基站捕捉所述无线脉冲信号，并将无线脉冲信号及其时间点的信息发送至地面站，地面站将所述无线脉冲信号及其时间点的信息处理成无人机相对于第一基站的三维坐标信息，并实时发送至所述无人机，位置修正模块通过地面站发送的三维坐标信息对无人机位置进行实时修正，实现精准定位。本实用新型的无人机定位系统，解决了无人机起飞和降落阶段，定位不准确的技术问题，成本低、适用性强、抗干扰能力强、定位准确。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型无人机定位系统一实施例的功能模块图；

图2为本实用新型一实施例构建的坐标系QXYZ的示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

参照图1，图1为本实用新型的无人机定位系统一实施例的功能模块图，在该实施例中，无人机定位系统包括无人机10、无线定位基站20、及地面站30，无人机10包括无线定位标签11、及位置修正模块12，其中，

无线定位标签11，接收地面站30发送的定位无线电波，回复无线脉冲信号；

无线定位基站20，捕捉所述无线脉冲信号，将无线脉冲信号及其时间点的信息发送至地面站30；

地面站30，将所述无线脉冲信号及其时间点的信息处理成无人机10相对于第一基站的三维坐标信息，并实时发送至所述无人机10；

位置修正模块12，依据所述三维坐标信息对无人机10的位置进行修正。

本实施例的无人机定位系统，包括无人机10、无线定位基站20、及地面站30，在无人机10进出无线定位基站20范围时融合无人机10用以导航的定位数据，此时采用GPS定位和无线电定位结合的方式，无人机10在航行阶段采用GPS导航定位，在降落阶段，检测到进入无线定位基站20范围时，无人机10自动结合无线电定位模式，在起飞阶段，无人机10飞出无线定位基站20范围后，随着距离越来越远，无线定位标签11很难再接收到地面站30发送的定位无线电波，因而不会再回复无线脉冲信号，无线电定位逐渐弱化，无人机10自动切换至单GPS定位模式。

无人机10的无线电定位主要依赖于设置于无人机10上的无线定位标签11，无人机10在无线电定位模式下，无线定位标签11会实时接收地面站30发送的定位无线电波而向外回复无线脉冲信号，无线定位基站20能够捕捉无线定位标签11发射的无线脉冲信号，并将无限脉冲信号的信息及无限脉冲信号发送的时间点信息实时发送至地面站30，无线定位基站20设置有多个，可以根据机场的大小调整数量和分布，每一个无线定位基站20都标定有1～n的序列号，第一基站为1号无线定位基站，第二基站为2号无线定位基站，以此类推。一个起飞或降落场地只需要安装一套无线定位基站20，成本为20000RMB，而无人机10上只需要安放一个无线定位标签11，一套无线定位基站20可以容纳近千个无线定位标签11，而且无线定位标签11的成本低廉，降低了该系统的成本。

地面站30是设置于地面上的监控和数据处理中心，与无线定位基站20以有线或无线方式连接，主要用于将无线定位基站20实时发送的无线脉冲信号及其时间点信息处理成无人机相对无线定位基站20中标定的1号无线定位基站的三维坐标信息，并实时发送至无人机10，所述的1号无线定位基站是无人机10假定的降落目的地，故而将其设定为第一基站，在其他实施例中，无人机10选定其他目的地时，也可以选择其他标号的无线定位基站20作为第一基站。

地面站30将无人机10相对于第一基站的三维坐标信息发送给无人机10后，无人机10携带的位置修正模块12，会依据地面站30发送的三维坐标信息修正无人机10在该时刻相对该三维坐标信息的偏离值，进而实现无人机10的精准定位。

本实施例的无人机定位系统，包括无人机10、无线定位基站20、及地面站30，所述无人机10包括无线定位标签11、及位置修正模块12，无人机10在进出无线定位基站范围时，无线定位标签11接收地面站30发送的定位无线电波，回复无线脉冲信号，无线定位基站20捕捉所述无线脉冲信号，并将无线脉冲信号及其时间点的信息发送至地面站30，地面站30将所述无线脉冲信号及其时间点的信息处理成无人机10相对于第一基站的三维坐标信息，并实时发送至所述无人机10，位置修正模块12通过地面站30发送的三维坐标信息对无人机10位置进行实时修正，实现精准定位。本实施例的无人机定位系统，解决了无人机起飞和降落阶段，定位不准确的技术问题，成本低、适用性强、抗干扰能力强、定位准确。

进一步地，参照图1，无人机10与地面站30之间还设置有通信链路40，用于二者之间的数据信息交互。

本实施例的无人机定位系统，无人机10与地面站30之间还设有通信链路40，以实现无人机10与店面站30之间的大数据信息的快速交互。

进一步地，参照图1，地面站30包括：

显示模块31，显示无人机10的位置信息及飞行状态信息；

报警模块32，在无人机10偏离预设坐标阈值范围时进行报警，并启动位置自动修正；

手动矫正模块33，在无人机10丧失位置自动修正能力时，对其进行位置矫正。

本实施例的无人机定位系统，地面站30包括显示模块31、报警模块32、及手动矫正模块33，地面站30作为无人机10的地面监控和数据处理中心，需要实时对无人机10的航行信息进行监控，因而设置显示模块31，以显示无人机10实时的位置信息及飞行状态信息；为了保证无人机32的安全航行，在地面站30还设有报警模块32，无人机10在飞行过程中受风速、气流等影响可能偏离预设的航线，因此设定一个相对预设坐标可以偏离的最大阈值，只要无人机10偏离的坐标位置在预设的阈值范围内，都属于安全飞行，但是也会遇到一些突发情况，使得无人机10偏离预设坐标阈值范围，这时就需要报警模块32进行报警，并提醒无人机操作人员注意，并启动无人机的位置自动修正功能，在无人机10损坏较为严重，丧失位置自动修正能力的情况下，就需要无人机操作人员启用手动矫正模块33对该无人机进行位置坐标矫正，以尽可能保证无人机的安全飞行或安全降落。

进一步地，所述无线脉冲信号的频段为6.8GHz。

本实施例的无人机定位系统，无线定位标签11发射的无线脉冲信号的频段为6.8GHz，跟普通民用无线电设备的频段相差较大，不易受到民用无线电频段的影响，不受光线、沙尘、大雾，抗干扰能力强。

进一步地，该无人机定位系统的定位精度为10～30cm。

本实施例的无人机系统，定位精度为10～30cm，达到了cm级的定位精度，相比于其他定位方式，可以实现无人机的精准导航。

参照图1，在该实施例中，无人机10应用上述定位系统的进行降落时，具体包括：

无人机10进入无线定位基站20范围，无线定位标签11接收地面站30发送的定位无线电波，回复无线脉冲信号；

无线定位基站20捕捉所述无线脉冲信号，并将无线脉冲信号及其时间点的信息发送至地面站30；

地面站30将所述无线脉冲信号及其时间点信息处理成无人机10相对于第一基站的三维坐标信息，并实时发送至所述无人机10；

无人机10通过所述三维坐标信息对自身位置进行修正，完成降落。

本实施例基于上述无人机定位系统，在无人机降落阶段，在无人机10进入无线定位基站20范围后，无人机10的定位模式会采用无人机10航行阶段使用的GPS定位模式或惯导定位模式与无线电定位模式结合的形式，同时，地面站30发射用于定位的无线电波，无线定位标签11收到该无线电波后立即回复一个对应的无线脉冲信号，无线定位基站20捕捉到该无线脉冲信号后，将该无线脉冲信号及其时间点发送给地面站30，地面站30接收所述无线脉冲信号及其时间点信息，将其处理成无人机10相对于第一基站的三维坐标信息，并实时发送至无人机10，无人机10接收到所述三维坐标信息后，位置修正模块12会参照该三维坐标信息对无人机10的实际坐标进行修正，使其沿预设航线精准降落。

无人机10相对于第一基站的三维坐标信息的处理过程如下，设定A、B、C、D四个无线定位基站20，Q为无人机10，建立坐标系QXYZ，如图2所示，四个无线定位基站20的位置及距离无人机10的距离分别为d_AQ、d_BQ、d_CQ、d_DQ，V为光速，即电磁波的速度。

当定位系统开始工作后，无线定位基站20会一直发射无线电波，并记录每次的发送时刻T₁，当无人机10进入无线定位基站20范围后，无线定位标签11收到地面站发送的定位无线电波后，会发射对应的无线脉冲应答信号，无线定位基站接收到该无线脉冲应答信号的时刻记为T₂，无线定位标签11接收定位无线电波后回复无线脉冲信号的时间长度为T₀，可以得出无线定位标签11与无线定位基站20的距离d为：d＝V*((T₂-T₁)-T₀)/2。

基站A点的坐标为A(x_A，y_A，z_A)，A离无人机的距离为d_AQ，基站B点的坐标为B(x_B，y_B，z_B)，B离无人机的距离为d_BQ，基站C点的坐标为C(x_C，y_C，z_C)，C离无人机的距离为d_CQ，基站D点的坐标为D(x_D，y_D，z_D)，D离无人机的距离为d_DQ，无人机Q点的坐标为Q(x_Q，y_Q，z_Q)，由距离公式计算d_AQ、d_BQ、d_CQ、d_DQ，由此联立方程组如下：

记

将上方程组求解得出：

x＝-(dAQ^2*y2*z3-dAQ^2*y3*z2-dAQ^2*y2*z4+dAQ^2*y4*z2+dAQ^2*y3*z4-dAQ^2*y4*z3-dBQ^2*y1*z3+dBQ^2*y3*z1+dBQ^2*y1*z4-dBQ^2*y4*z1-dBQ^2*y3*z4+dBQ^2*y4*z3+dCQ^2*y1*z2-dCQ^2*y2*z1-dCQ^2*y1*z4+dCQ^2*y4*z1+dCQ^2*y2*z4-dCQ^2*y4*z2-dDQ^2*y1*z2+dDQ^2*y2*z1+dDQ^2*y1*z3-dDQ^2*y3*z1-dDQ^2*y2*z3+dDQ^2*y3*z2-lA^2*y2*z3+lA^2*y3*z2+lA^2*y2*z4-lA^2*y4*z2-lA^2*y3*z4+lA^2*y4*z3+lB^2*y1*z3-lB^2*y3*z1-lB^2*y1*z4+lB^2*y4*z1+lB^2*y3*z4-lB^2*y4*z3-lC^2*y1*z2+lC^2*y2*z1+lC^2*y1*z4-lC^2*y4*z1-lC^2*y2*z4+lC^2*y4*z2+lD^2*y1*z2-lD^2*y2*z1-lD^2*y1*z3+lD^2*y3*z1+lD^2*y2*z3-lD^2*y3*z2)/(2*(x1*y2*z3-x1*y3*z2-x2*y1*z3+x2*y3*z1+x3*y1*z2-x3*y2*z1-x1*y2*z4+x1*y4*z2+x2*y1*z4-x2*y4*z1-x4*y1*z2+x4*y2*z1+x1*y3*z4-x1*y4*z3-x3*y1*z4+x3*y4*z1+x4*y1*z3-x4*y3*z1-x2*y3*z4+x2*y4*z3+x3*y2*z4-x3*y4*z2-x4*y2*z3+x4*y3*z2))

y＝(dAQ^2*x2*z3-dAQ^2*x3*z2-dAQ^2*x2*z4+dAQ^2*x4*z2+dAQ^2*x3*z4-dAQ^2*x4*z3-dBQ^2*x1*z3+dBQ^2*x3*z1+dBQ^2*x1*z4-dBQ^2*x4*z1-dBQ^2*x3*z4+dBQ^2*x4*z3+dCQ^2*x1*z2-dCQ^2*x2*z1-dCQ^2*x1*z4+dCQ^2*x4*z1+dCQ^2*x2*z4-dCQ^2*x4*z2-dDQ^2*x1*z2+dDQ^2*x2*z1+dDQ^2*x1*z3-dDQ^2*x3*z1-dDQ^2*x2*z3+dDQ^2*x3*z2-lA^2*x2*z3+lA^2*x3*z2+lA^2*x2*z4-lA^2*x4*z2-lA^2*x3*z4+lA^2*x4*z3+lB^2*x1*z3-lB^2*x3*z1-lB^2*x1*z4+lB^2*x4*z1+lB^2*x3*z4-lB^2*x4*z3-lC^2*x1*z2+lC^2*x2*z1+lC^2*x1*z4-lC^2*x4*z1-lC^2*x2*z4+lC^2*x4*z2+lD^2*x1*z2-lD^2*x2*z1-lD^2*x1*z3+lD^2*x3*z1+lD^2*x2*z3-lD^2*x3*z2)/(2*(x1*y2*z3-x1*y3*z2-x2*y1*z3+x2*y3*z1+x3*y1*z2-x3*y2*z1-x1*y2*z4+x1*y4*z2+x2*y1*z4-x2*y4*z1-x4*y1*z2+x4*y2*z1+x1*y3*z4-x1*y4*z3-x3*y1*z4+x3*y4*z1+x4*y1*z3-x4*y3*z1-x2*y3*z4+x2*y4*z3+x3*y2*z4-x3*y4*z2-x4*y2*z3+x4*y3*z2))

z＝-(dAQ^2*x2*y3-dAQ^2*x3*y2-dAQ^2*x2*y4+dAQ^2*x4*y2+dAQ^2*x3*y4-dAQ^2*x4*y3-dBQ^2*x1*y3+dBQ^2*x3*y1+dBQ^2*x1*y4-dBQ^2*x4*y1-dBQ^2*x3*y4+dBQ^2*x4*y3+dCQ^2*x1*y2-dCQ^2*x2*y1-dCQ^2*x1*y4+dCQ^2*x4*y1+dCQ^2*x2*y4-dCQ^2*x4*y2-dDQ^2*x1*y2+dDQ^2*x2*y1+dDQ^2*x1*y3-dDQ^2*x3*y1-dDQ^2*x2*y3+dDQ^2*x3*y2-lA^2*x2*y3+lA^2*x3*y2+lA^2*x2*y4-lA^2*x4*y2-lA^2*x3*y4+lA^2*x4*y3+lB^2*x1*y3-lB^2*x3*y1-lB^2*x1*y4+lB^2*x4*y1+lB^2*x3*y4-lB^2*x4*y3-lC^2*x1*y2+lC^2*x2*y1+lC^2*x1*y4-lC^2*x4*y1-lC^2*x2*y4+lC^2*x4*y2+lD^2*x1*y2-lD^2*x2*y1-lD^2*x1*y3+lD^2*x3*y1+lD^2*x2*y3-lD^2*x3*y2)/(2*(x1*y2*z3-x1*y3*z2-x2*y1*z3+x2*y3*z1+x3*y1*z2-x3*y2*z1-x1*y2*z4+x1*y4*z2+x2*y1*z4-x2*y4*z1-x4*y1*z2+x4*y2*z1+x1*y3*z4-x1*y4*z3-x3*y1*z4+x3*y4*z1+x4*y1*z3-x4*y3*z1-x2*y3*z4+x2*y4*z3+x3*y2*z4-x3*y4*z2-x4*y2*z3+x4*y3*z2))

再令Z_BD＝-Z_DB＝Z_B-Z_D，Z_CA＝-Z_AC＝Z_C-Z_A，其它的类推，则上式化简为：

最终得出无人机10的三维坐标Q(x_Q，y_Q，z_Q)。

参照图1，在该实施例中，无人机10应用上述定位系统进行起飞时，具体包括：

无人机10的无线定位标签11接收地面站30发送的定位无线电波，回复无线脉冲信号；

无人机10通过所述三维坐标信息对自身位置进行修正，完成起飞；

无人机飞出无线定位基站20范围，切换至单GPS定位模式。

本实施例基于上述无人机定位系统，在无人机起飞阶段，地面站30发射定位的无线电波，无线定位标签11收到该无线电波后立即回复一个对应的无线脉冲信号，无线定位基站20捕捉到所述无线脉冲信号后，将该无线脉冲信号及其时间点实时发送至地面站30，地面站30接收所述无线脉冲信号及其时间点信息，将其处理成无人机10相对于第一基站的三维坐标信息，实时发送至无人机10，无人机10接收到所述三维坐标信息(依据上述方法得到)后，位置修正模块12会参照该三维坐标信息对无人机10的实际坐标进行修正，使其沿预设航线起飞，在无人机10飞出无线定位基站20范围后，随着距离越来越远，无线定位标签11很难再接收到地面站30发送的定位无线电波，因而不会再回复无线脉冲信号，无线电定位逐渐弱化，无人机10自动切换至单GPS定位模式。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种无人机定位系统，包括无人机、无线定位基站、及地面站，其特征在于，所述无人机包括无线定位标签、及位置修正模块，其中，

2.根据权利要求1所述的无人机定位系统，其特征在于，所述无线定位基站设置有多个，所述第一基站为标定的1号无线定位基站。

3.根据权利要求1所述的无人机定位系统，其特征在于，所述无人机与地面站之间还设置有通信链路，用于二者之间的数据信息交互。

4.根据权利要求3所述的无人机定位系统，其特征在于，所述无人机还包括：

显示模块，显示无人机的位置信息及飞行状态信息。

5.根据权利要求4所述的无人机定位系统，其特征在于，所述地面站包括：

6.根据权利要求1所述的无人机定位系统，其特征在于，所述无线脉冲信号的频段为6.8GHz。

7.根据权利要求1所述的无人机定位系统，其特征在于，该无人机定位系统的定位精度为10～30cm。