CN206649345U - 一种基于超宽带通信的无人机导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种基于超宽带通信的无人机导航装置，包括设置在无人机上的机载定位部分和与机载定位部分连接的超宽带定位部分，超宽带定位部分与地面控制系统连接。通过上述技术方案，本实用新型在实际应用中，解决无人机在无卫星信号的情况下，无人机依然可以实现自主起飞、自主降落、精确定点、定高悬停、定点、自主导航飞行等功能，确保不坠机、不炸机，采用纳米时常的脉冲进行通信，传输速率高、发射功率小、信号功率谱密度低、抗干扰性能强，精度达到厘米级，使无人机在室内或者没有卫星的情况下，可以实时获知自身准确的空间位置。

Description

一种基于超宽带通信的无人机导航装置

技术领域

本实用新型涉及无人机导航领域，特别涉及一种基于超宽带通信的无人机导航装置。

背景技术

由于近年来无人机技术和人工智能的快速发展，无人机变得更加智能、应用更加广泛。而无人机在起降和自主航行过程中需要实时获得所处空间位置信息，传统在空旷的室外条件下可以依靠GPS/北斗导航系统获取位置信息，使无人机安全起降、自主飞行成为了可能，而在复杂环境下或者大型室内场合失去卫星信号的情况下如何平稳起飞、自主飞行、精确定高和悬停，成为了我们需要解决的关键问题，因此需要寻求一套其他的辅助无人机导航定位装置。

传统的研究和实践中，大部分使用超声波定位、红外线定位以及视觉定位，而普通的超声波本身的测距距离只有5米左右，也决定了使用的局限性，而在视觉定位方面，其研究对象主要是图像和视频，数据量庞大、冗余信息多、特征空间维度高，再设计普适性的特征提取算法时对飞行控制器的计算能力和存储速度的要求是十分巨大的，就造成了开发成本的大大提高。

发明内容

针对现有技术所存在的缺点，本实用新型提供一种基于超宽带通信的无人机导航装置。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种基于超宽带通信的无人机导航装置，包括设置在无人机上的机载定位部分和与机载定位部分连接的超宽带定位部分，超宽带定位部分与地面控制系统连接；其中：

所述机载定位部分包括飞行器控制模块和分别与飞行器控制模块连接的惯性测量模块、光流传感模块、数据通信模块及伺服控制模块；

所述超宽带定位部分包括中央处理器和分别与中央处理器连接的显示模块、按键模块、超宽带射频模块及SPI总线接口，超宽带射频模块与超宽带天线连接；

所述地面控制系统包括数传接收机和分别与数传接收机连接的数据保存处理模块、控制操作模块及显示模块，数据保存处理模块与控制操作模块连接。

所述超宽带定位部分为地面导航部分，即在飞行区域内设置3个或3个以上，用于与机载定位部分的超宽带定位设备配合完成测距工作，实时获取无人机的当前高精度坐标。

所述飞行器控制模块，由ARM处理器组成，ARM处理器与超宽带定位部分、光流传感模块、惯性测量模块、数据通信模块、伺服控制模块相连接；对超宽带定位部分获得的实时坐标、光流传感模块获得的高度、惯性测量模块获得的速度、加速度、姿态信息融合进行处理，得到无人机当前位置，再通过与预设航线对比运算，分析无人机下一步控制指令，通过伺服控制模块，改变各个螺旋桨电机的转速，控制无人机的飞行姿态和规划飞行轨迹；最后通过数据通信模块将无人机的位置信息，获取的任务信息传送给地面导航部分。

所述惯性测量模块，由加速度计传感器、陀螺仪传感器组成，加速度计传感器、陀螺仪传感器通过数据接口和飞行器控制模块相连接，惯性测量模块用于获得无人机的当前飞行速度、加速度、姿态角、角速度、俯仰角、航偏角和翻滚角信息，并通过数据接口直接将以上信息实时的输入到飞行器控制模块中。

所述光流传感模块，由光流传感器、气压计传感器组成，与无人机的飞行器控制模块相连接，用于获得无人机的实时飞行高度信息，直接将高度信息的传送给飞行器控制模块。

所述数据通信模块，采用无线传输的通信模式，由一对数传组成，数传的发送机与飞行器控制单元连接，数传的接收机与地面导航部分连接；主要用于负责地面控制子系统与无人机之间的数据交换与传递。

所述伺服控制模块，与飞行器控制模块和螺旋桨相连接，飞行器控制模块收到控制指令后，通过改变各个螺旋桨电机的转速，控制无人机的飞行姿态和规划航迹。

所述中央处理器采用ARM处理器，为超宽带定位部分的主控电路。

所述显示模块采用字符液晶显示模块，用于显示无人机飞行距离信息，无人机实时的位置信息和预先设定的目标位置信息。

所述按键模块用于预先设定无人机飞行目标的位置坐标信息。

所述超宽带射频模块与超宽带天线相互连接，用于接收和发送无线电信号，通过超宽带射频与超宽带天线部分发送信标包，该信标包用来让机载设备搜索到目前处于哪几个定位基站的覆盖范围；同时用来测距以及在测距的同时传递规定格式的无线数据，定位基站根据接收到的信标包，处理后确定无人机的实时坐标位置M(x,y,z)。

所述SPI总线接口，将ARM处理器电路处理后确定的无人机坐标位置信息，通过总线输入到飞行控制单元中，与惯性测量单元协同工作，校正惯性测量单元系统误差；飞行控制单元再通过调整螺旋桨电路实时调整无人机的行进方向。

所述数传接收机与数据保存模块连接，用于接收无人机监测的数据信息。

所述数据保存处理模块分别与数传接收机、控制操作模块连接，用于接收无人机飞行器控制模块发送的数据，并对数据进行处理后发送给控制操作模块。

所述显示模块与数传接收机连接，采用PC机或者智能手持端显示无人机实时的飞行参数（无人机健康状况、飞行数据、告警信息）、位置信息和作业过程中获得的数据信息。

所述控制操作模块与数传接收机和显示模块相连接，当发现无人机的飞行参数（无人机健康状况、飞行数据、告警信息）出现异常时或者需要更改航线时发送控制命令。

无人机飞行时，机载超宽带通信机通过超宽带射频与超宽带天线部分发出无线电信号，同时无线通信电路发送命令给各地面无线超宽带通信机锚点，三个不在同一直线上的超宽带通信机锚点根据接收到的命令及无线电信号，通过ARM 处理器确定各无线超宽带通信机锚点模块与无人机的距离，处理后确定无人机的实时坐标位置M(x,y,z)。

通过上述技术方案，本实用新型在实际应用中，解决无人机在无卫星信号的情况下，无人机依然可以实现自主起飞、自主降落、精确定点、定高悬停、定点、自主导航飞行等功能，确保不坠机、不炸机，机载的超宽带定位装置不用传统余弦载波信号，采用纳米时常的脉冲进行通信，传输速率高、发射功率小、信号功率谱密度低、抗干扰性能强，精度达到厘米级，使无人机在室内或者没有卫星的情况下，无人机可以实时获知自身准确的空间位置，确保了无人机能够沿事先规划的路径飞行，自主飞行、安全起降，高精度的定位巡航效果，构造的超宽带定位装置结构简单、采用微型的超宽带通信芯片，体积小、重量轻，适合装载在无人机等小型飞行器上使用。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构框图；

图2为机载定位部分的结构框图；

图3为超宽带定位部分的结构框图；

图4为地面控制系统的结构框图；

图5为无人机机载设备连接结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的阐述，但不是对本实用新型的限定。

实施例：

如图1所示：一种基于超宽带通信的无人机导航装置，由设置在无人机上的机载定位部分、安放在飞行区域内的超宽带定位锚点Ⅰ、定位锚点Ⅱ、定位锚点Ⅲ、定位锚点Ⅳ和设置在地面上的地面控制系统构成，地面控制系统与地面超宽带定位锚点Ⅰ连接，其中：

如图2所示，超宽带定位部分1与光流传感模块2、惯性测量模块3、飞行器控制模块4、数据通信模块5、伺服控制单元6组成一个完整的机载导航飞行控制器，

飞行器控制模块4，由ARM处理器组成，ARM处理器与超宽带定位部分1、光流传感模块2、惯性测量模块3、数据通信模块5、伺服控制模块6相连接；对超宽带定位部分1获得的实时坐标、光流传感模块2获得的高度、惯性测量模块3获得的速度、加速度、姿态信息融合进行处理，得到无人机当前位置，再通过与预设航线对比运算，分析无人机下一步控制指令，通过伺服控制模块6，改变各个螺旋桨电机的转速，控制无人机的飞行姿态和规划飞行轨迹；最后通过数据通信模块5将无人机的位置信息，获取的任务信息传送给地面控制系统；

惯性测量模块3，由加速度计传感器、陀螺仪传感器组成，加速度计传感器、陀螺仪传感器通过数据接口和飞行器控制模块4相连接，惯性测量模块3用于获得无人机的当前飞行速度、加速度、姿态角、角速度、俯仰角、航偏角和翻滚角信息，并通过数据接口直接将以上信息实时的输入到飞行器控制模块4中；

光流传感模块2，由光流传感器、气压计传感器组成，与无人机的飞行器控制模块4相连接，用于获得无人机的实时飞行高度信息，直接将高度信息的传送给飞行器控制模块4；

数据通信模块5，采用无线传输的通信模式，由一对数传组成，数传的发送机与飞行器控制模块4连接，数传的接收机与地面控制系统连接；主要用于负责地面控制系统与无人机之间的数据交换与传递；

伺服控制模块6，与飞行器控制模块4和螺旋桨相连接，飞行器控制模块4收到控制指令后，通过改变各个螺旋桨电机的转速，控制无人机的飞行姿态和规划航迹。

如图3所示，超宽带定位部分1为地面导航部分，即在飞行区域内设置3个或3个以上定位锚点，用于与机载定位部分的超宽带定位设备配合完成测距工作，实时获取无人机的当前高精度坐标。超宽带定位部分1包括ARM处理器1-3和分别与ARM处理器1-3连接的字符液晶显示模块1-2、按键模块1-1、超宽带射频模块1-5及SPI总线接口1-6，超宽带射频模块1-5与超宽带天线1-4连接，其中：

中央处理器：由STM321F105 处理器电路组成，为超宽带定位部分的主控电路；

字符液晶显示模块：由2行LCD ASCII字符液晶显示电路组成，用于显示无人机飞行距离信息，无人机实时的位置信息和预先设定的目标位置信息；

按键模块：用于预先设定无人机飞行目标的位置坐标信息；

超宽带射频模块与超宽带天线相互连接，用于接收和发送无线电信号，通过超宽带射频与超宽带天线部分发送信标包，该信标包用来让机载设备搜索到目前处于哪几个定位基站的覆盖范围；同时用来测距以及在测距的同时传递规定格式的无线数据，定位基站根据接收到的信标包，处理后确定无人机的实时坐标位置M(x,y,z)。

SPI总线接口：将ARM处理器电路处理后确定的无人机坐标位置信息，通过总线输入到飞行控制单元中，与惯性测量单元协同工作，校正惯性测量单元系统误差；飞行控制单元再通过调整螺旋桨电路实时调整无人机的行进方向。

如图4所示，地面控制系统由数传接收机、数据处理模块、数据保存模块、综合业务控制模块及显示模块构成，

数传接收机与数据处理模块连接，用于接收无人机监测的数据信息和无人机的飞行状态信息。

数据保存模块与数据处理模块连接，用于实时的保存无人机飞行过程监测的数据信息。

显示模块与数传接收机连接，采用PC机或者智能手持端显示无人机实时的飞行参数（无人机健康状况、飞行数据、告警信息）、位置信息和作业过程中获得的数据信息。

综合业务网由飞行控制台、任务规划席、链路控制席三部分组成，综合业务网与数据处理模块相连接，当发现无人机的飞行参数（无人机健康状况、飞行数据、告警信息）出现异常时或者需要更改任务时发送链路控制指令。

如图5所示，无人机顶部设有支架，将本装置固定在支架上，这样的放置拆卸安装方便，通信信号不易受到干扰；

将飞行控制器模块4和惯性测量模块3固定在支架中部，通过惯性测量模块3获取飞行速度、加速度、角速度、位置、俯仰角、航偏角和翻滚角信息；

无人机下方固定有向下的凸槽，凸槽上设有用于固定光流传感模块2的挂钩，通过光流传感模块2获取无人机飞行高度信息；

飞行控制器模块4对超宽带定位坐标、光流传感高度、惯性测量获得的速度、加速度、姿态信息进行处理，得到无人机当前位置，再通过与预设航线对比运算，分析出无人机下一步控制指令。

本实用新型定位导航时，首先通过键盘设定无人机飞行目标位置坐标E(xo,yo,zo)，并通过无线通信电路传输给机载超宽带通信机模块。无人机飞行时，机载超宽带通信机发出无线电信号的同时，通过无线通信电路发送接收命令给各无线超宽带通信机锚点模块，三个不在同一直线上的超宽带通信机锚点模块根据接受到的接收命令及无线电信号，经ARM 处理器电路计算确定各无线超宽带通信机锚点模块与无人机的距离，并通过无线通信电路传输给机载超宽带通信机模块。机载超宽带通信机模块的ARM处理器电路对获得的数据，经处理后确定无人机的实时坐标位置M(x,y,z)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超宽带通信的无人机导航装置，其特征是：包括设置在无人机上的机载定位部分和与机载定位部分连接的超宽带定位部分，超宽带定位部分与地面控制系统连接；其中：

所述机载定位部分包括飞行器控制模块和分别与飞行器控制模块连接的惯性测量模块、光流传感模块、数据通信模块及伺服控制模块；

所述超宽带定位部分包括中央处理器和分别与中央处理器连接的显示模块、按键模块、超宽带射频模块及SPI总线接口，超宽带射频模块与超宽带天线连接；

所述地面控制系统包括数传接收机和分别与数传接收机连接的数据保存处理模块、控制操作模块及显示模块，数据保存处理模块与控制操作模块连接。

2.根据权利要求1所述的无人机导航装置，其特征是：所述超宽带定位部分为地面导航部分，即在飞行区域内设置3个或3个以上，用于与机载定位部分的超宽带定位设备配合完成测距工作，实时获取无人机的当前高精度坐标。

3.根据权利要求1所述的无人机导航装置，其特征是：所述飞行器控制模块，由ARM处理器组成，ARM处理器与超宽带定位部分、光流传感模块、惯性测量模块、数据通信模块、伺服控制模块相连接；对超宽带定位部分获得的实时坐标、光流传感模块获得的高度、惯性测量模块获得的速度、加速度、姿态信息融合进行处理，得到无人机当前位置，再通过与预设航线对比运算，分析无人机下一步控制指令，通过伺服控制模块，改变各个螺旋桨电机的转速，控制无人机的飞行姿态和规划飞行轨迹；最后通过数据通信模块将无人机的位置信息，获取的任务信息传送给地面导航部分。

4.根据权利要求1所述的无人机导航装置，其特征是：所述惯性测量模块，由加速度计传感器、陀螺仪传感器组成，加速度计传感器、陀螺仪传感器通过数据接口和飞行器控制模块相连接，惯性测量模块用于获得无人机的当前飞行速度、加速度、姿态角、角速度、俯仰角、航偏角和翻滚角信息，并通过数据接口直接将以上信息实时的输入到飞行器控制模块中。

5.根据权利要求1所述的无人机导航装置，其特征是：所述光流传感模块，由光流传感器、气压计传感器组成，与无人机的飞行器控制模块相连接，用于获得无人机的实时飞行高度信息，直接将高度信息的传送给飞行器控制模块。

6.根据权利要求1所述的无人机导航装置，其特征是：所述数据通信模块，采用无线传输的通信模式，由一对数传组成，数传的发送机与飞行控制单元连接，数传的接收机与地面导航部分连接；主要用于负责地面控制子系统与无人机之间的数据交换与传递。

7.根据权利要求1所述的无人机导航装置，其特征是：所述伺服控制模块，与飞行器控制模块和螺旋桨相连接，飞行器控制模块收到控制指令后，通过改变各个螺旋桨电机的转速，控制无人机的飞行姿态和规划航迹。

8.根据权利要求1所述的无人机导航装置，其特征是：所述超宽带射频模块与超宽带天线相互连接，用于接收和发送无线电信号，通过超宽带射频与超宽带天线部分发送信标包，该信标包用来让机载设备搜索到目前处于哪几个定位基站的覆盖范围；同时用来测距以及在测距的同时传递规定格式的无线数据，定位基站根据接收到的信标包，处理后确定无人机的实时坐标位置M(x,y,z)。

9.根据权利要求1所述的无人机导航装置，其特征是：所述数据保存处理模块分别与数传接收机、控制操作模块连接，用于接收无人机飞行器控制模块发送的数据，并对数据进行处理后发送给控制操作模块。