CN209265270U - 一种基于uwb的无人飞行器自主定位导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，用于实现无人飞行器的自主导航，解决了在无GNSS情况下无人机不能自主导航的问题，包括：飞行器模块，用于承载无人飞行器，并采集无人飞行器及无人飞行器周围环境的相对位置信息；超宽带定位模块，用于根据超宽带定位技术的方法定位飞行器模块的位置信息；地面站处理模块，用于处理飞行器模块的相对位置信息，并向飞行器模块发送控制指令；飞行器数传模块，用于向地面站处理模块输出无人飞行器的相对信息及飞行器模块的位置信息，并接收控制指令。本实用新型的技术方案降低了无人飞行器与室内物体发生碰撞的几率，在室内GNSS信号较弱或没有GNSS信号的环境下，无人飞行器的使用不会受到限制。

Description

一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统

技术领域

本实用新型涉及飞行器领域，尤其涉及一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统。

背景技术

随着科技的发展，无人飞行器的使用越来越广泛，无人飞行器不仅在室外得到了广泛使用，并且在室内也多有应用，传统的多旋翼无人飞行器平台依靠全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收机进行导航，从而实现无人飞行器的自主飞行。

但是，在地下室、高楼林立的室内等室内环境中，GNSS信号无法穿透墙壁等隔层，可能会出现GNSS信号较弱或没有GNSS信号的情况，此时，多旋翼无人飞行器的自主导航功能便会失效，多旋翼无人飞行器在自主飞行时很可能与室内的物体发生碰撞，使得无人飞行器发生损坏，从而室内的GNSS信号较弱或没有GNSS信号的环境下，无人飞行器的使用受到了限制。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，旨在解决现有技术中室内的GNSS信号较弱或没有GNSS信号的环境下，无人飞行器的使用受到了限制的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，包括：飞行器模块，用于承载无人飞行器，并采集无人飞行器的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息；超宽带定位模块，用于根据超宽带定位技术的方法定位飞行器模块的位置信息；地面站处理模块模块，用于处理所述飞行器模块的位置信息及所述无人飞行器周围环境的相对位置信息，并向所述飞行器模块发送控制指令；飞行器数传模块，用于向地面站处理模块模块输出所述无人飞行器周围环境的相对信息及所述飞行器模块的位置信息，并接收所述控制指令。

进一步地，所述超宽带定位模块包括：超宽带定位单元，用于在室内的四个地点设置定位基站，四个所述定位基站围成四边形，且三个定位基站位于同一水平面，一个定位基站与另外三个定位基站不位于同一水平面，根据所述定位基站的坐标作为飞行器模块的参考坐标。

进一步地，所述地面站处理模块包括：数传单元，用于接收所述超宽带定位模块传输的飞行器模块的位置信息及所述相对位置信息，并用于向所述飞行器模块发送所述控制指令；信息处理单元，用于根据飞行器模块的位置信息及所述相对位置信息生成控制所述飞行器模块的控制指令。

进一步地，所述信息处理单元包括：二维坐标点确定子单元，用于根据所述超宽带定位模块确定一个飞行器模块在二维空间内的二维参照坐标点；飞行距离测算子单元，用于根据超宽带定位模块发射的数据信号生成两条独立的时间戳，并根据两条独立的时间戳计算数据信号传递的时间；三维坐标点确定子单元，用于根据所述坐标点确定子单元及所述超宽带定位模块确定飞行器模块在三维空间内的三维参照坐标点。

本实用新型第二方面提供一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航方法，包括：采集无人飞行器的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息；根据超宽带定位技术的方法定位无人飞行器的位置信息；在无人飞行器上向地面站输出无人飞行器的位置信息及周围环境的相对信息；在地面站接收并处理无人机飞行器的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息，并向无人飞行器发送控制指令；无人飞行器接收所述控制指令实现自主导航飞行。

进一步地，所述根据超宽带定位技术的方法定位无人飞行器的位置信息包括：在室内的同一水平面的四个地点设置定位基站，将其中三个基站的高度设置在同一水平面，设置一个基站的高度不与另外三个基站的水平高度相等，并将四个定位基站围成四边形，并根据定位基站的坐标作为无人飞行器的参考坐标；使用超宽带定位方法，使飞行器模块实现超宽带通信，输出无人飞行器的位置信息及周围环境的相对位置信息。

进一步地，所述在地面站接收并处理无人机飞行器的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息，并向无人飞行器发送控制指令包括：接收无人飞行器的位置信息及周围环境的相对位置信息；根据无人飞行器的位置信息及周围环境的相对位置信息生成控制无人飞行器飞行的控制指令；向无人飞行器发送所述控制指令。

进一步地，所述根据无人飞行器的位置信息及周围环境的相对位置信息生成控制无人飞行器飞行的控制指令包括：根据超宽带定位方法确定一个无人飞行器在二维空间内的二维参照坐标点；在无人飞行器通过超宽带定位技术的方法向地面站输出位置信息与相对位置信息的两个时间点生成两条独立的时间戳，并根据两条独立的时间戳计算数据信号传递的时间；根据所述二维参照坐标点、所述数据信号传递的时间计算无人飞行器在三维空间内的三维参照坐标点。

本实用新型第三方面提供一种电子装置，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述的任意一项所述方法。

本实用新型第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的任意一项所述方法。

本实用新型提供一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，有益效果在于：通过超宽带定位模块，能够使用超宽带定位技术的方法获得无人飞行器的的位置信息，而超宽带定位技术提供的UWB信号具有穿透力强、能够提供精确定位精度等特点，所以能够使得超宽带定位模块获取的飞行器模块的位置信息及飞行器模块采集的相对位置信息较为精准，使得无人飞行器在室内GNSS信号较弱或没有GNSS信号的环境下，仍能够通过获取的飞行器模块的位置信息及飞行器模块采集的相对位置信息完成自主导航，降低了无人飞行器与室内物体发生碰撞的几率，从而在室内GNSS信号较弱或没有GNSS信号的环境下，无人飞行器的使用不会受到限制。

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获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的结构示意框图；

图2为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的飞行器模块的结构示意框图；

图3为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的超宽带定位模块的结构示意框图；

图4为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的地面站处理模块的结构示意框图；

图5为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的飞行器模块及定位模块的结构示意图；

图6为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的俯视图；

图7为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的放大图；

图8为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的结构示意图；

图9为本实用新型实施例基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的飞行器模块的结构示意图；

图10为本实用新型实施例电子装置的结构示意框图。

具体实施方式

为使得本实用新型的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做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。

请参阅图1及图5，为一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，包括：飞行器模块1，用于承载无人飞行器，并采集无人飞行器的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息；超宽带定位模块2，用于根据超宽带定位技术的方法定位飞行器模块1的位置信息；地面站处理模块4，用于处理飞行器模块1的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息，并向飞行器模块1发送控制指令；飞行器数传模块3，用于向地面站处理模块4输出无人飞行器周围环境的相对信息及飞行器模块1的位置信息，并接收控制指令；其中UWB代表超宽带定位技术。

请参阅图2及图9，飞行器模块1包括：飞行器单元11，用于承载无人飞行器；推进器单元12，用于为无人飞行器提供推进力；飞控单元13，用于在无人飞行器上安装用于接收控制指令，以控制无人飞行器飞行的飞控FC；飞控FC通过飞行器数传模块3接收地面站处理模块4的控制指令，从而控制无人飞行器运动，并且飞控FC通过飞行器数传模块3向地面站处理模块4发送无人飞行器的姿态位置等数据信息，在本实施例中，飞行器数传模块3为第一数传电台R0。

推进器单元12包括：螺旋桨、无刷电机、无刷电调及锂电池，螺旋桨设置在四旋翼飞行器上，并且相邻的两个螺旋桨转向相反，不相邻的两个螺旋桨转向相同，从而抵消螺旋桨产生的反扭力，使得无人飞行器能够飞行的更加稳定，螺旋桨搭载无刷电机及无刷电调，无刷电机用于带动螺旋桨工作，无刷电调用于启动或关闭无刷电机，并控制无刷电机的转速，并且锂电池为推进器单元12上的电子设备提供电源，飞行器可以通过遥控器手动控制飞行，也可以采用地面站处理模块4控制飞行，从而实现飞行器的自主飞行。

请参阅图3、图5至图7，超宽带定位模块2为超宽带定位单元21，用于在室内的四个地点设置定位基站，四个定位基站围成四边形，且三个定位基站位于同一水平面，一个定位基站与另外三个定位基站不位于同一水平面，根据定位基站的坐标作为飞行器模块1的参考坐标，从而根据四个固定的定位基站坐标为飞行器模块1上的移动标签提供参考坐标。在本实施例中，超宽带定位单元21具体为DW1000型号的芯片、UWB全向天线，电源集成电路、LED指示电路、复位电路集成的控制系统，并且超宽带定位单元21采用STM32F103T8U6型号的单片机作为主控芯片，在图5至图9中，超宽带定位单元21用T0表示。

请参阅图3及图8超宽带定位模块2还包括：固定单元22，用于固定超宽带定位单元21的定位基站；备用电源单元23，用于为超宽带定位单元21的定位基站提供备用电源；其中，四个定位基站分别记做A0、A1、A2及A3；固定单元为三角支架，在本实施例中，三角支架有四个，分别标记为Z0、Z1、Z2及Z3，并用三角支架Z0、Z1、Z2及Z3分别固定安装基站A0、A1、A2及A3；在本实施例中，备用电源为充电宝，在其他实施例中，备用电源还可为电池、具有变压功能的发电机等；充电宝有四个，并将四个充电宝分别标记C0、C1、C2及C3，充电宝C0、C1、C2及C3分别安装在三角支架Z0、Z1、Z2及Z3上，分别作为基站A0、A1、A 2及A3的备用电源，防止基站断电后失去功能，从而增加了基站数据传输的稳定性。

请参阅图4，地面站处理模块4包括：数传单元41，用于接收超宽带定位模块2传输的飞行器模块1的位置信息及相对位置信息，并用于向飞行器模块1发送控制指令；信息处理单元42，用于根据飞行器模块1的位置信息及相对位置信息生成控制飞行器模块1的控制指令。

请参阅图7及图9，在本实施例中，数传单元41为第二数传电台R1，并且第一数传电台R0和第二数传电台R1在使用前预先配置，使得第一数传电台R0与第二数传电台R1能够双向通信，从而使得第二数传电台R1能够通过第一数传电台R0向飞行器模块1发送指令；接收单元为计算机，并且为了便于移动，接收单元为笔记本电脑，并且笔记本电脑通过USB连接第二数传电台R1。

信息处理单元42包括：二维坐标点确定子单元421，用于根据超宽带定位模块2确定一个飞行器模块1在二维空间内的二维参照坐标点；飞行距离测算子单元422，用于根据超宽带定位模块2发射的数据信号生成两条独立的时间戳，并根据两条独立的时间戳计算数据信号传递的时间；三维坐标点确定子单元423，用于根据坐标点确定子单元及超宽带定位模块2确定飞行器模块1在三维空间内的三维参照坐标点。

在本实施例中，分别在室内的四个角点安装基站，基站也称为信标锚点，基站A3的高度比基站A0、基站A1及基站A2高0.5米或1米，并且基站A0、基站A1及基站A2在同一个平面，并且分别将A0、A1及A2将作为A节点、B节点及C节点，将无人飞行器作为D节点，且以A节点、B节点、C节点为圆心做圆，并获取A节点、B节点、C节点的坐标，且分别表示为(Xa，Ya)，(Xb，Yb)，(Xc，Yc)，以A节点、B节点、C节点的坐标做的圆的圆周相交于一点D，交点D即为移动节点，A节点、B节点、C节点即为参考节点，设定A节点、B节点、C节点与D点的距离分别为da，db，dc，并设定D点的坐标为(X，Y)，则有公式1，公式1表示如下：

由于在超宽带定位技术的方法中，用到的A节点、B节点、C节点及D节点，每个节点的硬件和功耗均有细微不同，所以测出的实际距离不是理想值，从而导致上述的三个圆可能不会刚好交于一点，可能会相交于一个区域，因此使用上述方法计算的坐标(X，Y)存在误差，所以，当基站A0、A1及A2工作时，用数学的方法计算，会有两个解；当A0、A1、A2级A3工作时，会有一个最优解，A3作为辅助基站，在A0、A1及A2完成一次三边测量解算算法后，得到两个解，将离A3球面最近的解，作为最优解，从而得到无人飞行器的经度及纬度；将基站A 3作为高度的参考点，并通过超宽带定位技术的方法，获得无人飞行器与基站A3的相对高度，从而得到无人飞行器的高度。

在本实施例中，基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，其测距原理是使用双向飞行时间法，即每个模块从启动开始便会生成一条独立的时间戳，模块A的发射机在其时间戳上的Ta1时刻发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb1时刻接收到模块A发射的脉冲信号，并在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收，由此可通过公式2计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S，在公式2中，C表示光速，公式2表示如下：

在本实施例中，基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，其定位原理如下：已知距离＝光速*时间差/2，在二维平面内，由三个圆能够确定一个点；在三维空间内，由四个圆能够确定一个空间点，为了获得较好的Z轴，即高度信息，对四个基站来说，基站A3的高度比基站A0、基站A1及基站A2高0.5米或1米，并且基站A0、基站A1及基站A2在同一个平面。

本实用新型提供的基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，其工作原理或过程如下：在室内GNSS信号较弱或没有GNSS信号的环境下，无人飞行器的位置信息从超宽带定位模块2处获取，进行坐标转换后，取代传统的GNSS从卫星获得的经度、纬度及高度的数据，并使用原有的GNSS数据传输协议，实现无人飞行器室内位置数据的更新，完成无人飞行器的自主飞行任务。

本申请实施例提供一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航方法，包括：采集无人飞行器及无人飞行器周围环境的相对位置信息；根据超宽带定位技术的方法定位无人飞行器的位置信息；在无人飞行器上向地面站输出无人飞行器的位置信息及周围环境的相对信息；在地面站接收并处理无人机飞行器的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息，并向无人飞行器发送控制指令；无人飞行器接收控制指令实现自主导航飞行。

根据超宽带定位技术的方法定位无人飞行器的位置信息包括：在室内的四个地点设置定位基站，将其中三个基站的高度设置在同一水平面，设置一个基站的高度不与另外三个基站的水平高度相等，并将四个定位基站围成四边形，并根据定位基站的坐标作为无人飞行器的参考坐标；使用超宽带定位方法，使飞行器模块实现超宽带通信，输出无人飞行器的位置信息及周围环境的相对位置信息。

在地面站接收并处理无人机飞行器的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息，并向无人飞行器发送控制指令包括：接收无人飞行器的位置信息及周围环境的相对位置信息；根据无人飞行器的位置信息及周围环境的相对位置信息生成控制无人飞行器飞行的控制指令；向无人飞行器发送控制指令。

根据无人飞行器的位置信息及周围环境的相对位置信息生成控制无人飞行器飞行的控制指令包括：根据超宽带定位方法确定一个无人飞行器在二维空间内的二维参照坐标点；在无人飞行器通过超宽带定位技术的方法向地面站输出位置信息与相对位置信息的两个时间点生成两条独立的时间戳，并根据两条独立的时间戳计算数据信号传递的时间；根据二维参照坐标点、数据信号传递的时间计算无人飞行器在三维空间内的三维参照坐标点。

本申请实施例提供一种电子装置，请参阅10，该电子装置包括：存储器601、处理器602及存储在存储器601上并可在处理器602上运行的计算机程序，处理器602执行该计算机程序时，实现前述实施例中描述的基于UWB的无人飞行器自主定位导航方法。

进一步的，该电子装置还包括：至少一个输入设备603以及至少一个输出设备604。

上述存储器601、处理器602、输入设备603以及输出设备604，通过总线605连接。

其中，输入设备603具体可为摄像头、触控面板、物理按键或者鼠标等等。输出设备604具体可为显示屏。

存储器601可以是高速随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)存储器，也可为非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器601用于存储一组可执行程序代码，处理器602与存储器601耦合。

进一步的，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是设置于上述各实施例中的电子装置中，该计算机可读存储介质可以是前述图10所示实施例中的存储器601。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器602执行时实现前述方法实施例中描述的基于UWB的无人飞行器自主定位导航方法。

进一步的，该计算机可存储介质还可以是U盘、移动硬盘、只读存储器601(ROM，Read-Only Memory)、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本实用新型并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本实用新型，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本实用新型所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本实用新型所提供的一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发实用新型明的限制。

Claims (4)

1.一种基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，其特征在于，包括：

飞行器模块，用于承载无人飞行器，并采集无人飞行器的位置信息及无人飞行器周围环境的相对位置信息；

超宽带定位模块，用于根据超宽带定位技术的方法定位飞行器模块的位置信息；

地面站处理模块，用于处理所述飞行器模块的位置信息及所述无人飞行器周围环境的相对位置信息，并向所述飞行器模块发送控制指令；

飞行器数传模块，用于向地面站处理模块输出所述无人飞行器周围环境的相对信息及所述飞行器模块的位置信息，并接收所述控制指令。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，其特征在于，

所述超宽带定位模块包括：

超宽带定位单元，用于室内的四个地点设置定位基站，四个所述定位基站围成四边形，且三个定位基站位于同一水平面，一个定位基站与另外三个定位基站不位于同一水平面，根据所述定位基站的坐标作为飞行器模块的参考坐标。

3.根据权利要求1所述的基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，其特征在于，

所述地面站处理模块包括：

数传单元，用于接收所述超宽带定位模块传输的飞行器模块的位置信息及所述相对位置信息，并用于向所述飞行器模块发送所述控制指令；

信息处理单元，用于根据飞行器模块的位置信息及所述相对位置信息生成控制所述飞行器模块的控制指令。

4.根据权利要求3所述的基于UWB的无人飞行器自主定位导航系统，其特征在于，

所述信息处理单元包括：

二维坐标点确定子单元，用于根据所述超宽带定位模块确定一个飞行器模块在二维空间内的二维参照坐标点；

飞行距离测算子单元，用于根据超宽带定位模块发射的数据信号生成两条独立的时间戳，并根据两条独立的时间戳计算数据信号传递的时间；

三维坐标点确定子单元，用于根据所述坐标点确定子单元及所述超宽带定位模块确定飞行器模块在三维空间内的三维参照坐标点。