CN209400696U - 用于核电站的无人机室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及核电站无人机巡检领域，公开了一种用于核电站的无人机室内定位系统。包括：无人机、UWB传感器、UWB基站和数据处理装置，UWB传感器连接数据处理装置，UWB传感器和数据处理装置均设置于所述无人机，UWB基站设置于室内。上述无人机室内定位系统，UWB基站用于给UWB传感器提供定位基准信息，UWB传感器向UWB基站发射短时脉冲，短时脉冲到达UWB基站后又被UWB传感器接收，UWB传感器根据接收到的短时脉冲可以计算脉冲在UWB基站和UWB传感器之间的传输时间，从而确定UWB基站和UWB传感器之间的距离，然后将计算得到的距离信息发送给数据处理装置，实现室内定位功能。无人机室内定位系统通过UWB技术进行定位，抗干扰能力强，可靠性高。

Description

用于核电站的无人机室内定位系统

技术领域

本实用新型涉及核电站无人机巡检领域，特别是涉及一种无人机室内定位系统。

背景技术

无人机的全称是无人驾驶飞机，它是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点，因此得到了广泛的应用。使用无人机时，首先需要进行准确的定位，得到准确的位置后更有利于无人机的其他操作。

传统的定位系统基于双GPS差分定位技术，这种技术的实现方式是将两个GPS模块分别固定于基准站与无人机上，定位期间基准站不移动，无人机上的GPS根据自身位置信息，结合基准站提供的GPS相关信息，进行联合解算，最终得到无人机的实时空间坐标，这种方法在露天、开阔地带可以接收到GPS信号，实现定位功能。然而，当这种定位系统应用于室内定位时，由于室内接收到的GPS信号强度很小甚至接收不到GPS信号，导致定位不准确，传统的定位系统可靠性低。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的定位系统可靠性低的问题，提供一种无人机室内定位系统。

一种无人机室内定位系统，包括：无人机、UWB(Ultra Wideband，超宽带)传感器、UWB基站和数据处理装置；所述UWB传感器连接所述数据处理装置，所述UWB传感器和所述数据处理装置均设置于所述无人机，所述UWB基站设置于室内。

上述无人机室内定位系统，UWB基站设置于室内，用于给UWB传感器提供定位基准信息，UWB传感器和数据处理装置均设置于无人机，UWB传感器向UWB基站发射短时脉冲，短时脉冲到达UWB基站后又被UWB传感器接收，UWB传感器根据接收到的短时脉冲可以计算脉冲在UWB基站和UWB传感器之间的传输时间，从而确定UWB基站和UWB传感器之间的距离，然后将计算得到的距离信息发送给数据处理装置，实现室内定位功能。无人机室内定位系统通过UWB技术进行定位，抗干扰能力强，可靠性高。

附图说明

图1为一个实施例中无人机室内定位系统的结构图；

图2为一个实施例中无人机室内定位系统的结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本实用新型进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在一个实施例中，请参见图1，提供一种无人机室内定位系统，包括无人机102、UWB传感器104、UWB基站106和数据处理装置108，UWB传感器104连接数据处理装置108，UWB传感器104和数据处理装置108均设置于无人机102，UWB基站106设置于室内。其中，UWB基站106设置于室内，用于给UWB传感器104提供定位基准信息，UWB传感器104和数据处理装置108均设置于无人机102，UWB传感器104向UWB基站106发射短时脉冲，短时脉冲到达UWB基站106后又被UWB传感器104接收，UWB传感器104根据接收到的短时脉冲可以计算脉冲在UWB基站106和UWB传感器104之间的传输时间，从而确定UWB基站106和UWB传感器104之间的距离，然后将计算得到的距离信息发送给数据处理装置108，实现室内定位功能。无人机室内定位系统通过UWB技术进行定位，抗干扰能力强，可靠性高。

具体地，UWB是一种无载通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，UWB测量距离的原理是双向时间飞行法，UWB传感器104发射请求性质的脉冲信号，UWB传感器104发出的请求脉冲信号到达UWB基站106后，UWB基站106发出响应性质的脉冲信号，被UWB传感器104接收，由此可以计算出脉冲信号在UWB传感器104和UWB基站106之间的飞行时间，从而确定飞行距离，由于UWB基站106的位置信息是已知的，可以为UWB传感器104提供定位基准信息，计算出UWB传感器104和UWB基站106之间的距离后，就可以得到UWB传感器104的位置信息，实现定位功能。由于UWB技术抗干扰能力强，采用UWB传感器104和UWB基站106定位时对其他的无线电干扰有较强的免疫力，且定位速度快，精度高。无人机102是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器，其体积小，可以在地形较为复杂的室内灵活运行，使用方便。无人机102可以应用于多种室内场景，例如核电站内部的定位，由于核电站内部结构复杂，人工作业时存在较大的安全隐患，由无人机102在核电站内部作业安全可靠。通过设置于无人机102上的UWB传感器104和设置于室内的UWB基站106可以获取无人机102的与UWB基站106之间的距离，UWB传感器104将该距离值发送至设置于无人机102上的数据处理装置108，数据处理装置108经过计算后可以得到无人机102的位置信息，实现无人机102的室内定位功能，使用可靠。

上述无人机室内定位系统，UWB基站106设置于室内，用于给UWB传感器104提供定位基准信息，UWB传感器104和数据处理装置108均设置于无人机102，UWB传感器104向UWB基站106发射短时脉冲，短时脉冲到达UWB基站106后又被UWB传感器104接收，UWB传感器104根据接收到的短时脉冲可以计算脉冲在UWB基站106和UWB传感器104之间的传输时间，从而确定UWB基站106和UWB传感器104之间的距离，然后将计算得到的距离信息发送给数据处理装置108，实现室内定位功能。无人机室内定位系统通过UWB技术进行定位，抗干扰能力强，可靠性高。

在一个实施例中，请参见图2，无人机102室内系统还包括超声检测装置110，超声检测装置110设置于无人机102，超声检测装置110连接数据处理装置108。超声检测装置110设置于无人机102上，可以检测无人机102与被测物如附近的结构如墙体、地板等之间的距离，实现无人机102的室内定位，检测速度快。

具体地，超声检测装置110是以超声波为传播介质实现检测功能的，超声波是频率高于20千赫的机械波，这种机械波在能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面时就会产生反射、折射和波形转换，通过测量入射波与反射波之间的时差，可确定入射点与反射面之间的距离。超声检测装置110设置于无人机102上，以无人机102所在位置为发射点发射超声波，超声波被发出后碰到周围的阻挡物如墙面、地板或天花板时会发生反射，墙面、地板或天花板等的位置信息是已知的，反射回来的超声波被超声检测装置110接收，超声检测装置110将接收到的超声信号转化为电信号并发送至数据处理装置108，数据处理装置108根据超声检测装置110传输过来的信号计算无人机102与周围阻挡物之间的距离，从而实现室内定位的功能。由于超声波指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，利用超声检测装置110检测无人机102与周围阻挡物之间的距离时检测结果准确可靠。

在一个实施例中，超声检测装置110包括超声波发送器、超声波接收器和超声波处理器，超声波发送器、超声波接收器和超声波处理器均设置于无人机102，超声波发送器和超声波接收器均连接超声波处理器，超声波处理器连接数据处理装置108。超声波发送器设置于无人机102，用于在无人机102所在位置发射超声波，被发射出来的超声波在空气中传播，当超声波遇到墙面、天花板或地板等阻挡物时会发生发射，反射后的超声波被设置于无人机102上的超声波接收器接收，超声波接收器接收到超声波信号后发送至超声波处理器，超声波处理器将接收到的超声信号转化为电信号并发送至数据处理装置108，数据处理装置108根据超声检测装置110传输过来的信号计算无人机102与周围阻挡物之间的距离，从而获取无人机102的准确的位置信息，实现室内定位的功能。

具体地，超声波发生器发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度是已知的，根据发射和接收超声波的时间差可以计算出发射点到障碍物的实际距离，在本实施例中为无人机102到障碍物的实际距离，实现测距的功能。

在一个实施例中，请参见图2，无人机102室内系统还包括惯性测量装置112，惯性测量装置112设置于无人机102，惯性测量装置112连接数据处理装置108。惯性测量装置112设置于无人机102可以测量无人机102的飞行姿态并将测量到的数据发送至数据处理装置108，检测结果准确。

具体地，惯性测量装置112是测量无人机102三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个惯性测量装置112包含三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计用来检测无人机102在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，陀螺可以检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。惯性测量装置112获取无人机102的飞行姿态信息对于无人机102的广泛应用起到了重要的作用。

惯性测量装置112的结构并不是唯一的，在一个实施例中，惯性测量装置112包括加速度传感器、速度传感器和数据转换器，加速度传感器和速度传感器均连接数据转换器，数据转换器连接数据处理装置108。加速度传感器用来检测无人机102相对于地垂线的加速度分量，速度传感器用来检测无人机102的角度信息，数据转换器将接收到的加速度传感器发送过来的无人机102的加速度信息和速度传感器发送过来的无人机102的角度信息转换成电信号并发送至数据处理装置108，获取无人机102的旋转方向及角度等信息，实现无人机102飞行姿态的获取。

在一个实施例中，请参见图2，无人机室内定位系统还包括设置于无人机102的报警装置114，报警装置114连接数据处理装置108。报警装置114与数据处理装置108连接，根据数据处理装置108发出的信号实现报警功能，通过报警装置114可以通知工作人员及时对无人机102作出相应的处理，有利于延长无人机102的使用寿命。

具体地，触发报警装置114工作的信号类型并不唯一，例如当无人机102上设置有UWB传感器104时，UWB传感器104检测无人机102与UWB基站106的距离并发送给数据处理装置108，当数据处理装置108判断UWB传感器104与UWB基站106的距离值小于预设阈值时，认为无人机102撞到UWB基站106的风险较大，此时数据处理装置108发出控制信号至报警装置114使报警装置114工作，提醒工作人员及时处理此危险情况。当无人机102上设置有超声检测装置110时，超声检测装置110检测无人机102与周围障碍物的距离并发送给数据处理装置108，当数据处理装置108判断无人机102与周围障碍物的距离小于预设阈值时，认为无人机102撞到周围障碍物的风险较大，此时数据处理装置108发出控制信号至报警装置114使报警装置114工作，以提醒工作人员及时采取措施，避免无人机102撞坏影响系统正产工作。可以理解，在其他实施例中，报警装置114也可以根据其他信号触发工作状态。

在一个实施例中，报警装置114包括蜂鸣器和/或指示灯，蜂鸣器和/或指示灯连接数据处理装置108。具体地，当报警装置114包括指示灯时，可以通过指示灯的颜色或者闪烁状态实现报警功能。指示灯的数量可以为多个，指示灯的颜色或者闪烁状态也可以不一样，例如，当指示灯为绿灯时表示无人机102处于正常工作状态，当指示灯为红灯时表示无人机102处于异常工作状态，或者当指示灯为常亮时表示无人机102处于正常工作状态，当指示灯为不同颜色交替闪烁时表示无人机102处于异常工作状态等。当报警装置114包括蜂鸣器时，可以通过蜂鸣器发出的提示声实现报警功能，例如当蜂鸣器发出警报声时表示无人机102处于工作异常状态，使用便捷。

在一个实施例中，UWB基站106的数量为两个以上。当UWB基站106的数量为多个时，任意时刻都有多个UWB基站106可以接收到设置于无人机102上的UWB传感器104发出的脉冲，使定位准确。具体地，当UWB基站的数量为两个时，UWB传感器可以分别测得与两个UWB基站之间的距离，当UWB基站的数量为四个时，通过测距的方式可以得到无人机102与UWB基站106所在直线的距离；当四个UWB基站106位于同一平面内时，可以得到无人机102的二维坐标，实现无人机102的二维定位；当四个UWB基站106有三个UWB基站106位于同一平面内，另外一个UWB基站106与三个UWB基站106所在的平面存在高度差时，可以通过这四个UWB基站106得到无人机102的三维坐标，实现无人机102在室内的三维定位，定位准确。

在一个实施例中，UWB基站设置的相互间隔小于或等于50m。UWB基站设置的相互间隔小于或等于50m可以提高UWB的定位精度，使无人机的定位准确。具体地，当UWB基站设置的相互间隔等于50m时，可以使各个UWB基站的信号辐射范围基本都有重叠的部分，使UWB传感器发出的大部分脉冲都能被UWB基站接收到，提高了UWB基站和UWB传感器的定位可靠性。当UWB基站设置的相互间隔小于50m时，UWB传感器发出的大部分脉冲都能被UWB基站接收到，且UWB基站数量多，提供的定位基准信息更全面，无人机定位更准确。

为了更好地理解上述实施例，以下结合一个具体的实施例进行详细说明。在一个实施例中，无人机室内定位系统包括无人机102、UWB传感器104、UWB基站106、超声检测装置110、惯性测量装置112、数据处理装置108和报警装置114，UWB基站106设置于室内，UWB传感器104、超声检测装置110、惯性测量装置112、数据处理装置108和报警装置114均设置于无人机102，UWB基站106的数量为四个，UWB传感器104可以分别测量出无人机102与四个UWB基站106之间的距离L1、L2、L3和L4，超声检测装置110可以分别测量出无人机102与墙面和底板之间的距离Mx、My和Mz，惯性测量装置112可以测量出无人机102的水平角α及俯仰角θ，数据处理装置108根据L1、L2、L3、L4、Mx、My、Mz、α及θ，计算得到无人机102的空间坐标，还可以根据测量出的无人机的水平角和俯仰角等姿态信息对无人机的飞行状态进行调整，当数据处理装置108判断无人机102处于异常状态时启动报警装置114，提醒工作人员及时处理，提高无人机102的使用寿命，实现无人机102在室内的安全、准确定位，使其进行飞行作业。

此外，在一个实施例中，无人机室内定位系统还包括控制终端，控制终端与数据处理装置无线连接。控制终端与数据处理装置无线连接，使无人机室内定位系统可以实现远程通信功能，使用可靠。具体地，控制终端可以接收数据处理装置发送的信息，例如无人机的位置信息和飞行姿态信息等，还可以基于这些信息合成图像，在图中显示无人机的位置，直观了解到无人机的工作状态。可扩展地，控制终端还可以发送远程控制信号给信号处理装置，通过信号处理装置实现对无人机的控制，使用便捷。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无人机室内定位系统，其特征在于，所述无人机室内定位系统包括无人机、UWB传感器、UWB基站和数据处理装置；所述UWB传感器连接所述数据处理装置，所述UWB传感器和所述数据处理装置均设置于所述无人机，所述UWB基站设置于室内。

2.根据权利要求1所述的无人机室内定位系统，其特征在于，所述无人机室内系统还包括超声检测装置，所述超声检测装置设置于所述无人机，所述超声检测装置连接所述数据处理装置。

3.根据权利要求2所述的无人机室内定位系统，其特征在于，所述超声检测装置包括超声波发送器、超声波接收器和超声波处理器，所述超声波发送器、所述超声波接收器和所述超声波处理器均设置于所述无人机，所述超声波发送器和所述超声波接收器均连接所述超声波处理器，所述超声波处理器连接所述数据处理装置。

4.根据权利要求1所述的无人机室内定位系统，其特征在于，所述无人机室内系统还包括惯性测量装置，所述惯性测量装置设置于所述无人机，所述惯性测量装置连接所述数据处理装置。

5.根据权利要求4所述的无人机室内定位系统，其特征在于，所述惯性测量装置包括加速度传感器、速度传感器和数据转换器，所述加速度传感器和所述速度传感器均连接所述数据转换器，所述数据转换器连接所述数据处理装置。

6.根据权利要求1所述的无人机室内定位系统，其特征在于，还包括设置于所述无人机的报警装置，所述报警装置连接所述数据处理装置。

7.根据权利要求6所述的无人机室内定位系统，其特征在于，所述报警装置包括蜂鸣器和/或指示灯，所述蜂鸣器和/或指示灯连接所述数据处理装置。

8.根据权利要求1所述的无人机室内定位系统，其特征在于，所述UWB基站的数量为两个以上。

9.根据权利要求8所述的无人机室内定位系统，其特征在于，所述UWB基站设置的相互间隔小于或等于50m。

10.根据权利要求1所述的无人机室内定位系统，其特征在于，还包括控制终端，所述控制终端与所述数据处理装置无线连接。