CN209460647U

CN209460647U - 一种无人机控制系统

Info

Publication number: CN209460647U
Application number: CN201920602873.8U
Authority: CN
Inventors: 杨勇
Original assignee: Chengdu Yongfeng Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Yongfeng Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-28
Filing date: 2019-04-28
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2029-04-28

Abstract

本实用新型公开一种无人机控制系统，包括：无人机和控制器，其中，无人机设置有UWB定位标签；控制器设置有UWB基站，控制器外形是由控制部和握柄组成的棒状结构，控制部上端面设置有激光发射装置和基站天线，控制部侧面设置有带刻度的滑动块、按钮和显示屏；UWB基站基于UWB通讯获取无人机位置；激光发射装置指示无人机运动的目标地点；滑动块用于调节无人机与控制器之间距离；显示屏用于显示无人机与控制器之间距离；按钮用于向无人机发送指示无人机运动的运动信息。本实用新型只需单手就可以控制无人机的运动，简化操作的同时具有更丰富的控制效果。

Description

一种无人机控制系统

技术领域

本实用新型涉及无人设备控制领域，尤其涉及一种无人机控制系统。

背景技术

目前，无人机技术愈发的成熟，被普遍应用于包括运输、游戏娱乐、农业、救援等各个领域。一般来说，可以采用遥控器或者利用手持终端APP对无人机的运动模式进行控制，具体来说，需要占用操作人员的双手才能完成操控过程，并且需要全程保持对无人机的操控才能使无人机到达预定地点。

实用新型内容

针对现有无人机控制复杂的问题，本实用新型提供一种无人机控制系统，能够简化无人机控制的操作，同时具有更丰富的控制效果。本实用新型的具体方案如下：

本实用新型公开一种无人机控制系统，包括：无人机和控制器，其中，无人机设置有UWB定位标签；控制器设置有UWB基站，控制器外形是由控制部和握柄组成的棒状结构，在控制部的上端面设置有激光发射装置和若干基站天线，在控制部的侧面设置有带距离刻度的滑动块、按钮和显示屏；UWB基站通过基站天线基于UWB通讯获取无人机的位置信息；激光发射装置用于指示无人机运动的目标地点以及测量目标地点与控制器之间的距离；滑动块用于调节无人机与控制器之间的距离；显示屏用于显示无人机与控制器之间的实时距离；按钮用于向无人机发送指示无人机运动的运动信息。

进一步地，基站天线为无源天线，数量为4个。

进一步地，基站天线分别位于同一平面上正方形的顶角位置，使位于对角位置的基站天线其中心点连线相互垂直，构成空间坐标系中的X轴和Y轴，并设置与基站天线所在平面垂直的轴向为空间坐标系Z轴。

进一步地，控制器的UWB基站还包括：与基站天线一一对应的定位芯片；定位芯片基于UWB信号的TOF方式获取每一基站天线与定位标签之间的距离信息，并基于UWB信号的PDOA方式获取空间坐标系中同轴上的基站天线之间的相位差信息，基于所有轴向上的相位差信息获取所述无人机在空间坐标系中的坐标位置。

进一步地，定位芯片为DW1000芯片。

进一步地，激光发射装置的光源为绿色光。

进一步地，握柄上覆盖有防滑涂层。

进一步地，运动信息包括：无人机与控制器之间的距离，无人机与目标地点之间的距离。

采用上述方案后，本实用新型的有益效果如下：

1、本新型方案中的控制器只需要单手就可以操作，在确定了无人机的目标地点后无需后续操控，大大简化了对无人机的操控过程。

2、本新型的方案不仅可以控制无人机向目标位置运动，同时可以对无人机与控制器之间的距离进行调节，可以实现更丰富的控制效果。

3、本新型的方案基于UWB通讯实现无人机定位，具有抗干扰能力强、功耗低、精度高、反应快的特点，同时使用激光标记目标地点，这样可以使无人机获取更精准的起始位置和目标位置，使控制无人机运动的路径更加精准有效。

4、本新型的方案中控制器采用无源天线，与有源天线相比成本更低，并且可根据实际需求进行性能上的定制，提高了方案的实用性和适用性。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成示意图；

图2为本实用新型的操作器示意图；

图3为本实用新型的天线结构示意图；

图4为本实用新型的定位方法1示意图；

图5为本实用新型的定位方法2示意图；

图6为本实用新型的定位芯片电路原理图；

图7为本实用新型的无人机运动示意图；

图中标记，1-控制部，2-握柄，3-基站天线，4-滑动块，5-按钮，6-显示屏，7-激光发射装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。

如图1所示，本新型提供一种无人机控制系统，包括无人机和控制器，其中，在无人机上设置有定位标签，控制器设置有UWB基站。基于UWB通讯，可以使控制器获知无人机的定位位置，并向无人机发送运动信息，控制无人机向目标地点运动。

可以理解地，UWB是一种无载波通信技术，基于该技术，本新型的控制器与无人机之间能够利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，使传输速度达到几十Mbit/s到几百Mbit/s，具体来说，是蓝牙传输速度的100倍，也同时高于IEEE802.11a和IEEE802.11b协议的传输速度。由此可见，基于UWB的通讯方式抗干扰性能强，传输速率高，能够有效避免气候对于数据传输的影响度。与此同时，由于UWB通讯方式的发射功率很小，一般来说，只需要小于1mW的发射功率就能实现通信，而低发射功率也就意味着低电源功耗和人体辐射影响，因此具有较强的实用性。

如图2所示，本新型的控制器外形是由控制部1和握柄2组成的棒状结构，在控制部1的上端面设置有激光发射装置7和若干基站天线3，在控制部1的侧面设置有带距离刻度的滑动块4、按钮5和显示屏6。

可以理解地，此处的激光发射装置7主要用于指示无人机运动的目标地点并测距；滑动块4带有距离刻度，主要用于调节无人机与控制器之间的距离；显示屏6用于显示无人机与控制器之间的实时距离；按钮5用于向无人机发送指示无人机运动的运动信息。在实际操作中，可以通过带距离刻度的滑动块4调节无人机与操作器之间的距离，并在显示屏6中显示出来，再使用激光发射装置7对目标地点进行指示并测距，在指定了目标地点后通过按下按钮5确定向无人机发送运动信息，无人机就可以根据运动信息向目标地点进行运动。

可选地，显示屏6也可以显示的是无人机与目标地点之间的距离，此处不再赘述。

可以理解地，本新型的握柄2上覆盖有防滑涂层，以获得更好的防滑效果。

可选地，也可以对握柄进行其他防滑工艺，如设置纹路等，此处不再赘述。

由此可见，本新型的方案只需要单手就可以握持控制器实现对无人机的控制，在按下按钮5后就无需再操控无人机，无人机可以根据获取的运动信息自动向激光指示的目标地点运动。显而易见地，这种控制方式可以有效简化操作，降低无人机的操作量。与此同时，由于通过滑动块4可以实时调节无人机与操控器之间的距离，因此可以实现更丰富的控制效果。

进一步地，此处的激光发射装置7主要用于指示目标地点以及进行激光测距，具体地，激光发射装置使用的是绿色激光。

可以理解地，激光光源一般分为红光源和绿光源。由于绿光波长只有红光波长的一半(532nm)，因此比红光能量更高。一般来说，绿色光源能达到红色光源亮度的6倍，光柱更加明显，指示效果更好。

可以理解地，本新型的激光发射装置同时具有利用激光测距的作用。具体地，是基于脉冲测距原理，通过将瞬时功率极大的脉冲发射至很远的位置，针对激光脉冲的飞行时间差进行测距。如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用以下公式表示。

由公式(1)可知，要测量A、B距离只需要测量光传播的时间t即可。

可以理解地，本新型中的基站天线3都位于同一水平端面上，并在电路结构上与控制器内部的UWB基站电连接，即，UWB基站可以通过基站天线3与无人机的UWB标签进行通讯，获取无人机的位置信息。

进一步地，本新型中，基站天线3是无源天线，数量为4个，位于同一水平面上。

可以理解地，本新型方案中，基站天线3只需具有传导作用。而有源天线由于需要在天线后添加放大器，往往成本较高，此处使用无源天线可以对无源天线的形状大小进行适用场景的设计，比如对于需求增益方向增大传导面积铺设，这样能够更方便于进行试验以及和提高实施效果。显而易见地，本新型的方案中控制器采用无源天线，与有源天线相比成本更低，并且可根据实际需求进行性能上的定制，提高了方案的实用性和适用性。

此处需注意的是，由于本新型方案中，无源天线的辐射增益方向只位于控制器的上端面，因此为了当控制器指示目标地点的同时能够与无人机建立更良好的通讯状况，指挥棒在垂直方向的最大偏移角度优选地不超过60°。

可选地，针对其他的应用场景或者电路板布线需求，为了获取期望的天线辐射增益，也可以将无源天线设计为线性、矩型、椭圆形等其他形状，此处不再赘述。

由图3可见，基站天线3分别位于同一平面上正方形的顶角位置，使位于对角位置的基站天线(3)其中心点连线相互垂直，构成空间坐标系中的X轴和Y轴，进一步地，在定位中，可以设置与基站天线(3)所在平面垂直的轴向为空间坐标系Z轴，这样，就构成了一个用于空间定位的三维坐标系。

在此三维坐标系的基础上，对获取无人机定位的过程做进一步解释与说明。

如图4所示的标签定位示意图，可见，在三维坐标系中，可以基于UWB通讯的飞行时间测距法(TOF，Time of flight)获取无人机定位标签与每一基站天线之间的距离L1、L2、L3和L4。

此处，TOF是一种双向测距技术，即一个设备向另一个设备发送数据，并接收对于该数据的反馈信号，通过获取数据在往返路径的时间计算设备之间的距离。该方法中，涉及测距精度有两个要点，一是收发数据的两个设备必须时钟同步，二是发送和反馈数据的时间必须短，由此可见，本新型使用UWB通讯的方案由于速度快，时间短，非常适用于这种测距方法。

具体地，在本新型的方案中，定位基站通过基站天线向定位标签发送一个数据包，记录发包时刻T1；当定位标签在接收到数据包后立刻发送反馈数据包；而定位基站通过基站天线再次收到反馈数据包后，记录接收时刻T2。由此可见，数据脉冲在空中传播的时间将T乘以光速就可以计算得到各个基站天线与定位标签之间的距离。需要注意的是，此处的光速一般取光在真空中的速度，即3*108m/s，为了方便计算，还可以将光速转换单位为30cm/ns。

上述方案的优点在于，数据传播的差值时间都是基于定位基站获取的，能够有效低效本地时钟误差。而对于定位基站和定位标签设备各自的时钟偏移，可以通过计算误差值进行修正。具体地，可以假设定位标签时钟是标准时钟的E1倍，通讯芯片U1设备时钟是标准时钟的E2倍，那么修正误差值通过Error乘以已获取的距离值就可以得到更加精准的结果。

可以理解地，还可以使用UWB双边双向测距DS-TWR方法，通过定位基站和定位标签分别作为本地设备进行一次数据交互计算距离，这种方法也可以有效抵消时钟偏移，此处由于这种方法的具体计算过程近乎为前述TOF方法的重复，因此不再赘述。

基于通过TOF获取了定位标签到各个基站天线之间的距离，此时可以用两种方法求解定位标签的空间坐标位置。

第一种方法是直接利用勾股定理，由于矩型天线和基站天线的半径和位置高度等参数都是已知数据，因此基于基础的勾股定理就可以计算出定位标签在各个单轴向上的投影，从而得到坐标位置(x，y，z)。但是由于这种方法的数据完全基于基站时钟进行获取数据，而时钟差无法避免，因此会产生一定的实际误差。

第二种方法是基于单轴上的两个基站天线之间的相位差计算定位标签的单轴坐标位置，如图5所示，假设图5中的基站天线1与基站天线2之间距离为d1，那么基于UWB信号的TOF方式也可以获取定位标签与基站天线1的距离L1，以及定位标签与基站天线2的距离L2。进一步的，假设定位标签向基站天线1发射通讯脉冲方向与X轴产生的偏角为α1，定位标签向基站天线2发射通讯脉冲方向与X轴产生的偏角为α2，那么基于UWB信号的PDOA获取定位标签向基站天线1和基站天线2发送脉冲的相位差距离可以得到定位标签在X轴的坐标位置，此处相位差距离即是为脉冲波长乘以定位标签分别到基站天线1和基站天线2的相位差值，具体地，脉冲波长等于光速除以脉冲发射频率，在此处取6.5GHz；相位差距离的计算结果可以从定位基站的定位芯片中直接获取；基于由TOF获取了基站天线1和基站天线2距离定位标签的距离L₁和L₂，并且基站天线1和基站天线2之间的距离d1为已知数据，这样通过对α角或β角的余弦运算和勾股运算就可以计算出定位标签在X轴的投影x。

同理，可以对定位标签在Y轴的投影y进行求解，在x和y已知的情况下，再通过勾股定理可以求出定位标签在Z轴的投影z。这样就可以获取定位标签在三维空间中的坐标位置(x，y，z)。

可以理解地，定位标签与操控器之间的直线距离L可以根据以下公式求得：

可以理解地，信号到达相位差PDOA的具体应用方法包括单边双向测距(SS，Single-sided Two-way Ranging)和双边双向测距(DS，double-sided Two-wayRanging)，以下对于这两种方法做具体说明。

对于SS法，是定位基站的定位芯片通过基站天线向定位标签发送一个数据包，并记录发包时刻T1，定位标签收到数据包后，记录接收时刻T2；定位标签在等待了T_reply时刻后的T3时刻向定位芯片发送反馈数据包，此处的T_reply一般设置为T2-T1，当定位芯片收到反馈数据包后，记录接收时刻T4。由此可见，数据脉冲在空中传播的时间T_ss＝1/2*[(T4-T1)-(T3-T2)]。将T_ss乘以光速就可以计算得到基站天线与定位标签之间的距离。需要注意的是，此处的光速一般取光在真空中的速度，即3*10⁸m/s，为了方便计算，还可以将光速转换单位为30cm/ns。

可以理解地，对于SS法，由于定位标签和定位芯片设备的时钟各自独立，可能出现时钟偏差导致计时误差的情况，可以通过计算误差值来实现修正。

具体地，假设定位标签时钟是预期时钟的E1倍，定位芯片设备时钟是预期时钟的E2倍，那么修正误差值Error＝1/2(E2-E1)*T_reply，通过Error乘以已获取的距离值就可以得到更加精准的结果。

可以理解地，由于距离值是基于光速获取的，因此即使很小的时钟误差也会造成很大的距离误差值，而DS法是基于SS法基础上再增加一次通讯过程实现的，就可以互相弥补因为时钟偏差导致的误差，获取比SS法更加精准的结果，由于计算过程是SS法的重复，此处对于具体的计算过程不再赘述。

可以理解地，本新型的基站定位芯片采用了DecaWave公司的DW1000芯片，该芯片集成度高，符合IEEE 802.15.4-2011UW标准，支持3.5GHz至6.5GHz的4个RF频段，具有可编程发射机输出功率，通过同时设置多个定位芯片，可以获得用于最大范围，数据速率一般为110kbps、850kbps和6.8Mbps，最大数据包长度支持1023字节并且集成MAC支持功能支持双向测距和TDOA。通过使用DW1000芯片进行测距，可以将定位误差缩减至小于10cm，大大提高了无人机定位的精准度。

此处需要注意的是，DW1000芯片自带有天线，但是本新型方案中采用的是外接的无源天线，因此不会使用DW1000天线部分的电路结构。

如图6所示，其示出了本新型采用DW1000芯片作为UWB通讯芯片的电路原理图，明显地，此处的通讯芯片U1主要使用3.3V和1.8V的工作电压，晶振Y1的工作频率为38.4MHz，对于供给VDD的3.3V电源分别设有包括容值为100nF、330pF和12pF的滤波电容，并分别设置有由C26和L1，C25和L2组成的LC振荡电路作为VDDPA1和VDDPA2引脚的谐振电路。VDDLDOA和VDDLDOD引脚此处采用1.8V供电。

可以理解地，本新型采用外接天线设计，此处的E1即代表任一子天线的输出端子，将E1和地接于变压器T1一端，T1另一端分别与DW1000的RF_P和RF_N引脚相接。此处由于本新型采用高频触发脉冲，因此在实际布线时需注意与天线之间的连接线路应尽可能做短，而明显地，将无源天线设计为平面圆形相较于条形的线路更短，因此这里可以凸显出本新型的无源天线形状的优势之处，可以获取最优的射频匹配效果。

可以理解地，本新型的控制器电路结构中还包括中央处理器，通讯芯片U1与中央处理器之间通过SPI进行数据交互，而中央处理器可以通过GPIO引脚和RESET引脚对通讯芯片U1进行启动和调试控制，此处的GPIO4和GPIO5既可以作为调试测试点，也可以连接LED灯，通过LED灯明灭变化判断通讯芯片U1的工作状态。而通过设置两PIN接口的J1和J2插座分别与GPIO0-3接口相接，可以对通讯芯片U1的状态进行实时读取。

可以理解地，本新型的通讯芯片U1与定位标签之间进行UWB数据交互的工作频率大于30Hz，优选值为100Hz。基于这种频率的数据更新，能够增强位置数据的实时有效性，提高定位的准确性。

可以理解地，本新型的中央处理器可以是STM32系列单片机，如STM32F103C8等。可以通过UART总线、GPIO总线和I2C总线对通讯芯片U1进行调试，由于STM32单片机应用广泛，且在本新型中的电路为通用设计，此处对于中央处理器的电路部分不再赘述。

可选地，本新型的中央处理器也可以采用GD32F130G8U6等其他单片机，此处不再赘述。

可以理解地，本新型的定位芯片与定位标签之间进行UWB数据交互的工作频率大于30Hz，优选值为100Hz。基于这种频率的数据更新，能够增强无人机位置数据的实时有效性，保证了无人机定位和运动的精度。

如图7所示，其示出了本新型一种可实现方式中控制无人机运动的示意图，以控制器位置为原点，那么假设无人机与控制器都位于同一个轴向上，并且控制器位置、无人机位置和目标地点都位于同一水平高度，那么基于UWB定位可以获取无人机与控制器之间的距离P1，而通过激光测距可以获取目标地点与控制器位置之间的距离P2，可见，只要获取到同一平面上目标地点与控制器位置的偏角β，就可以计算出无人机与目标地点之间的直线距离P3。

可以理解地，本新型的控制器中还设置有三轴陀螺仪，当使用者用控制器的激光发射装置指示目标地点时三轴陀螺仪可以直接获取偏角β的参数。而基于已知偏角β、P1和P2的值，通过正余弦定理就可以计算出P3的值。

对于控制器位置、无人机位置和目标地点不位于同一水平高度的情况，只不过需要在各轴向上进一步地的基于角度进行运算，此处不再赘述。

可以理解地，在本新型的方案中，使用者通过滑动块设定了无人机与控制器之间的距离并通过激光指示了目标地点，在使用者按下按钮确认之后，控制器就向无人机发送相关的运动信息，此处的运动信息至少包括：无人机与控制器之间的距离、无人机与目标地点之间的距离，以及各个位置之间的角度信息等，无人机基于运动信息计算出无人机与目标地点之间的直线距离并沿计算路径运动至目标地点，实现相关功能。

本实用新型不局限于上述具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。总之，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种无人机控制系统，其特征在于，包括：无人机和控制器，其中，无人机设置有UWB定位标签；控制器设置有UWB基站，控制器外形是由控制部(1)和握柄(2)组成的棒状结构，在控制部(1)的上端面设置有激光发射装置(7)和若干基站天线(3)，在控制部(1)的侧面设置有带距离刻度的滑动块(4)、按钮(5)和显示屏(6)；UWB基站通过基站天线(3)基于UWB通讯获取无人机的位置信息；激光发射装置(7)用于指示无人机运动的目标地点以及测量目标地点与控制器之间的距离；滑动块(4)用于调节无人机与控制器之间的距离；显示屏(6)用于显示无人机与控制器之间的实时距离；按钮(5)用于向无人机发送指示无人机运动的运动信息。

2.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述基站天线(3)为无源天线，数量为4个。

3.根据权利要求2所述的无人机控制系统，其特征在于，所述基站天线(3)分别位于同一平面上正方形的顶角位置，使位于对角位置的基站天线(3)其中心点连线相互垂直，构成空间坐标系中的X轴和Y轴，并设置与基站天线(3)所在平面垂直的轴向为空间坐标系Z轴。

4.根据权利要求3所述的无人机控制系统，其特征在于，所述控制器的UWB基站还包括：与基站天线(3)一一对应的定位芯片；定位芯片基于UWB信号的TOF方式获取每一基站天线(3)与定位标签之间的距离信息，并基于UWB信号的PDOA方式获取空间坐标系中同轴上的基站天线(3)之间的相位差信息，基于所有轴向上的相位差信息获取所述无人机在空间坐标系中的坐标位置。

5.根据权利要求4所述的无人机控制系统，其特征在于，所述定位芯片为DW1000芯片。

6.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述激光发射装置(7)的光源为绿色光。

7.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述握柄(2)上覆盖有防滑涂层。

8.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述运动信息包括：无人机与控制器之间的距离，无人机与目标地点之间的距离。