CN211669355U - 一种基于可移动地面基站的无人机室内定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于可移动地面基站的无人机室内定位装置，无人机在室内飞行时，可移动地面基站会从确定的起点出发紧随其后并协助无人机进行定位，并且能通过路径追踪技术获取可移动地面基站每时刻在室内中的位置，当无人机需要定位时，无人机与可移动地面基站会发生两次红外激光传感交互，并获取两次传感交互中的红外激光发射方位数据和可移动地面基站移动数据进行分析，从而可以判断出无人机相对于可移动地面基站的位置，再结合可移动地面基站在室内中的位置，就可以判断出无人机在室内中的位置。

Description

一种基于可移动地面基站的无人机室内定位装置

(一)技术领域

本实用新型涉及无人机室内定位领域，具体涉及一种室内的无人机与可移动地面基站通信交互并协助无人机室内定位的装置。

(二)背景技术

随着社会科学技术的进步与发展，无人机已经应用到我们生产生活的各个方面，随着电源技术和各种新型传感器的新兴与发展，搭载各类传感器的无人机能够在更长时间和更广阔的区域内帮助我们完成各种各样的任务，充分发挥了它便捷、灵活、快速、准确的巨大优势，这使得无人机已经成为当今普遍使用的一种实用工具。随着无人机涉及的领域不断增加，无人机已经逐步应用到室内环境，成为我们的贴心管家，可以协助我们负责室内的安保和检查工作。因而精确的无人机室内定位逐步发展成为一个急需待解决的问题，它与室外定位有所不同，在室内由于无人机是在小范围内飞行，对定位的精度要求往往要比室外高，仅仅依靠GPS定位或北斗定位是无法满足我们的要求。本实用新型提供了一种全新的解决无人机室内定位问题的装置，主要采用红外激光传感技术和地面移动基站的路径追踪技术，再通过无人机与可移动地面基站的信息交互以及数据处理实现无人机室内的精确定位，相比其它定位方式该实用新型有非常明显的精度优势以及应用灵活性。

(三)实用新型内容

由于无人机在室内的活动范围较小，因而对无人机的室内定位精度要求比较高，无法采用GPS定位或北斗定位实现，该实用新型主要由两部分组成，分别是底部中心配有红外激光发射模块的无人机、顶部带有红外激光感应传感器的可移动地面基站。

可移动地面基站协助室内飞行的无人机进行定位是该实用新型的核心创新内容，地面移动机器人相比于空中飞行机器人而言，在二维平面定位上有非常明显的精度优势，随着运控传感技术和智能算法的快速发展，对电机的转动速度和转动时间的测控变得更加精确，因而在有关地面机器人路径规划和路径追踪等技术上已经非常完善，且已经非常成熟地运用在我们生活生产当中，例如人们家庭中使用的自动扫地机器人以及快递分拣自动运送机器人。

该实用新型中的无人机底部中心的红外激光发射模块装载在云台上可以实现在无人机底面下方的全方位旋转，并可以获取每次云台旋转时相对于无人机底部中心的三个方向角的值。

该实用新型中的可移动地面基站的顶部配有红外激光感应传感器，可以随时接受到无人机底部中心红外激光发射模块发射出的红外激光，且可移动地面基站具有路径追踪功能，能够对室内地面上的边界和主要障碍进行建模，每时每刻都能够记录从起点出发时所行走过的路径，从而能够较为精准地获取当前可移动地面基站在室内的定位坐标。

当无人机在室内需要定位时，这时候无人机底部中心的红外激光发射模块会全方位地向底面四周发射红外激光，可移动地面基站顶部的红外激光感应传感器每当接受到无人机底部中心红外激光发射模块发出的红外激光时会立刻向无人机发出信息，这时无人机接收到可移动地面基站发出的信息时会立刻记录下此时云台相对于无人机底部中心的三个方向角的值。这时可移动地面基站会向前方或后方直线运动一段距离，然后无人机底部中心的红外激光发射模块会再次全方位地向底面四周发射红外激光，并记录下可移动地面基站第二次接收到无人机底部中心红外激光发射模块发出的红外激光时云台相对于无人机底部中心的三个方向角的值。通过前后两次共六个方向角的值以及可移动地面基站移动的距离和方向就能够判断出无人机此时相对于可移动地面基站的位置，这时再根据可移动地面基站在室内的位置，就可以知道此时无人机在室内的位置。

本实用新型的有益效果是：无人机在室内飞行时，可移动地面基站会紧随其后并协助无人机进行定位，当无人机需要定位时，无人机与可移动地面基站会发生两次红外激光传感交互，并获取两次传感交互中的红外激光发射的方位数据和可移动地面基站移动数据进行分析，从而可以判断出无人机此时相对于可移动地面基站的位置，再结合可移动地面基站在室内中的位置，就可以判断出无人机此时在室内中的位置。

(四)附图说明

图1为可移动地面基站三维结构线框图；

图2为无人机三维结构线框图(省略了起落支架)；

图3为可移动地面基站协助无人机定位时的原理示意图；

图4为计算无人机相对于可移动地面基站位置时的原理示意图；

1-主动轮(左)

2-主动轮(右)

3-可移动地面基站顶部的红外激光感应传感器

4-可移动地面基站底部万向轮

5-无人机的四个旋翼

6-位于无人机底部中心可进行360°底部全方位旋转的云台

7-无人机底部中心的红外激光发射模块

8-图1所示可移动地面基站的三维实体图

9-图2所示无人机的三维实体图

(五)具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。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。

图1所示为可移动地面基站三维结构线框图，1和2分别为可移动地面基站的左右两个主动轮，3为位于可移动地面基站上方的红外激光感应传感器用来接受无人机底部中心红外激光发射模块发出的红外激光，4为可移动地面基站底部万向轮，图2所示为无人机三维结构线框图，5为无人机的四个旋翼，6为位于无人机底部中心可进行360°底部全方位旋转的云台，并可以每次记录下此刻云台旋转方向相对于无人机底部中心的三个方向角，7为无人机底部中心的红外激光发射模块，可以发出有效距离10米的红外激光。无人机与可移动地面基站随时建立着无线通信，并每时刻都可以做到数据交互。

在整个定位过程之前，可移动地面基站会对室内空间环境以及障碍分布进行建模，而且每次可移动地面基站的运动数据会被详细记录，因而可移动地面基站的室内位置信息可以通过路径追踪技术来随时获取。当无人机在室内起飞后可移动地面基站会从室内的一个确定的起始点出发，每次无人机的运动情况都会反馈给可移动地面基站从而可移动地面基站能够在地面紧随无人机的运动，这就可以确保可移动地面基站每时每刻会出现在无人机附近。

当无人机想要获取室内定位信息时无人机底部中心的红外激光发射模块会向底面四周进行全方位扫描，可以先通过发射出锥型红外激光束在地面上形成光斑来确定出可移动地面基站的大致方位，再通过发射线型红外激光准确地扫描到可移动地面基站所在的位置，当可移动地面基站顶部的红外激光传感器接收到无人机底部中心发出的红外激光时会立刻向无人机发出信息。如图3所示，以云台所在的无人机底部中心为直角坐标系原点O，可移动地面基站所处的坐标系位置为a，以无人机的机头方向为X轴，这时无人机就可以记录下此时刻无人机底部中心的云台相对于X、Y、Z三个坐标轴的三个方向角α、β、γ，也就是无人机底部中心红外激光的发射方向，其中90°-γ又是可移动地面基站对无人机的俯角，假定这时无人机的高度为h，这就可以确定一个由无人机底部中心坐标系原点O指向可移动地面基站所处的位置a的向量A，其中向量A的方向为相对于X、Y、Z三个坐标轴的方向余弦(cosα，cosβ，cosγ)，大小为h/sin(90°-γ)。如图4所示，再上一步之后可移动地面基站会向前移动一段距离d，无人机底部中心的红外激光发射模块会再次向底面四周进行全方位扫描，当可移动地面基站顶部的红外激光传感器第二次接收到无人机底部中心发出的红外激光时会再次向无人机发出信息，并记录下第二次无人机底部中心云台相对于X、Y、Z三个坐标轴的三个方向角θ、φ、ω，这就又可以确定一个由无人机指向可移动地面基站的向量B，其中向量B的方向为相对于X、Y、Z三个坐标轴的方向余弦

大小为h/sin(90°-ω)。这时两个向量A、向量B和可移动地面基站移动的距离d可以构成一个三角形，向量A、向量B夹角μ的余弦值为：

再根据余弦定理：

就可以解出h的值，再根据向量A或向量B就可以判断此时无人机相对于可移动地面基站的方向和距离，再结合此时可移动地面基站当前在室内的位置，就可以定位此时无人机在室内的位置。

作为本实用新型的优化方案，可以设置多个可移动地面基站协助无人机进行室内定位，通过上述方法计算出相对于多个可移动地面基站的方位和距离进行取平均以减小误差。

作为本实用新型的优化方案，可以通过上述方法计算出相对于两个可移动地面基站的向量A₁和向量A₂，再计算出这两个可移动地面基站的距离d，然后通过向量内积公式和余弦定理求出向量A₁和向量A₂的大小也可以确定无人机相对于其中一个可移动地面基站的方位和距离。

另外，对于本实用新型来说，为实现具体的功能所可能涉及的各个模块和传感器均属于现有技术，本实用新型是基于现有技术做出的组合发明，作为本领域技术人员来说，只需要依据本实用新型的发明思路和现有技术做出相应配置即可实现。

以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。在本实用新型的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本实用新型相对于现有技术的改进之处，本实用新型的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本实用新型的内容。

Claims (4)

1.一种基于可移动地面基站的无人机室内定位装置，该装置通过无人机与可移动地面基站红外激光传感交互然后进行数据分析处理来实现，该装置主要由两部分构成，分别是底部中心配有红外激光发射模块的无人机、顶部带有红外激光感应传感器的可移动地面基站。

2.根据权利要求1所述的一种基于可移动地面基站的无人机室内定位装置，其特征在于：由底部中心配有红外激光发射模块的无人机和顶部带有红外激光感应传感器的可移动地面基站构成，每当可移动地面基站顶部的红外激光感应传感器接收到无人机底部中心发射出的红外激光时可以记录下此时红外激光发射方向相对于无人机底部中心的三个方向角的值。

3.根据权利要求1所述的一种基于可移动地面基站的无人机室内定位装置，其特征在于：可移动地面基站从室内已知的起始地点出发，通过路径追踪技术可随时获取此时可移动地面基站在室内的位置，再通过判断出当前无人机相对于可移动地面基站的位置获取当前无人机在室内的位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于可移动地面基站的无人机室内定位装置，其特征在于：无人机室内定位过程要经过前后两次可移动地面基站顶部红外激光感应传感器接收到无人机底部中心发射出的红外激光，并记录下两次红外激光发射时相对于无人机底部中心的三个方向角的值，通过这六个方向角的值以及前后两次可移动地面基站移动的距离和方向求解获取无人机相对于可移动地面基站的位置。

Images