CN219302648U - 一种集群定位模块及无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集群定位模块及无人机，属于无人机定位技术领域。它包括多个主红外信号接收器、副红外信号接收器和红外信号发生器，所述主红外信号接收器、副红外信号接收器和红外信号发生器共同电性连接于处理器；所述主红外信号接收器包括对称设置的两个信号接收模块，两个所述信号接收模块的背光面夹角小于180°；所述副红外信号接收器包括一个信号接收模块；所述副红外信号接收器与主红外信号接收器分体设置，任意时刻，至少有三个信号接收模块可以接收外部的红外信号。本实用新型通过红外发生器发出脉冲信号，主红外信号接收器和副红外信号接收器在接到信号后，根据信号强度估算得出信号源的位置，进而对邻近的无人机进行定位。

Description

一种集群定位模块及无人机

技术领域

本实用新型属于无人机定位技术领域，更具体地说，涉及一种集群定位模块及无人机。

背景技术

目前，随着无人机的应用领域越来越广，无人机在集群作业过程中及时接收到相邻无人机位置信息对于航线规划起到至关重要的作用。目前主流技术中用来进行定位导航的旋翼无人机一般可以分为基于视觉图像定位、基于GPS定位、基于光流和激光测距定位这三类，且彼此间的位置信息主要依靠基站传输。例如：无人机避障功能主要仰仗自身携带的小型摄像机及配用相应的避障算法，接收基站发出无人机的消息，包括无人机的区域码信息以及无人机的状态信息，对现有的通讯系统的无人机、基站、接入机和地面站均按区域码分片，使彼此间通讯互不影响。类似通讯方法最大缺点是，在雾霾天以及其他视野不佳的天气情况下无人机通过小型摄像机得到的状态信息不够准确无人机间没有办法直接通讯，彼此间无法及时获取相邻飞机间的状态以及位置信息。

中国发明专利CN201810178772.2，公开了基于机间测距的无人机GPS定位故障检测与重构方法。其无人机之间的位置信息是通过各无人机上的GPS定位来实现的，相邻无人机之间的距离数据则通过其上的测距传感器实现，在遇到GPS受干扰或被遮挡引起的定位故障时，采用相应的故障检测和重构方法来确认并定位故障无人机。其不足之处是：GPS定位较适合中、长距离、大范围的通讯，在室内飞行时无人机的GPS模块常常接收不到信号，难以实现对无人机集群的位置控制。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有无人机集群在视野不佳天气中以及在室内飞行时，相邻无人机之间位置信息难以获取的问题，本实用新型提供一种集群定位模块及无人机。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种集群定位模块，包括多个主红外信号接收器、副红外信号接收器和红外信号发生器，所述主红外信号接收器、副红外信号接收器和红外信号发生器共同电性连接于处理器；所述主红外信号接收器包括对称设置的两个信号接收模块，两个所述信号接收模块的背光面夹角A小于180°；所述副红外信号接收器包括一个信号接收模块；所述副红外信号接收器与主红外信号接收器分体设置，任意时刻，至少有三个信号接收模块可以接收外部的红外信号。红外信号发生器用于发出红外信号，主红外信号接收器和副红外信号接收器用于接收外部的红外信号，当三个信号接收模块接收到红外光之后，可以估算出光源的位置。将两块完全相同的信号接收模块分别朝后各倾斜一定的角度，当入射光分别倾斜射入两个信号接收模块时，两模块的反射光不会相互影响。

进一步的，所述的红外信号发生器包括依次电性连接的第一控制器、运算放大器和红外发光二极管，用于产生红外线脉冲信号。第一控制器发出脉冲信号，再经由运算放大器放大，由其场效应管导通或者断开，再串联红外发光二极管，产生连续的红外线脉冲讯号。

进一步的，所述的信号接收模块包括依次电性连接的红外接收模块、前级放大模块、滤波放大模块和类比数位转换器，用于接收红外线脉冲信号并降噪。信号接收模块设计时，考虑如路灯等外界环境的干扰，放大模块增加滤波功能，经过此滤波电路处理后，通过类比数位转换器可将信号由模拟信号转换成数字信号，再利用快速傅里叶转换收集目标信号，然后进行后续分析获取信号红外光入射方向和位置。

进一步的，所述红外线脉冲信号的脉冲频率为2～10kHz，工作周期为25％，可以抵抗太阳及背景光等外来噪声干扰。

进一步的，所述第一控制器为8051单片机，8051单片机集成了包括：CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O接口等电路。

进一步的，所述红外接收模块包括多颗平面红外接收管，且设置于信号接收模块的迎光面，所述平面红外接收管与前级放大模块电性连接；所述前级放大模块和滤波放大模块设置于信号接收模块的背光面。平面红外接收管接收红外光信号后随即转换为电压讯号。由于此类二极管输出讯号极为微弱，非常容易受到干扰，因此平面红外接收管的输出信号接于面板上的前级放大电路并焊接于面板后方，缩短距离以降低干扰，经过前级放大电路简易处理后，再利用滤波放大模块来降低噪声。

进一步的，所述的滤波放大模块为两级放大，分别为高通和低通电路串联构成的带通滤波器，入射光信号通过两带通滤波放大模块之中心频率均调整至约2～10kHz，使2～10kHz之讯号能顺利通过及放大，并滤除其他噪声，特别为50Hz、100Hz、150Hz等常见之室电频率干扰及太阳光等之背景噪声。滤波放大模块处理后，则可将信号利用类比数位转换器转换成数位信号，再利用快速傅立叶转换获取2～10kHz讯号，然后进行后续分析获取信号入射方向。

一种无人机，包括上述的集群定位模块，还包括机体和通过机臂与机体连接的四个旋翼部，所述的主红外信号接收器的数量为四个，分别安装于机体的四侧壁上；所述的红外信号发生器设置于机体的底部或顶部，或是顶部、底部各设置一个；所述旋翼部的底部安装有副红外信号接收器，所述副红外信号接收器远离机体的侧壁上设置有信号接收模块。

进一步的，所述的副红外信号接收器相对于机体的最大投影位于主红外信号接收器外部。

3、有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过红外发生器发出一定频率的脉冲信号，各主红外信号接收器和副红外信号接收器在接收到外部的红外脉冲信号后，根据接收的信号强度可以估算得出信号源的位置，进而对信号源进行定位，将该集群定位模块应用于无人机上时，可以对邻近的无人机进行定位。由于采用红外信号，因此可以在雾霾天以及其他视野不佳的天气情况下对无人机进行定位，同时由于红外发生器、主红外信号接收器、副红外信号接收器和处理器集成在每台无人机上，因此即使是在室内，也可以进行无人机的定位，而不用担心信号被遮挡的问题。

(2)本实用新型通过将集群定位模块设置在无人机上，并在机体的四侧壁上设置主红外信号接收器，同时在旋翼部的底部设置带有信号接收模块的副红外信号接收器，可以确保任何时候均有至少三个信号接收模块能够接收从无人机侧面发射的红外信号，从而可以估算出另一架无人机上红外信号光源的位置。

附图说明

图1为集群定位模块工作原理示意图；

图2为信号接收模块工作原理示意图；

图3为红外信号发生器的电路图；

图4为前级放大模块的电路图；

图5为滤波放大模块的电路图；

图6为主红外信号接收器的信号传输示意图；

图7为带有集群定位模块的无人机示意图。

图中：1、第一控制器；2、运算放大器；3、红外发光二极管；4、红外接收模块；5、前级放大模块；6、滤波放大模块；7、平面红外接收管；8、机体；9、主红外信号接收器；10、红外信号发生器；11、副红外信号接收器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述。

如图1-6所示，一种集群定位模块，包括多个主红外信号接收器9、副红外信号接收器11和红外信号发生器10，所述主红外信号接收器9、副红外信号接收器11和红外信号发生器10共同电性连接于处理器；所述主红外信号接收器包括对称设置的两个信号接收模块，两个所述信号接收模块的背光面夹角A小于180°；所述副红外信号接收器11包括一个信号接收模块；所述副红外信号接收器11与主红外信号接收器9分体设置，任意时刻，至少有三个信号接收模块可以接收外部的红外信号。红外信号发生器10用于发出红外信号，主红外信号接收器9和副红外信号接收器11用于接收外部的红外信号，处理器用于控制红外信号发生器10、主红外信号接收器9和副红外信号接收器11，并对主红外信号接收器9和副红外信号接收器11接收的信号进行运算。当三个信号接收模块接收到外部红外信号发生器X所发射的红外光之后，即可以估算出该外部红外信号发生器X的位置。将两块完全相同的信号接收模块分别朝后各倾斜一定的角度，当入射光分别倾斜射入两个信号接收模块时，两模块的反射光不会相互干扰。

在申请号为CN201110092300.3的专利中，公开了利用光接收器测量由每个光辐照器辐照出的辐照光的强度，并可基于测量的强度、光接收方向性和光发射方向性来估计远程设备的位置和方向的原理，其中公开当具有三个光接收器接收同一光辐照器的辐照光时，可以估算出光辐照器即远程设备的位置，当具有六个光接收器接收同一光辐照器的辐照光时，则能够估算出光辐照器即远程设备的位置和光信号的角度等信息，因此本文设置了任意时刻均有至少三个信号接收模块可以接收外部的红外信号，具体对红外光源位置估算的原理不再赘述。

自然光由波长不同的光波组合而成，人眼可见范围大致为390nm-780nm，波长从长到短分别对应了红橙蓝绿青橙紫七种颜色，其中波长小于390nm的叫做紫外线，波长大于780nm的叫做红外线。雾气、烟尘等空气中的小颗粒对光线有阻挡作用，使光线反射而无法通过，所以只能接收可见光的人眼是看不到烟尘雾气后门的物体的，通过视觉图像定位的技术方案在雾霾天或其他视线不佳的情景下，定位功能受到较大限制。而波长越长衍射能力越强，即绕过阻挡物的能力越强，而红外线因为拥有较长的波长，在传播时受气溶胶的影响较小，可穿过一定浓度的雾霾烟尘，实现准确聚焦，因此本申请中采用红外信号进行信号传输。同时由于红外发生器、红外接收器和控制模块集成在每台无人机上，因此即使是在室内，也可以进行无人机的定位，而不用担心信号被遮挡的问题。由于红外信号的传输距离较近，因此本方案适用于排列间隙在1-10米的无人机集群，如无人机群表演等场景。

如图3所示，红外信号发生器10包括依次电性连接的第一控制器1、运算放大器2和红外发光二极管3，用于产生红外线脉冲信号。第一控制器1发出脉冲信号，再经由运算放大器2放大，由其控制场效应管导通或者断开，再串联红外发光二极管3，产生连续的红外线脉冲讯号。

如图6所示，信号接收模块包括依次电性连接的红外接收模块4、前级放大模块5和滤波放大模块6，用于接收红外线脉冲信号并降噪。信号接收模块设计时，考虑如路灯等外界环境的干扰，放大模块增加滤波功能，经过此滤波电路处理后，可利用类比数位转换器将信号由模拟信号转换成数字信号，再利用快速傅里叶转换收集目标信号，然后通过处理器进行后续分析获取信号红外光入射方向和位置。

红外线脉冲信号的频率为2～10kHz，工作周期为25％，可以抵抗太阳及背景光等外来噪声干扰。其中，红外线脉冲信号的频率为10kHz时，抗干扰效果更好。

第一控制器1为8051单片机，8051单片机集成了包括：CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O接口等电路。

如图2、图4、图5和图6所示，红外接收模块4包括多颗平面红外接收管7，且设置于信号接收模块的迎光面，平面红外接收管7与前级放大模块5电性连接；前级放大模块5和滤波放大模块6设置于信号接收模块的背光面。平面红外接收管7接收红外光信号后随即转换为电压讯号。由于此类二极管输出讯号极为微弱，非常容易受到干扰，因此平面红外接收管7的输出信号接于红外接收模块4面板上的前级放大模块5，并将前级放大模块5焊接于面板后方，缩短距离以降低干扰，经过前级放大模块5简易处理后，再利用滤波放大模块6来降低噪声。

如图5所示，滤波放大模块6采用高通和低通两级带通放大，分别为高通和低通电路串联构成的带通滤波器，入射光信号通过两带通滤波放大模块的中心频率均调整至约2～10kHz，使2～10kHz的信号能顺利通过及放大，并滤除其他噪声，特别为50Hz、100Hz、150Hz等常见之室电频率干扰及太阳光等之背景噪声。滤波放大模块处理后，则可将信号利用类比数位转换器转换成数位信号，再利用快速傅立叶转换获取2～10kHz讯号，然后进行后续分析获取信号入射方向。基于以上考虑，本实施例中选用入射光信号频率为10kHz，滤除噪声效果较好。

如图7所示，一种无人机，包括上述的集群定位模块，还包括机体8和通过机臂与机体8连接的四个旋翼部，主红外信号接收器9的数量为四个，分别安装于机体8的四侧壁上；旋翼部的底部安装有副红外信号接收器11，副红外信号接收器11远离机体8的侧壁上设置有信号接收模块，便于接收外部的红外信号。

红外信号发生器10数量为两个，且分别设置于机体8的底部和顶部，便于向外部发射红外信号，使得位于该机体上方和下方的无人机均能接收到红外信号，且不会被自身机体8及旋翼部上安装的主红外信号接收器9和副红外信号接收器11接收到。当然红外信号发生器10的数量也可以为1个，设置于机体的底部或顶部。

如图7所示，副红外信号接收器11相对于机体8的最大投影位于主红外信号接收器9外部，这样可以确保当入射光与副红外信号接收器11的迎光面垂直时，副红外信号接收器11不会遮挡机体8上主红外信号接收器9对红外信号的接收。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种集群定位模块，其特征在于：包括多个主红外信号接收器(9)、副红外信号接收器(11)和红外信号发生器(10)，所述主红外信号接收器(9)、副红外信号接收器(11)和红外信号发生器(10)共同电性连接于处理器；

所述主红外信号接收器包括对称设置的两个信号接收模块，两个所述信号接收模块的背光面夹角(A)小于180°；所述副红外信号接收器(11)包括一个信号接收模块；

所述副红外信号接收器(11)与主红外信号接收器(9)分体设置，任意时刻，至少有三个信号接收模块可以接收外部的红外信号。

2.根据权利要求1所述的一种集群定位模块，其特征在于：所述的红外信号发生器包括依次电性连接的第一控制器(1)、运算放大器(2)和红外发光二极管(3)，用于产生红外线脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的一种集群定位模块，其特征在于：所述的信号接收模块包括依次电性连接的红外接收模块(4)、前级放大模块(5)、滤波放大模块(6)和类比数位转换器，用于接收红外线脉冲信号并降噪。

4.根据权利要求2所述的一种集群定位模块，其特征在于：所述红外线脉冲信号的频率为2～10kHz，工作周期为25％。

5.根据权利要求2所述的一种集群定位模块，其特征在于：所述第一控制器(1)为8051单片机。

6.根据权利要求3所述的一种集群定位模块，其特征在于：所述红外接收模块(4)包括多颗平面红外接收管(7)，且设置于信号接收模块的迎光面，所述平面红外接收管(7)与前级放大模块(5)电性连接；所述前级放大模块(5)和滤波放大模块(6)设置于信号接收模块的背光面。

7.根据权利要求3所述的一种集群定位模块，其特征在于：所述的滤波放大模块(6)包括串联的高通和低通两级带通放大电路。

8.一种无人机，包括权利要求1-7任意一种所述的集群定位模块，其特征在于：还包括机体(8)和通过机臂与机体(8)连接的四个旋翼部，所述的主红外信号接收器(9)的数量为四个，分别安装于机体(8)的四侧壁上；

所述的红外信号发生器(10)安装于机体(8)的底部和/或顶部；

所述旋翼部的底部安装有副红外信号接收器(11)，所述副红外信号接收器(11)远离机体(8)的侧壁上设置有信号接收模块。

9.根据权利要求8所述的一种无人机，其特征在于：所述的副红外信号接收器(11)相对于机体(8)的最大投影位于主红外信号接收器(9)外部。

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