CN110118555A - 无人机导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机导航系统及方法，包括基站、无人机和控制器，多个基站设置在不同的位置，形成一个空间区域，无人机设置在其中，控制器根据无人机的空间方位规划无人机的运动路线，调整无人机与各个基站之间的距离；基站和无人机采用超高频电磁波连接，通过两者间的数据交换，基站获取与无人机之间的距离信息，以该距离为半径，基站所处位置为球心，构建球体，控制器通过计算所有球体相交点得到无人机的空间位置，以无人机的位置作为坐标原点，建立坐标系，将基站套入坐标系中，控制器根据无人机的位置，发送位置变化指令给无人机使其运动，同时发送指令给基站，在基站的辅助作用下，无人机执行位置变化指令从而对无人机进行准确导航。

Description

无人机导航系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机导航系统及方法。

背景技术

无人机是一种机载程序控制或由无线电波遥控的无人驾驶飞行器。无人机用途广泛，可用于空中摄影、快递运输、军事侦察等领域，具有使用方便、机动性能好等优点。

目前，诸如无人机等运动载体的定位与导航只能依靠GPS和惯性导航系统，但在惯性导航系统中，由于其传感器容易受到外界环境干扰，因此导致定位精度低；在GPS定位系统中，由于地形、人造建筑物等因素的限制，局部地区GPS信号较弱或者无GPS信号，因此这些区域也无法依靠GPS实现自主导航，但是对于无人机来说，如果缺少定位和导航，就好比无人机缺少了眼睛，我们无法对无人机进行操控，因此，我们需要一种新的无人机导航系统和方法，从而更好的对无人机进行实时导航。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种全新的无人机定位系统及方法，不依赖于GPS导航技术，利用基站与无人机之间的配合，对无人机实现精确定位，定位确定后，建立新的空间坐标系，然后引导无人机进行方向的变换，该系统可以额外有机融入重力加速度计和陀螺仪、气压计等传感器及惯性导航辅助，实现对无人机的精准导航。

为实现上述目的，本发明提供一种无人机导航系统，包括基站、无人机和控制器，所述基站设置有多个，多个基站设置在不同的位置，形成一个空间区域，所述无人机设置在该空间区域内，所述控制器根据所述无人机所处的空间方位，根据使用需求，规划无人机的运动路线，调整无人机与各个基站之间的距离，从而对无人机进行准确导航。

作为优选，所述基站上设有第一通讯单元，所述无人机上设有第二通讯单元，所述第一通讯单元发出信号后被所述第二通讯单元获取后，所述控制器得到两者之间的距离信息，所述控制器根据多个基站的数据信息计算得到所述无人机的空间位置，从而对无人机进行大体定位。

作为优选，所述基站的数量不低于三个，每一个基站设立在不同的区域，多个设立在不同位置的基站形成一个供无人机运动的空间区域，每一个基站都与无人机与控制器之间进行数据交换。

作为优选，所述基站通过第一通讯单元向无人机发送超高频电磁波，无人机上的第二通讯单元获取后发送反馈指令至所述基站，所述基站通过反馈指令计算出无人机距离基站的直线距离，所述基站接收反馈指令后，以直线距离作为半径，以基站所处位置作为球心，构建一个球体，然后将这个球体的数据信息发生至控制器内；所述控制器接收所有基站的数据信息进行汇总计算，得到所有球体的相交点，所述反馈指令包括超高频电磁波的频率以及接收的时间。

作为优选，所述控制器以无人机的具体空间位置为坐标原点建立空间坐标系，将所有基站的位置信息进行空间坐标确定；发送指令信息至所述无人机和基站，所述无人机在基站的辅助下，进行空间位置的变换，实现无人机的位置导航。

本发明还公开了一种无人机导航方法，包括以下步骤：

空间区域设立：采用基站设置供无人机运行的空间区域；

信息交互：利用超高频电磁波，实现基站与无人机、控制器之间的数据传输交互；

位置锁定：控制器根据多个基站的数据信息计算得到所述无人机的空间位置，从而对无人机进行具体定位；

航线确立：以无人机的位置建立空间坐标，在基站的辅助下，进行运行航线的确立。

作为优选，在空间区域时设立步骤中，利用基站的数量不低于三个，每一个基站设立在不同的区域，多个设立在不同位置的基站形成一空间区域，无人机在该空间区域内进行运动。

作为优选，在信息交互步骤中，利用通讯单元进行信息传递，基站上的设有第一通讯单元，无人机上设有第二通讯单元，所述第一通讯单元发出信号后被所述第二通讯单元获取后，所述控制器得到两者之间的距离信息，从而对无人机进行大体定位。

作为优选，所述位置锁定步骤中，基站通过第一通讯单元向无人机发送超高频电磁波，无人机上的第二通讯单元获取后发送反馈指令至所述基站，基站通过反馈指令计算出无人机距离基站的直线距离，基站接收反馈指令后，以直线距离作为半径，以基站所处位置作为球心，构建一个球体，然后将这个球体的数据信息发生至控制器内；所述控制器接收所有基站的数据信息进行汇总计算，得到所有球体的相交点，所述反馈指令包括超高频电磁波的频率以及接收的时间。

作为优选，在航线确立步骤中，以无人机作为坐标原点建立坐标系，将基站的位置信息套入该坐标系中，控制器发送指令信息至无人机和基站，无人机在基站的辅助下，进行空间位置的变换，实现无人机的位置导航。

本发明的有益效果是：本申请不依赖于GPS或其他导航技术，首先利用多个基站构成一个供无人机运行的空间区域，无人机在该区域内进行运动；基站和无人机之间采用超高频电磁波进行连接，通过两者之间的数据交换，基站获取与无人机之间的距离信息，然后以该距离信息作为半径，以基站所处位置作为球心，构建一个球体，控制器将所有的球体相交点进行计算，得到无人机的空间位置，然后以无人机的位置作为坐标原点，建立坐标系，将基站套入到坐标系中，控制器根据无人机的位置，发送位置变化指令给无人机使其运动，同时发送指令给基站，在基站的辅助作用下，无人机执行位置变化指令。

附图说明

图1为本发明的连接示意图；

图2为本发明的使用状态示意图；

图3为本发明的定位示意图；

图4为本发明的导航示意图；

图5为本发明的方法流程图。

主要元件符号说明如下：

1、控制器 2、基站

3、无人机 21、第一通讯单元

31、第二通讯单元。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1，本发明提供一种无人机导航系统，包括基站2、无人机3和控制器1，基站2设置有多个，多个基站2设置在不同的位置，形成一个空间区域，无人机3设置在该空间区域内，控制器1根据无人机3所处的空间方位，根据使用需求，规划无人机3的运动路线，调整无人机3与各个基站2之间的距离，从而对无人机进行准确导航。在具体实施例中，由于GPS定位会受到各种情况的干扰，地形或人造建筑物等，因此我们选用基站作为定位点，利用基站对无人机的位置进行确定，不使用GPS对无人机的直接定位，这样就能有效避免了GPS带来的不利影响，从而对无人机进行精确定位，待定位完成后，以无人机作为坐标原点建立空间坐标系，将基站的位置代入到该空间坐标系中，作为辅助导航使用；无人机按照控制器的指令进行空间位置的转移，使其运动到指定位置。

为了实现上述目的，基站上设有第一通讯单元21，无人机3上设有第二通讯单元31，第一通讯单元21发出信号后被第二通讯单元31获取后，控制器1得到两者之间的距离信息，控制器1根据多个基站2的数据信息计算得到无人机3的空间位置，从而对无人机进行大体定位；基站2的数量不低于三个，每一个基站设立在不同的区域，多个设立在不同位置的基站形成一个供无人机运动的空间区域，每一个基站都与无人机与控制器之间进行数据交换，多个基站与无人机之间实现信息的同步传输。更为具体的是，首先对基站的位置进行选择时，需要将无人机所运动的区域完全覆盖，这样无人机在运动时始终能和所有基站建立连接，确认无人机的具体位置；其次，对于基站的数量设置，不能低于三个，是因为如果对空间中的一个点进行定位时，需要知道空间的三维坐标，两个球体相交为一个面结构，因此至少三个球体相交才能形成一个点，为了保证球面相交为点而不为线性结构，还可以在无人机上设有高度传感器，从而确定无人机与地面的高度位置，高度传感器将无人机的高度信息传输至控制器内，配合基站的数据信息，从而在线性结构上的确定无人机的具体位置，当然，如果设置的基站数量较多，就无需设置高度传感器，完全利用基站对无人机进行定位。

基站2通过第一通讯单元21向无人机发送超高频电磁波，无人机3上的第二通讯单元31获取后发送反馈指令至基站2，基站2通过反馈指令计算出无人机距离基站的直线距离，基站2接收反馈指令后，以直线距离作为半径，以基站2所处位置作为球心，构建一个球体，然后将这个球体的数据信息发生至控制器1内；控制器1接收所有基站的数据信息进行汇总计算，得到所有球体的相交点，反馈指令包括超高频电磁波的频率以及接收的时间。在具体应用中，采用微波作为基站与无人机之间进行数据传输的手段，首先基站通过微波发送带有时间戳的定位信号给无人机，无人机的接收单元接受定位信号后，向无人机发送一个带有时间戳的反馈信号，基站接收反馈信号后，根据时间戳的差值以及微波的频率，计算出基站与无人机之间的距离；当然，在这里还需要提到的一点是，在进行基站的设立时，无需需要记录下基站的位置坐标，因为本申请就是重新建立一个不采用全球定位系统的定位方式，最终得到的无人机的位置坐标表示的形式类似于距离第一基站10km，位于第一基站北偏东30度方向，将多个这样的位置信息汇总，实现对无人机的空间定位；此外，由于是利用基站进行位置的获取，其定位精度可以达到厘米级，从而在具体应用在执行任务时，能实现精确的定位，保证了无人机能准确到达位置点，不会出现较大的偏差。

控制器1以无人机3的具体空间位置为坐标原点建立空间坐标系，将所有基站2的位置信息进行空间坐标确定；发送指令信息至无人机3和基站2，无人机3在基站2的辅助下，进行空间位置的变换，实现无人机的位置导航。更为具体的是，确定无人机的空间位置后，控制器发送指令给对应的基站，基站获知无人机的所处位置，然后以无人机为坐标原点，以无人机的将要运动方向为一条坐标轴建立坐标系，将基站的位置代入到该坐标系中，确定了基站的位置坐标，当需要对无人机进行位置的变换时，控制器根据多个基站的位置信息以及将要无人机运动的方向上的一个取点；计算出无人机相对于各个基站的运动角度，并将该运动角度发生至无人机，无人机根据这个运动角度调整无人机的飞行状态，从而实现无人机的导航，例如需要将无人机朝向第二基站的方向进行运动时，控制器将第二基站所处的位置发送至无人机，无人机就朝着第二基站进行运动；当需要将无人机在第一基站和第二基站所构成的区域内的某个方向进行运动时，控制器根据第一基站和第二基站的位置坐标建立一个运动区间，然后再根据运动方向上的取点确定无人机的运动轨迹与第一基站和第二基站之间的夹角，将这些数据信息发送至无人机，无人机按照这些数据信息进行运动，从而实现导航；为了保证导航更加稳定准确，控制器还发送相同的数据信息至基站，基站接收后，朝着互余（β=90-α）的角度发送牵引信号，从而引导无人机进行运动，这也属于本申请的保护范围。

本发明还公开了一种无人机导航方法，包括以下步骤：

空间区域设立：采用基站设置供无人机运行的空间区域；

信息交互：利用超高频电磁波，实现基站与无人机、控制器之间的数据传输交互；

位置锁定：控制器根据多个基站的数据信息计算得到所述无人机的空间位置，从而对无人机进行具体定位；

航线确立：以无人机的位置建立空间坐标，在基站的辅助下，进行运行航线的确立。

在空间区域时设立步骤中，利用基站的数量不低于三个，每一个基站设立在不同的区域，多个设立在不同位置的基站形成一空间区域，无人机在该空间区域内进行运动；在信息交互步骤中，利用通讯单元进行信息传递，基站上的设有第一通讯单元，无人机上设有第二通讯单元，所述第一通讯单元发出信号后被所述第二通讯单元获取后，所述控制器得到两者之间的距离信息，从而对无人机进行大体定位；所述位置锁定步骤中，基站通过第一通讯单元向无人机发送超高频电磁波，无人机上的第二通讯单元获取后发送反馈指令至所述基站，基站通过反馈指令计算出无人机距离基站的直线距离，基站接收反馈指令后，以直线距离作为半径，以基站所处位置作为球心，构建一个球体，然后将这个球体的数据信息发生至控制器内；所述控制器接收所有基站的数据信息进行汇总计算，得到所有球体的相交点，所述反馈指令包括超高频电磁波的频率以及接收的时间；在航线确立步骤中，以无人机作为坐标原点建立坐标系，将基站的位置信息套入该坐标系中，控制器发送指令信息至无人机和基站，无人机在基站的辅助下，进行空间位置的变换，实现无人机的位置导航。

本发明的优势在于：

1）进行无人机定位的时候，不采用GPS定位，利用多个基站对无人机进行准确定位；

2）采用超高频电磁波进行数据交换，确保了数据传输的稳定性；

3）进行无人机导航时，建立全新的坐标系，并且以基站作为辅助牵引，保证了无人机运动方向的准确性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人机导航系统，其特征在于，包括基站、无人机和控制器，所述基站设置有多个，多个基站设置在不同的位置，形成一个空间区域，所述无人机设置在该空间区域内，所述控制器根据所述无人机所处的空间方位，根据使用需求，规划无人机的运动路线，调整无人机与各个基站之间的距离，从而对无人机进行准确导航。

2.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其特征在于，所述基站上设有第一通讯单元，所述无人机上设有第二通讯单元，所述第一通讯单元发出信号后被所述第二通讯单元获取后，所述控制器得到两者之间的距离信息，所述控制器根据多个基站的数据信息计算得到所述无人机的空间位置，从而对无人机进行大体定位。

3.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其特征在于，所述基站的数量不低于三个，每一个基站设立在不同的区域，多个设立在不同位置的基站形成一个供无人机运动的空间区域，每一个基站都与无人机与控制器之间进行数据交换。

4.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其特征在于，所述基站通过第一通讯单元向无人机发送超高频电磁波，无人机上的第二通讯单元获取后发送反馈指令至所述基站，所述基站通过反馈指令计算出无人机距离基站的直线距离，所述基站接收反馈指令后，以直线距离作为半径，以基站所处位置作为球心，构建一个球体，然后将这个球体的数据信息发生至控制器内；所述控制器接收所有基站的数据信息进行汇总计算，得到所有球体的相交点，所述反馈指令包括超高频电磁波的频率以及接收的时间。

5.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其特征在于，所述控制器以无人机的具体空间位置为坐标原点建立空间坐标系，将所有基站的位置信息进行空间坐标确定；发送指令信息至所述无人机和基站，所述无人机在基站的辅助下，进行空间位置的变换，实现无人机的位置导航。

6.一种无人机导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

空间区域设立：采用基站设置供无人机运行的空间区域；

信息交互：利用超高频电磁波，实现基站与无人机、控制器之间的数据传输交互；

位置锁定：控制器根据多个基站的数据信息计算得到所述无人机的空间位置，从而对无人机进行具体定位；

航线确立：以无人机的位置建立空间坐标，在基站的辅助下，进行运行航线的确立。

7.根据权利要求6所述的无人机导航方法，其特征在于，在空间区域时设立步骤中，利用基站的数量不低于三个，每一个基站设立在不同的区域，多个设立在不同位置的基站形成一空间区域，无人机在该空间区域内进行运动。

8.根据权利要求6所述的无人机导航方法，其特征在于，在信息交互步骤中，利用通讯单元进行信息传递，基站上的设有第一通讯单元，无人机上设有第二通讯单元，所述第一通讯单元发出信号后被所述第二通讯单元获取后，所述控制器得到两者之间的距离信息，从而对无人机进行大体定位。

9.根据权利要求6所述的无人机导航方法，其特征在于，所述位置锁定步骤中，基站通过第一通讯单元向无人机发送超高频电磁波，无人机上的第二通讯单元获取后发送反馈指令至所述基站，基站通过反馈指令计算出无人机距离基站的直线距离，基站接收反馈指令后，以直线距离作为半径，以基站所处位置作为球心，构建一个球体，然后将这个球体的数据信息发生至控制器内；所述控制器接收所有基站的数据信息进行汇总计算，得到所有球体的相交点，所述反馈指令包括超高频电磁波的频率以及接收的时间。

10.根据权利要求6所述的无人机导航方法，其特征在于，在航线确立步骤中，以无人机作为坐标原点建立坐标系，将基站的位置信息套入该坐标系中，控制器发送指令信息至无人机和基站，无人机在基站的辅助下，进行空间位置的变换，实现无人机的位置导航。