CN107300704B - 无人飞行器室内定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人飞行器室内定位方法及装置。该无人飞行器室内定位方法包括：S1所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号，记录为初始时刻T0；S2公共定时器接收到所述辅助同步定位信号时，记录为开始时刻T1；S3 N个设于室内不同位置的接收器接收所述超声波信号，分别记录结束时刻T2、T3…TN+1；S4获取所述结束时刻T2、T3…TN+1与所述时刻T1的时间差，之后分别计算所述无人飞行器与各所述接收器之间的距离；S5依据各距离值定位所述无人飞行器的当前位置。本发明提供的无人飞行器室内定位方法及装置，在没有GPS信号或者GPS定位信号差的情况下，采用较低成本实现高精度地定位无人飞行器的位置。

Description

无人飞行器室内定位方法及装置

技术领域

本发明涉及无人飞行器技术领域，特别是涉及一种无人飞行器室内定位方法及装置。

背景技术

无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务并能重复使用的飞行器。能够利用无线遥控设备和自身的控制装置进行控制的不载人飞行器，例如无人直升机、无人固定翼机、无人伞翼机等等。该无人机可以用于挂载拍摄装置，用于航拍、测绘、侦查等等。

目前，随着无人机应用越来越普及，出现了更多航飞速度更快、飞行高度更高、更加操作灵活、体积更小的无人飞行器。而随着飞行速度及飞行高度的不断增加，加上飞行器本体越来越小，对飞行器本身的性能要求也越来越高。现有技术中，多数无人飞行器采用全球卫星定位系统（GPS）来进行定位。全球卫星定位系统（GPS）的应用是基于卫星发射信号给定位端，当定位端同时收到 4 颗以上的卫星信号后，再根据相关的定位算法算出其当前所处位置的三维坐标、速度和时间等。然而，这种定位原理的前提是要能接收到卫星信号，这就将GPS模块的使用限制在室外且能够接收到良好的卫星信号的环境下。在室内等卫星信号不好的一些环境下，我们无法接收到符合要求的卫星信号，或者是完全接收不到信号，并且这个信号产生的GPS位置信息的误差变得非常大，几乎无法使用。

具体来说，无人飞行器飞行速度及高度的提升，将导致飞行器根据操控要求实现悬停的难度提高；小型飞行器在室内或空间较为隐蔽的地方飞行时由于无法实现卫星定位或卫星定位精度差，而无法实现定点悬停、避开障碍物等问题，上述问题将导致无人飞行器存在一定的安全隐患，同时对操控者而言，也无法体验到良好的飞行操控效果。

对比文件1（CN104932523A）公开一种无人飞行器的定位方法，该方法通过无人飞行器上的摄像头获取视频流图像信息，根据解析视频图像信息得到特征点信息以及高度信息和姿态信息，得到飞行器的漂移方向和漂移距离，融合成视频流定位信息，再通过获取卫星定位信号，将卫星定位信号和视频流定位信号进行融合处理后，得到精度的定位信息。

此外，还有一些关于无人机室内定位技术，如光流定位技术、惯性设备与超生波测距相结合定位技术、摄像头图像结合雷达避障系统定位技术以及摄像头图像对比定位技术等。尽管这些方法在一定程度上可以较好地用于无人机室内定位，但仍存在一些局限性。如使用光流或摄像头图像定位技术，不仅成本较高，而且还需要复杂的图像处理算法；而使用惯性测量器件等，则定位精度会受到一定的限制；同时，采用雷达避障则需要高精度的雷达扫描系统，价格昂贵、结构复杂。

发明内容

本发明正是基于以上一个或多个问题，提供一种无人飞行器室内定位方法及装置，用以解决现有技术中无人飞行器在室内等场合接收GPS定位信号不佳时，定位成本高昂以及定位精度不准确的技术问题。

本发明提供一种无人飞行器室内定位方法，所述无人飞行器室内定位方法包括以下步骤：

S1 所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号，记录为初始时刻T₀；

S2 公共定时器接收到所述辅助同步定位信号时，记录为开始时刻T₁；

S3 N个设于室内不同位置的接收器接收所述超声波信号，分别记录结束时刻T₂、T₃…T_N+1，其中N为大于等于3的整数；

S4 获取所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1与所述开始时刻T₁的时间差，之后分别计算所述无人飞行器与各所述接收器之间的距离；

S5 依据各距离值定位所述无人飞行器的当前位置。

优选地，所述辅助同步定位信号为红外信号、激光信号、射频信号三者中至少之一。

优选地， 步骤S2与步骤S3之间还包括：

S6 在发射超声波信号和辅助同步定位信号时，所述无人飞行器同步发送红外指示信号。

优选地，步骤S1包括：

S11 在所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号的同时，开启一公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号。

优选地，所述步骤S2进一步包括：

S21当所述公共定时器捕捉到所述辅助同步定位信号时，开启各接收器的定时器，记录所述开始时刻T₁。

优选地，步骤S21进一步包括：

S211 所述公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号时，判断所述辅助同步定位信号的有效性，判断方法如下：接收所述无人飞行器发送的高电平脉宽与低电平脉宽，判断所述高电平脉宽与所述低电平脉宽的电平宽度是否与预设的电平宽度一致，若一致，开启各接收器的定时器，则记录为所述开始时刻T₁，依据所述开始时刻T₁与所述初始时刻T₀之间的时间差作为修正所述超声波信号传输时间的修正值。

优选地，步骤S3进一步包括：

当所述各接收器接收到所述超声波信号时，读取各接收器的定时器的当前时刻，作为所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1。

本发明还提供一种无人飞行器室内定位装置，所述无人飞行器室内定位装置包括：

初始时刻记录模块，用于所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号时，记录为初始时刻T₀；

开始时刻记录模块，用于公共定时器接收到所述辅助同步定位信号时，记录为开始时刻T₁；

结束时刻记录模块，用于N个设于室内不同位置的接收器接收所述超声波信号，分别记录结束时刻T₂、T₃…T_N+1，其中N为大于等于3的整数；

距离计算模块，用于获取所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1与所述开始时刻T₁的时间差，之后分别计算所述无人飞行器与各所述接收器之间的距离；

定位模块，用于依据各距离值定位所述无人飞行器的当前位置。

优选地，所述初始记录模块进一步包括:

公共定时器开启单元，用于在所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号的同时，开启一公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号；

所述开始时刻记录模块进一步包括：

定时器开启与记录单元，用于当所述公共定时器捕捉到所述辅助同步定位信号时，开启各接收器的定时器，记录所述开始时刻T₁。

优选地，所述定时器开启与记录单元还包括：

判断子单元，用于所述公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号时，判断所述辅助同步定位信号的有效性，具体判断如下：接收所述无人飞行器发送的高电平脉宽与低电平脉宽，判断所述高电平脉宽与所述低电平脉宽的电平宽度是否与预设的电平宽度一致，若一致，开启各接收器的定时器，则记录为所述开始时刻T₁，依据所述开始时刻T₁与所述初始时刻T₀之间的时间差作为修正所述超声波信号传输时间的修正值。

本发明提供的无人飞行器室内定位方法及装置，在没有GPS信号或者GPS定位信号差的情况下，通过采用超声波以及辅助同步定位信号在低成本的生产成本下，实现了高精度地定位无人飞行器的位置。

附图说明

图1是本发明实施方式一的无人飞行器室内定位方法的流程示意图；

图2是本发明实施方式二的无人飞行器室内定位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。

实施方式一

如图1所示，本发明提供一种无人飞行器室内定位方法，所述无人飞行器室内定位方法包括以下步骤：

S1 所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号，记录为初始时刻T₀；

S2 公共定时器接收到所述辅助同步定位信号时，记录为开始时刻T₁；

S3 N个设于室内不同位置的接收器接收所述超声波信号，分别记录结束时刻T₂、T₃…T_N+1，其中N为大于等于3的整数；

S4 获取所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1与所述时刻T₁的时间差，之后分别计算所述无人飞行器与各所述接收器之间的距离；

S5 依据各距离值定位所述无人飞行器的当前位置。

本发明提供的无人飞行器室内定位方法，在没有GPS信号或者GPS定位信号差的情况下，通过采用超声波以及辅助同步定位信号在低成本的生产成本下，实现了高精度地定位无人飞行器的位置。

优选地，所述辅助同步定位信号为红外信号、激光信号、射频信号三者中至少之一。

优选地， 步骤S2与步骤S3之间还包括：

S6 在发射超声波信号和辅助同步定位信号时，所述无人飞行器同步发送红外指示信号。

优选地，步骤S1包括：

S11 在所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号的同时，开启一公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号。

优选地，所述步骤S2进一步包括：

S21当所述公共定时器捕捉到所述辅助同步定位信号时，开启各接收器的定时器，记录所述开始时刻T₁。

优选地，步骤S21进一步包括：

S211 所述公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号时，判断所述辅助同步定位信号的有效性，判断方法如下：接收所述无人飞行器发送的高电平脉宽与低电平脉宽，判断所述高电平脉宽与所述低电平脉宽的电平宽度是否与预设的电平宽度一致，若一致，开启各接收器的定时器，则记录为所述开始时刻T₁，依据所述开始时刻T₁与所述初始时刻T₀之间的时间差作为修正所述超声波信号传输时间的修正值。本发明可以及时对时间差进行修正，以进一步确保定位的准确性。

优选地，步骤S3进一步包括：

当所述各接收器接收到所述超声波信号时，读取各接收器的定时器的当前时刻，作为所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1。

实施方式二

本发明还提供一种无人飞行器室内定位装置，所述无人飞行器室内定位装置包括：

初始时刻记录模块10，用于所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号时，记录为初始时刻T₀；

开始时刻记录模块20，用于公共定时器接收到所述辅助同步定位信号时，记录为开始时刻T₁；

结束时刻记录模块30，用于N个设于室内不同位置的接收器接收所述超声波信号，分别记录结束时刻T₂、T₃…T_N+1；

距离计算模块40，用于获取所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1与所述时刻T₁的时间差，之后分别计算所述无人飞行器与各所述接收器之间的距离；

定位模块50，用于依据各距离值定位所述无人飞行器的当前位置。

本发明提供的无人飞行器室内定位装置，在没有GPS信号或者GPS定位信号差的情况下，通过采用超声波以及辅助同步定位信号在低成本的生产成本下，实现了高精度地定位无人飞行器的位置。

优选地，所述初始记录模块进一步包括:

公共定时器开启单元，用于在所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号的同时，开启一公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号；

所述开始时刻记录模块进一步包括：

定时器开启与记录单元，用于当所述公共定时器捕捉到所述辅助同步定位信号时，开启各接收器的定时器，记录所述开始时刻T₁。

优选地，所述定时器开启与记录单元还包括：

判断子单元，用于所述公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号时，判断所述辅助同步定位信号的有效性，具体判断如下：接收所述无人飞行器发送的高电平脉宽与低电平脉宽，判断所述高电平脉宽与所述低电平脉宽的电平宽度是否与预设的电平宽度一致，若一致，开启各接收器的定时器，则记录为所述开始时刻T₁，依据所述开始时刻T₁与所述初始时刻T₀之间的时间差作为修正所述超声波信号传输时间的修正值。

变形实施例1

具体来说，本发明变形实施例1在上述实施方式一和二的基础上进行变形，所提出的室内定位装置包括无人飞行器发射部分和设置在室内不同位置的接收部分，发射部分主要包括：红外发射模块、超声波发射模块、LED模块、串口调试模块、延时模块和915 MHz无线传输模块（简称为RF915数传模块）。以及各自对应的通信接口。

接收部分主要包括：红外接收模块、超声波接收模块、LED模块、定时器模块、定位算法模块、Ublox协议模块，串口调试模块、延时模块和RF915数传模块。以及各自对应的接口。

本发明所提出的无人飞行器室内定位装置的发射部分，各模块的基本功能表述如下：

（1）红外发射模块：以红外发射信号主要是作为同步信号，用于辅助超声波测距，保证接收部分测距的信号是准确的。在发射红外信号时立即发射超声波信号。

（2）超声波模块：采用一个超声波发射器，在发射红外同步信号以后，向数据发送部分的超声波接收器发射超声波信号。

（3）LED模块：主要是作为红外信号的指示灯。在红外发射信号之后切换显示状态，表示红外信号已经发射。这是因为红外信号不可见，使用指示灯可以很形象地判断红外信号是否发射以及发射的大概发射频率，从而减少红外线不可见所引发的问题，进而帮助开发人员直观地判断红外信号发射情况，极大地减小了工作量，并且还有一种美观效果。

（4）串口调试模块：主要是用于代码调试时打印数据，辅助开发人员调试程序。使用串口打印数据可以直观地看出代码是否符合预期的效果，方便开发人员调试代码。

（5）延时模块：用于程序执行过程中的延时，例如发射部分当程序是一直循环的，但循环之间必须有一定间隔。

（6）RF915数传模块：主要用于数据的无线传输。这里主要是接收数据发射部分发出的无人飞行器定位数据。

对于接收部分，各模块的基本功能表述如下：

（1）红外接收模块：以红外发射信号主要是作为同步信号，用于辅助超声波测距，保证接收部分测距的信号是准确的。当捕捉到红外信号时，启动超声波进行测距（所有超声波接收模块同时启动）。

（2）超声波接收模块：主要用于接收超声波信号，进而测量出无人飞行器距离各超声波模块的距离。

（3）LED模块：用来做红外信号的指示灯，当成功捕捉到红外信号时，改变LED的显示状态。

（4）定时器模块：分为4个部分；

第一部分：利用定时器TIM5的捕捉功能来捕捉红外发射部分发射的红外信号；

第二部分：用于超声波波测距时计时。当超声波接收到信号时，启动相应的定时器，在本实施例中以TIM2，TIM3，TIM4，TIM6四个定时器为例，将计数器值清零，在某一个超声波模块接收信号完成时，读取其相应定时器的值，用于计算出无人飞行器距离该超声波模块的距离；当然这里是以四个定时器为例，实际中可以依据需要设置四个以上的定时器；

第三部分：用于实现秒表功能，计算程序运行的时间，以及填充ublox数据协议的某些项；

第四部分：用于设置将相关定位数据发送给无人飞行器的时间间隔。

（5）定位算法模块：得到无人飞行器到四个超声波模块的距离后，利用四个超声波模块的相对坐标，计算无人飞行器所处的空间坐标。

（6）Ublox模块：将得到的无人飞行器所处空间坐标数据，以一种无人飞行器（飞控）能识别的格式进行封装。这里采用Ublox协议格式，选取了Ublox的四个信息包：NAV-SOL、NAV-STATUS、NAV-POSLLH和NAV-VELNED，将无人飞行器的当前信息填充到对应的位置，然后通过RF915数传模块发送给无人飞行器的飞行控制器。

（7）串口模块：用于辅助调试程序。

（8）RF915数传模块：RF915的功能主要用作无线传输。这里主要是将获取的相关无人飞行器的定位数据信息发射出去，以供无人飞行器飞行控制方面的数传模块接收数据。

本发明所提出的室内定位装置首先超声波接收模块要知道发送超声波的初始时间T₁，然后根据接收到的时间T₂，才能取得时间差T₂-T₁，即无人飞行器的飞行时间（time offlight），然后根据公式S=V*T（v=334米/秒，由于相对于我们的测量而言，环境温度的变化是一个缓慢的过程，故而可以忽略温度对速度的影响），计算出超声波传播的距离，也就是两点之间的距离。

本发明所提出的室内定位装置将红外作为超声波测距方法的同步信号，其将一种40 KHz红外载波，经过调制得到红外线信号并用作超声波测距的同步信号。

由于本发明的使用于室内等GPS信号较差的环境，而且接收端位于天花板上，普通的灯具的光、太阳光都是向地面投射光线，经过漫反射后的红外线变得很微弱，而经过调制处理得到同步信号，可以应对上述干扰，从而使得本发明可以避免人造光源的红外线干扰。

实现同步的基本原理可以表述为：超声波发射端，在开始发送超声波前，先使用红外发射管，发送一个时间为Ta高电平脉宽之后发送一个时间为Tb低电平脉宽，当接收端收到这两个Ta、Tb脉冲信号，之后判断这两个电平的宽度是否合法，如果合法，则将此时做为同步时刻，打开内部定时器，开始计时TRa，并在收到超声波后，记录当前时刻TRb，结束计时，得到超声波飞行时间T=TRb-TRa+Tx，其中Tx为时间的修正值。因此，两点间的距离可以表达为S=V*（TRb-TRa+Tx），此处的声速可以依据温度来设定，通常设定为V=334米/秒。

以上对本发明所提供的一种无人飞行器室内定位方法及装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种无人飞行器室内定位方法，其特征在于，所述无人飞行器室内定位方法包括以下步骤：

S1 所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号，记录为初始时刻T₀；

S2 公共定时器接收到所述辅助同步定位信号时，记录为开始时刻T₁；

S3 N个设于室内不同位置的接收器接收所述超声波信号，分别记录结束时刻T₂、T₃…T_N+1，其中N为大于等于3的整数；

S4 获取所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1与所述开始时刻T₁的时间差，之后分别计算所述无人飞行器与各所述接收器之间的距离；

S5 依据各距离值定位所述无人飞行器的当前位置；

所述步骤S2进一步包括：

S21当所述公共定时器捕捉到所述辅助同步定位信号时，开启各接收器的定时器，记录所述开始时刻T₁；

所述步骤S21进一步包括，S211 所述公共定时器捕捉到所述辅助同步定位信号时，判断所述辅助同步定位信号的有效性，判断方法如下：接收所述无人飞行器发送的高电平脉宽与低电平脉宽，判断所述高电平脉宽与所述低电平脉宽的电平宽度是否与预设的电平宽度一致，若一致，开启各接收器的定时器，则记录为所述开始时刻T₁，依据所述开始时刻T₁与所述初始时刻T₀之间的时间差作为修正所述超声波信号传输时间的修正值，具体包括：在测距时采用红外作为超声波测距方法的同步信号，超声波发射端，在开始发送超声波前，先使用红外发射管，发送一个时间为Ta高电平脉宽之后发送一个时间为Tb低电平脉宽，当接收端收到这两个Ta、Tb脉冲信号，之后判断这两个电平的宽度是否合法，如果合法，则将此时做为同步时刻，打开内部定时器，开始计时TRa，并在收到超声波后，记录当前时刻TRb，结束计时，得到超声波飞行时间T=TRb-TRa+Tx，其中Tx为时间的修正值，两点间的距离表达为S=V*（TRb-TRa+Tx），其中V表示声速，依据温度确定。

2.如权利要求1所述的无人飞行器室内定位方法，其特征在于，所述辅助同步定位信号为红外信号、激光信号、射频信号三者中至少之一。

3.如权利要求2所述的无人飞行器室内定位方法，其特征在于， 步骤S2与步骤S3之间还包括：

S6 在发射超声波信号和辅助同步定位信号时，所述无人飞行器同步发送红外指示信号。

4.如权利要求1所述的无人飞行器室内定位方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11 在所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号的同时，开启一公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号。

5.如权利要求4所述的无人飞行器室内定位方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21当所述公共定时器捕捉到所述辅助同步定位信号时，开启各接收器的定时器，记录所述开始时刻T₁。

6.如权利要求5所述的无人飞行器室内定位方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

当所述各接收器接收到所述超声波信号时，读取各接收器的定时器的当前时刻，作为所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1。

7.一种无人飞行器室内定位装置，其特征在于，所述无人飞行器室内定位装置包括：

初始时刻记录模块，用于所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号时，记录为初始时刻T₀；

开始时刻记录模块，用于公共定时器接收到所述辅助同步定位信号时，记录为开始时刻T₁；

结束时刻记录模块，用于N个设于室内不同位置的接收器接收所述超声波信号，分别记录结束时刻T₂、T₃…T_N+1，其中N为大于等于3的整数；

距离计算模块，用于获取所述结束时刻T₂、T₃…T_N+1与所述开始时刻T₁的时间差，之后分别计算所述无人飞行器与各所述接收器之间的距离；

定位模块，用于依据各距离值定位所述无人飞行器的当前位置；

所述初始记录模块进一步包括:

公共定时器开启单元，用于在所述无人飞行器发射超声波信号和辅助同步定位信号的同时，开启一公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号；

所述开始时刻记录模块进一步包括：

定时器开启与记录单元，用于当所述公共定时器捕捉到所述辅助同步定位信号时，开启各接收器的定时器，记录所述开始时刻T₁；

所述定时器开启与记录单元还包括：

判断子单元，用于所述公共定时器捕捉所述辅助同步定位信号时，判断所述辅助同步定位信号的有效性，具体判断如下：接收所述无人飞行器发送的高电平脉宽与低电平脉宽，判断所述高电平脉宽与所述低电平脉宽的电平宽度是否与预设的电平宽度一致，若一致，开启各接收器的定时器，则记录为所述开始时刻T₁，依据所述开始时刻T₁与所述初始时刻T₀之间的时间差作为修正所述超声波信号传输时间的修正值，具体包括：在测距时采用红外作为超声波测距方法的同步信号，超声波发射端，在开始发送超声波前，先使用红外发射管，发送一个时间为Ta高电平脉宽之后发送一个时间为Tb低电平脉宽，当接收端收到这两个Ta、Tb脉冲信号，之后判断这两个电平的宽度是否合法，如果合法，则将此时做为同步时刻，打开内部定时器，开始计时TRa，并在收到超声波后，记录当前时刻TRb，结束计时，得到超声波飞行时间T=TRb-TRa+Tx，其中Tx为时间的修正值，两点间的距离表达为S=V*（TRb-TRa+Tx），其中V表示声速，依据温度确定。

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