具体实施方式
为了本申请的目的、技术方案、优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请的技术方案进行清楚、完成地描述。显然,所描述的实施例,仅是本申请的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本说明书中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。
目前相关技术中,通常是通过无人机自身的GPS模块获取GPS信号从而确定无人机当前的位置,通过比对当前位置与预设航迹来实现起飞或降落,或者,无人机通过自身的摄像头识别特征物来辅以识别着陆点位置以实现起飞或降落。
当前的无人机的位置获取方法中,没有考虑到无人机体积更小,起飞或降落区域更局限,因此对位置数据的精度要求更高。而GPS方式容易受天气、云层、地势等因素影响,会存在信号丢失、寻找信号时间长、信号精度低的问题;而视觉方式很容易受光线等因素影响精度,例如在黑暗环境下,无人机无法获取视觉图像从而无法实现视觉导航。
在本公开中,无人机导航设备简称导航设备。
图1为本公开实施例提供的无人机与导航设备的示意图,如图1所示,导航设备101与无人机102之间建立UWB(Ultra Wideband,超宽带)通信,导航设备101与无人机102之间发送和接收超宽带信号,通过TOF(Time of flight,飞行时间)计算时间差从而确定导航设备101与无人机102之间的相对距离,和/或,通过AOA(Angle Of Arrival,信号到达角度)计算UWB信号到达多个超宽带天线(以下简称天线)的相位差、时间差或距离差从而确定导航设备101与无人机102之间的相对方向。基于UWB的TOF或AOA定位,不易受天气或光线的干扰,定位精度可达到厘米级,可以满足无人机102实现精准起降的要求。
UWB(UltraWideband,超宽带)通信利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB(Ultra Wideband,超宽带)具有抗干扰性能强,传输速率高,***容量大、低功耗的特点。UWB信号在空气中接近光速传播,因此导航设备101与无人机102之间收发UWB信号的耗时在毫秒级,提高了无人机102在起飞和降落时位置数据获取的实时性。
例如,导航设备101与无人机102之间建立的UWB通信,基于在该UWB通信过程中的发送和接收UWB信号的时间差、接收UWB信号的相位差确定相对距离、相对方向。可选的,还可通过该UWB通信在导航设备101与无人机设备102之间传输时间差、相位差或导航设备的标识、无人机的标识等信息,当然,也可通过其他通信方式(例如WIFI、3G、4G、蓝牙、zigebee)传输时间差、相位差或导航设备的标识、无人机的标识等信息。
图2为本公开至少一个实施例提供的一种基于超宽带的无人机导航方法的示意性流程图,包括:
步骤S201包括:建立所述无人机与导航设备之间的超宽带通信。
步骤S202包括:根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置。
步骤S203包括:所述无人机根据所述相对位置朝着靠近或远离所述导航设备方向运动。
上述本说明书实施例提供的方法,可以通过无人机与导航设备之间的超宽带通信,确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置,相对于通过GPS或视觉方式获取位置,本说明书实施例提供的方法不易受云层、天气或光线的因素影响,所确定的位置数据的精度更高,使得所述无人机朝着靠近或远离所述导航设备方向运动时不偏离预计航线,从而精准的降落或起飞。
其中,所述无人机与导航设备之间的超宽带通信,包括无人机向导航设备发送超宽带信号、无人机接收导航设备发送的超宽带信号。
其中,所述相对位置具体包括:所述无人机与所述导航设备之间的相对方向,和/或,所述无人机与所述导航设备之间的相对距离。具体的,根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置,包括无人机与导航设备之间发送和接收超宽带信号,通过TOF(Time of flight,飞行时间)确定导航设备与无人机之间的相对距离,和/或,通过AOA(Angle Of Arrival,信号到达角度)确定导航设备与无人机之间的相对方向。进一步的,可以是无人机确定所述相对距离或所述相对方向,并将所述相对距离或所述相对方向提供给无人机的飞行控制模块(简称控制模块);也可以是导航设备确定所述相对距离或所述相对方向,并将所述相对距离或所述相对方向提供给无人机。
其中,通过TOF确定导航设备与无人机之间的相对距离,例如,在一些实施例中,记录导航设备向无人机发送第一超宽带信号的时刻t1和该导航设备接收无人机发送的第二超宽带信号的时刻t4,并根据T2=t4-t1计算时间差T2;记录无人机接收到所述导航设备发送的第一超宽带信号的时刻t2和该无人机向所述导航设备发送第二超宽带信号的时刻t3,并根据T1=t3-t2;则所述导航设备与所述无人机之间的相对距离
其中C为光速,需要说明的是,上述实施例中,导航设备与无人机可以互换,即无人机向导航设备发送第一超宽带信号,导航设备向无人机发送第二超宽带信号,分别记录无人机、导航设备发送和接收超宽带信号的时刻;具体的,可以是无人机将自身接收和发送超宽带信号的时刻或时间差信息提供给导航设备使得导航设备确定所述相对距离,还可以是导航设备将自身接收和发送超宽带信号的时刻或时间差信息提供给无人机使得无人机确定所述相对距离。
其中,通过AOA确定导航设备与无人机之间的相对方向,例如,在一些实施例中,导航设备中设置多个天线,导航设备根据接收到的无人机发送的超宽带信号的相位差、时间差或距离差(即该无人机发送的超宽带信号到达多个天线的相位差、时间差或距离差),确定该无人机相对于该导航设备的相对方向;而在另外一些实施例子中,无人机中设置有多个天线,根据接收到的导航设备发送的超宽带信号的相位差、时间差或距离差,确定该导航设备相对于该无人机的相对方向。
其中,确定所述相对位置后将所述相对位置提供给所述无人机使得所述无人机根据所述相对位置朝着靠近或远离所述导航设备方向运动,例如,在一些实施例中,由导航设备确定所述相对位置,可以是导航设备根据其与无人机发送和接收超宽带信号的时间差确定相对距离,和/或根据所述导航设备与所述无人机超宽带信号通信的相位差、时间差或距离差确定相对方向;其中,所述相位差、时间差、或距离差,可以是该导航设备接收所述无人机发送的超宽带信号时在该导航设备中的多个天线处产生的相位差、时间差或距离差,也可以是该无人机接收所述导航设备发送的超宽带信号时在该无人机中的多个天线处产生的相位差、时间差或距离差,无人机记录相位差、时间差或距离差后发送给导航设备以使得导航设备确定相对方向;当导航设备确定所述相对位置后,将所述相对位置提供给所述无人机。
又例如,在另外一些实施例中,由无人机确定所述相对位置,可以是无人机根据其与导航设备发送和接收超宽带信号的时间差确定相对距离,和/或根据所述无人机与所述导航设备超宽带信号通信的相位差、时间差或距离差确定相对方向;其中,所述相位差、时间差、或距离差,可以是该无人机接收所述导航设备发送的超宽带信号时在该无人机中的多个天线处产生的相位差、时间差或距离差,也可以是导航设备接收该无人机发送的超宽带信号时在导航设备中的多个天线处产生的相位差、时间差或距离差,导航设备记录相位差、时间差或距离差后发送给该无人机以使得该无人机确定相对方向;当无人机确定所述相对位置后,将所述相对位置提供给所述无人机的飞行控制模块。
当然,在另外一些实施例中,还可以是由导航设备确定相对方向,由无人机确定相对距离,或者,由无人机确定相对方向,由导航设备确定相对距离,之后,将已确定的所述相对方向和/或相对距离提供给无人机以使得所述无人机朝着靠近或远离所述导航设备方向运动。
其中,所述无人机根据所述相对位置朝着靠近或远离所述导航设备方向运动,具体的,例如在无人机降落的场景中,在所述无人机降落前,建立所述无人机与所述导航设备之间的所述超宽带通信;所述无人机根据所述相对位置朝设置于降落区域的所述导航设备方向运动。又例如,在无人机起飞的场景中,建立所述无人机与所述导航设备之间的所述超宽带通信;所述无人机根据所述相对位置朝着远离设置于起飞区域的所述导航设备方向的运动,特别是,基于精准的相对位置的数据,使得无人机可以按预计航迹降落或起飞。
其中,所述导航设备为一个;所述无人机为一个或多个。参考图8,图8为本公开一些实施例提供的无人机与导航设备的示意图,一个导航设备可以引导多个无人机起飞或降落。如图8,导航设备801引导无人机8021、无人机8022、无人机8023、无人机8024降落。常规技术需要多个基准设备才能引导无人机降落,对基准设备的部署设计要求高,使用不方便。本公开提供的导航设备可灵活部署,灵活移动,使用方便,仅一个设备可对多个无人机实现引导起飞或降落,成本低。
在一些实施例中,上述实施例的所述相对位置具体包括:所述无人机与所述导航设备之间的相对方向,和/或,所述无人机与所述导航设备之间的相对距离;上述实施例的所述根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置,具体包括:根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的所述相对方向和/或所述相对距离。
可选的,在一些实施例中,所述根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的所述相对方向,具体包括:根据在所述超宽带通信中接收超宽带信号的至少一个相位差确定所述相对方向。即无人机或导航设备中设置至少两个天线,根据至少两个天线接收超宽带信号时的至少一个相位差确定所述相对方向。
图3为本公开一些实施例提供的无人机或导航设备中的天线的示意图。以导航设备中设置两个天线为例说明,如图3所示,导航设备中的第一天线301与第二天线302之间的间距为d,无人机相对于该间距d的法线方向的夹角为θ,第一天线301、第二天线302接收无人机发送的超宽带信号的相位为α301、α302,确定α301和α302,根据
得到无人机相对于该间距d的法线方向的夹角θ,其中C为光速,ω为所述超宽带信号的中心频率。根据已确定的夹角θ的值以及第一天线301、第二天线302在导航设备中的位置关系,可以计算出该无人机相对于该导航设备的夹角,从而确定无人机与导航设备之间的相对方向。在这些实施例中,所确定的夹角θ可表征两个相对方向的值,例如,在水平面投影,当θ为60°时,无人机在该间距d的法线方向的左60°或右60°方向上,则可周期性的确定该夹角θ的值并结合该周期内无人机飞行的速度、加速度去掉一个错误的夹角θ的值,还可以旋转所述两个天线,则间距d的法线方向旋转,根据超宽带信号强度变化规律去掉一个错误的夹角θ的值。
进一步可选的,在一些实施例中,在所述根据在所述超宽带通信中接收超宽带信号的至少一个相位差确定所述相对方向之后,还包括:调整所述无人机或调整所述导航设备,使得所述相对方向满足运动角度条件;所述将所述相对位置提供给所述无人机以使得所述无人机朝着靠近或远离所述导航设备运动,具体包括:将所述相对方向提供给所述无人机,以使得所述无人机沿满足所述运动角度条件的所述相对方向朝着靠近或远离所述导航设备方向运动。
其中,产生至少一个相位差至少需要两个天线,优选的,任意两个天线之间的间距d满足d=(0.8λ~1λ),其中λ为超宽带信号的波长,有c=λω,其中ω为超宽带信号的中心频率。
其中,运动角度条件是指预设的角度范围,在该角度范围内,超宽带信号的信噪比良好,在该角度范围内,无人机朝着靠近或远离所述导航设备方向运动时确定的无人机与导航设备的相对方向的数据更准确,因此预设该角度范围为无人机在起飞或降落时相对导航设备运动的角度条件。例如,将两个天线设置在导航设备中时,参考图3,预设运动角度条件为:与天线间距d的法线方向的夹角θ小于等于5°,也即以该间距d的法线方向为中心轴,10°的角度范围为预设的角度范围。将两个天线设置在无人机处时同理,在此不赘述。
其中,调整所述无人机或调整所述导航设备,使得所述相对方向满足运动角度条件。例如,在一些实施例中,以调整所述导航设备为例,预设运动角度条件为:与导航设备中的天线间距d的法线方向的夹角θ小于等于5°,当导航设备根据接收到的无人机发送的超宽带信号确定无人机与该导航设备中两个天线间距d的法线方向的夹角为20°,则旋转两个天线或旋转导航设备,使得无人机与该导航设备中两个天线间距d的法线方向的夹角等于4°时,停止旋转,并保持当前无人机与导航设备的相对方向,从而使得无人机与导航设备的相对方向满足运动角度条件。
又例如,在一些实施例中,以调整所述无人机为例,预设运动角度条件为:与无人机中的天线间距d的法线方向的夹角小于等于5°,当无人机根据接收到的导航设备发送的超宽带信号确定无人机与该无人机中两个天线的间距d的法线方向的夹角为20°,则旋转两个天线或旋转无人机,使得导航设备与该导无人机中两个天线间距d的法线方向的夹角等于2°时,停止旋转,并保持当前导航设备与无人机的相对方向,从而使得无人机与导航设备的相对方向满足运动角度条件。进一步的,考虑无人机在空中飞行的速度、姿态的影响,旋转无人机需要在无人机悬停的时候进行,待调整完毕,无人机继续飞行。
其中,将所述相对方向提供给所述无人机,以使得所述无人机沿满足所述运动角度条件的所述相对方向朝着靠近或远离所述导航设备方向运动。具体的,参考图4,图4为本公开一些实施例提供的无人机或导航设备中的天线的示意图,通过两个天线(第一天线401和第二天线402)确定的相对方向在水平面上的投影为关于天线间距d的法线方向对称的两条线,如图4所示,为关于间距d的法线方向向左和向右夹角为θ的两条线,然后在三维坐标系中通过两个天线确定的相对方向的为垂直于水平面对称的两个面,因此仅可以确定无人机和导航设备在水平面上的相对方向,进一步可选的,在一些实施例中,辅以检测超宽带信号强度、通过高度计测量无人机距离导航设备所在地平面的高度或在两个天线的基础上增加天线数量,以获取表征高度信息的数据。而在一些实施例中,无需辅助获取高度信息也可以完成无人机的降落和起飞,例如,根据两个天线确定相对方向并调整导航设备,使得无人机与导航设备的相对方向满足运动角度条件,其中运动角度条件为无人机与导航设备中的天线间距d的法线方向的夹角小于等于5°,该无人机沿满足该运动角度条件的相对方向朝着靠近导航设备方向运动,当无人机飞行至该导航设备的正上方时(即无人机与导航设备在水平面上投影无法产生夹角时),无人机垂直下降,即可实现无人机的降落;或,该无人机沿满足该运动角度条件的相对方向朝着远离导航设备方向运动,控制无人机的姿态使得无人机高度升高,当检测到该导航设备与该无人机之间的超宽带通信的信号强度下降到预设值时,则判断该无人机完成起飞动作。
上述实施例提供的基于超宽带的无人机导航方法,最少仅需要两个天线即可实现引导无人机的起飞和降落,结构简单,使用灵活。
可选的,在一些实施例中,所述根据在所述超宽带通信中接收超宽带信号的至少一个相位差确定所述相对方向,具体包括:根据在所述超宽带通信中接收超宽带信号的至少二个相位差确定所述相对方向。图5为本公开一些实施例提供的无人机或导航设备中的天线的示意图,以导航设备中设置三个天线为例说明,第一天线501与第二天线502之间的间距为d1,无人机相对于该间距d1的法线方向的夹角为θ1。第一天线501与第三天线503之间的间距为d2,无人机相对于该间距d2的法线方向的夹角为θ2。无人机发送的超宽带信号沿P1方向到达第一天线501、第二天线502,该超宽带信号沿P2方向到达第三天线503(即第一天线501、第二天线502在P1方向上接收该超宽带信号,第三天线503在P2方向上接收该超宽带信号),其中P1与P2平行。
第一天线501、第二天线502、第三天线503接收该无人机发送的超宽带信号的相位分别为α501、α502、α503,根据
和
得到θ1和θ2,其中C为光速,ω为超宽带信号的中心频率。如图5所示,当得到θ1后,无法确定无人机是在第一天线501的西北方向还是东北方向,因为无人机在第一天线501的西北方向或东北方向时,均可以使得超宽带信号到达第一天线501时与间距d1的法线方向的夹角为θ1;同样的,当得到θ2后,无法确定无人机是在第三天线503的西北方向还是东北方向;但是,得到θ1可以在三维坐标系中通过第一个天线501和第二天线502确定垂直于水平面对称的两个面,得到θ2可以在三维坐标系中通过第一个天线501和第三天线503确定垂直于水平面对称的两个面,在这四个面中,其中两个面在三维坐标系中相交部分为一个向量,该向量即表征无人机相对于导航设备的相对方向的向量。进一步的,天线数量越多,所确定的相对方向就越准确,三个以上天线确定的多个面的相交部分也为一个向量,该向量为表征无人机相对于导航设备的相对方向的向量。
当然,在一些实施例中,在所述根据在所述超宽带通信中接收超宽带信号的至少二个相位差确定所述相对方向之后,还包括:调整所述无人机或调整所述导航设备,使得所述相对方向满足运动角度条件。
上述实施例提供的基于超宽带的无人机导航方法,通过至少三个天线实现引导无人机的起飞和降落,获取相对方向的数据时更准确,更快速。
进一步可选的,考虑实际应用中,因为噪声或其他因素的干扰,上述θ1、θ2包含了噪声,特别是一个导航设备引导多个无人机的场景下,噪声干扰更多。为了进一步提高所述相对方向的数据的精度,具体的,在一些实施例中,通过以下方式对该数据的去噪:
设置M个天线,第一个天线与其他天线之间的间距依次为d11、d12...d1(M-1),M个天线接收超宽带信号的相位依次为α11、α12、α13...α1M,该超宽带信号到达各个天线时,与间距d11、d12...d1(M-1)的法线方向的夹角依次为θ11、θ12...θ1(M-1),当无人机为K个(K<M)时,若第K个无人机向导航设备超宽带信号,超宽带信号到达第一个天线的波前信号为Sk(t),则导航设备中的第i个天线接收超宽带信号有:
akSk(t)exp(-jωd1(i-1)sinθk/c),其中,ak为该第i个天线对无人机发送的超宽带信号的响应,ω为超宽带信号的中心频率,c为光速,θk为第K个无人机相对于导航设备在超宽带信号接收方向上的夹角,表征该无人机相对于导航设备的相对方向。考虑噪声,则导航设备中的第i个天线的输出信号为:
其中n
i(t)为噪声,噪声之间不相关,噪声的方差为σ
2。
将上述xi(t)写成向量X(t),该向量X(t)的协方差矩阵为:
R=APAH+σ2I;其中,上标H表示共轭转置,P为目标发送的第一请求的信号的协方差矩阵,d11、d12...d1(M-1)≤πc/ω,矩阵APAH共有K个正的特征值,矩阵R有M个正的特征值,矩阵其余的(M-K)个特征值为σ2(即σ2是矩阵R的最小特征值),确定最小特征值的个数N,则目标个数K=M-N。
构造M*(M-K)维的噪声特征向量矩阵EN,则在第K个无人机相对于导航设备在超宽带信号接收方向上,显然有:
当E
N均在偏差时,
不是零向量,则连续改变θ值进行谱峰搜索,由此得到的K个
的最小值就得到K个所述无人机分别相对于该导航设备在超宽带信号接收方向上的夹角,从而确定了K个无人机相对于导航设备的相对方向。
可选的,在一些实施例中,所述相对位置具体包括:所述相对方向和所述相对距离;所述根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置,具体包括:根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的所述相对方向和所述相对距离。
需要指出的是,本公开至少一个实施例中的所述相对方向和所述相对距离为表征无人机和导航设备的相对距离和相对方向的数据,可以分别为距离值和方向值,也可以为表征该距离和方向的坐标值。
具体的,以导航设备设置有多个天线,并确定所述相对距离和所述相对方向为例,图6为本公开一些实施例提供的一种基于超宽带的无人机导航方法的示意性流程图,如图6所示,包括:
S601、导航设备向无人机发送的第一超宽带信号。
所述第一超宽带信号,可以是导航设备主动广播的,也可以是当该导航设备接收到指示该导航设备获取相对位置的指示信号后发送的第一超宽带信号。
其中,导航设备记录其发送第一超宽带信号的时刻t1。
S602、无人机向导航设备发送第二超宽带信号。
所述第二超宽带信号,是无人机对其接收到的导航设备发送的第一超宽带信号的响应。
其中,第二超宽带信号中携带该无人机接收步骤S601中的第一超宽带信号的时刻t2,以及携带该无人机发送步骤S602中的第二超宽带信号的时刻t3;或者,第二超宽带信号中携带时刻t3与时刻t2的时间差T1。
S603、导航设备根据接收到的第二超宽带信号确定导航设备与无人机之间的相对距离。
其中,导航设备记录其接收到步骤S602中无人机发送的第二超宽带信号的时刻t4,并计算时刻t4与时刻t1的时间差T2,根据相对距离
确定导航设备与无人机之间的相对距离,其中C为光速。
S604、导航设备根据接收到的第一超宽带信号的相位差确定导航设备与无人机之间的相对方向。
需要说明的是,导航设备还可以根据接收到的无人机发送的其他超宽带信号确定所述相对方向,例如还可以根据接收到的所述第二超宽带信号的相位差确定所述相对方向,又例如还具有根据接收到第一超宽带信号和第二超宽带信号的相位差分别确定相对方向后求相对方向的加权平均值。
S605、导航设备将所述相对距离和所述相对方向提供给无人机。
例如,该导航设备可将所述相对距离和所述相对方向转换为无人机在的地面坐标系的坐标(x机-地,y机-地,z机-地),并将该坐标(x机-地,y机-地,z机-地)提供给无人机,使得无人机根据该坐标朝着靠近或远离该导航设备的预计航迹方向运动。又例如,该导航设备直接将所述相对距离和所述相对方向提供给该无人机,使得无人机对该相对距离和该相对方向进行计算处理后,朝着靠近或远离该导航设备的预计航迹方向运动。
需要说明的是,上述步骤S603和S604可以进行互换,且步骤S603、S604中确定的相对距离、相对方向为无人机相对于导航设备的相对距离、相对方向,预设该导航设备在地面坐标系中的坐标,即可根据S603、S604中的相对距离、相对方向确定该无人机在地面坐标系中的坐标。
当然,除了这些实施例提供的由导航设备确定所述相对距离和所述相对方向,还可以是由无人机确定所述相对距离和所述相对方向,此外,相对距离与相对方向的确定还可以是分别由导航设备和无人机执行之后把数据提供给对方。
在另外一些实施例中,考虑到无人机的姿态对数据精度的影响,可选的,所述根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置具体包括:根据所述超宽带通信以及所述无人机的姿态确定所述相对位置。以无人机设置有多个天线,并确定所述相对距离和所述相对方向为例,参考图7,图7为本公开一些实施例提供的一种基于超宽带的无人机导航方法的示意性流程图,如图7所示,从导航设备与无人机交互的场景进行说明,包括:
S701、无人机向导航设备发送的第一超宽带信号。
S702、导航设备向无人机发送第二超宽带信号。
S703、无人机根据接收到的第二超宽带信号确定无人机与导航设备之间的相对距离。
S704、无人机根据接收到的第二超宽带信号的相位差确定导航设备与无人机之间的相对方向。
上述步骤S703与步骤S704的执行顺序可互换,步骤S701至S704的处理过程与步骤S601至S604类似,在此不赘述,需要说明的是步骤S703、S704中获取的相对距离、相对方向与S603、S604中的相对距离、相对方向不同,步骤S703、S704中的相对距离、相对方向是指导航设备相对于无人机的相对距离、相对方向。由于无人机在空中飞行有飞行姿态,因此,在计算地面坐标系中的无人机的坐标时,步骤S703、S704中的相对距离、相对方向的数据表征导航设备在机体坐标系中的坐标,需要将机体坐标系中的坐标转换到地面坐标系中的坐标。
S705、无人机根据所述相对距离和所述相对方向确定该无人机在地面坐标系中的坐标。
具体的,在计算物体的空间运动时,有惯性坐标系(日心坐标系、地心坐标系)、地球坐标系、地理坐标系、地面坐标系、机体坐标系。在本公开的一些实施例中,由于本公开针对的是无人机起飞和降落的场景,飞行高度与飞行区域有限,因此,为了简化运算,忽略地球曲率,并认为地面坐标系为惯性坐标系。
其中,无人机的机体坐标系s机(o机x机y机z机),o机为无人机的质心,o机x机取无人机设计轴指向机头方向,o机z机处在无人机对称面垂直o机x机指向下方,o机y机垂直o机x机z机指向无人机右侧,符合右手规则。
其中,地面坐标系s地(o地x地y地z地),设导航设备所在地面的位置为o地,o地x地为水平面任意方向,o地z地垂直地面指向地心,o地x地y地为水平面(即地平面),符合右手规则。
具体的,无人机通过与导航设备建立UWB通信,在上述步骤S703、S704中确定当前导航设备相对于该无人机的相对距离和相对方向,记为向量(x1,y1,z1),此时,(x1,y1,z1)为导航设备在机体坐标系中相对于无人机的坐标,将向量(x1,y1,z1)取反得到(-x1,-y1,-z1),则(-x1,-y1,-z1)为无人机在机体坐标系中相对于导航设备的坐标,同时,无人机通过惯导***确定当前的姿态角为(ψ,θ,φ),其中ψ为偏航角,θ为俯仰角,φ为滚转角,则该无人机在地面坐标系中相对于导航设备(即地面坐标系的o地)的坐标为(x2,y2,z2)
(-x1,-y1,-z1)与(x2,y2,z2)的关系为:
根据上式,确定该无人机在地面坐标系中的坐标(x2,y2,z2)。
S706、无人机将该无人机在地面坐标系的坐标提供给无人机的控制模块。
例如,无人机根据该坐标(x2,y2,z2)朝着靠近或远离导航设备方向运动,具体为:无人机的控制模块将获取到的坐标(x2,y2,z2)与导航设备在地面坐标系的坐标相比较,即可控制飞行状态使得该无人机朝着靠近或远离该导航设备的预计航迹方向运动。在这些实施例中,因为将设备设置在地面坐标系的o地,即导航设备在地面坐标系的坐标为(0,0,0),简化了运算,提高了位置数据的实时性。
无人机如何通过惯导***确定当前的姿态角为现有技术,不是本公开重点,在此不赘述。
这些实施例中,根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的方向和距离(或表征距离和方向的坐标值),可使无人机更精准的降落和起飞。例如指定无人机在导航设备附近预设的三维坐标点降落,精度可达厘米级。例如设导航设备在地面坐标系中的位置为o地,预设无人机在地面坐标系的(60cm,90cm,0)处降落,则将上述至少一个实施例中获取的无人机在地面坐标系中的实时坐标与(60cm,90cm,0)比较,直至无人机降落到该预设的三维坐标点处。
在实际应用场景中,一个导航设备引导多个无人机时,无人机与导航设备之间的UWB通信信号在空气中的传播速度接近光速,远远大于无人机的飞行速度,因此,当多个无人机与导航设备距离不同时或者当多个无人机需要执行降落的时间段不同时,则多个无人机与导航设备的UWB通信不是同时的,因此可以不用考虑将导航设备与无人机之间的UWB通信做时分复用处理。
进一步的,将导航设备与无人机之间的UWB通信做时分复用处理可大幅增加一个导航设备引导的无人机的数量。可选的,在另外一些实施例中,所述导航设备为一个,所述无人机为多个;所述相对位置具体包括:所述相对方向和所述相对距离;所述根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置,具体包括:根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的所述相对方向和所述相对距离;其中,当所述导航设备发送第一个超宽带信号时,所述导航设备与所述无人机之间至少需要三个超宽带信号以确定所述相对方向和所述相对距离;当所述无人机发送第一个超宽带信号时,所述导航设备与所述无人机之间至少需要二个超宽带信号以确定所述相对方向和所述相对距离。可选的,多个无人机与一个导航设备的多个超宽带通信中分别携带无人机自身的标识。
其中,当导航设备发送第一个超宽带信号时,所述导航设备与所述无人机之间至少需要三个超宽带信号以确定所述相对方向和所述相对距离。例如,参考图9,图9为本公开一些实施例提供的一种基于超宽带的无人机导航方法的示意性流程图,如图9所示,从导航设备与无人机交互的场景距离说明,包括:
S901、一个导航设备在预设周期内依次向多个无人机发送第一超宽带信号。
在步骤S901中,确定所述相对距离和所述相对方向时,由导航设备发送第一个超宽带信号。
其中,预设周期与无人机的总数量有关,例如,用1个导航设备引导60个无人机进行起飞或降落时,单个无人机与该导航设备交互三个超宽带信号为一次通信,通常一次通信的耗时在毫米级,设一次通信时间为1毫秒,则可将预设周期设置为1秒,这样在这1秒内,该导航设备可以依次向60个无人机发送超宽带信号。
其中,导航设备分别记录其发送第一超宽带信号的时刻t1。
S902、多个所述无人机分别向所述一个导航设备发送第二超宽带信号。
其中,当单个无人机接收到第一超宽带信号后向该导航设备返回第二超宽带信号,并记录其收到第一超宽带信号的时刻t2,以及其发送第二超宽带信号的时刻t3,记时间差T1=t3-t2,第二超宽带信号中携带时刻t2和时刻t3,或携带T1。
由于超宽带信号在空气中接近光速传播,速度远大于无人机的飞行速度,因此导航设备在不同时刻接收到不同无人机发送的第二超宽带信号。
S903、所述一个导航设备依次向多个所述无人机发送第三超宽带信号。
其中,导航设备分别接收到第二超宽带信号时,分别记录其接收第二超宽带信号的时刻t4,记T1=t4-t1。
其中,导航设备分别根据接收第一超宽带信号或第二超宽带信号的相位差确定相对方向。
其中,导航设备分别发送的第三超宽带信号中携带所述相对方向,以及携带表征相对距离的信息。表征相对距离的信息具体可以是导航设备分别根据T1和T2确定的相对距离的值,还可以是以使得无人机可以确定相对距离的T1和T2的值。
S904、多个所述无人机分别根据其接收到的第三超宽带信号确定所述导航设备与所述无人机之间的相对方向和相对距离。
其中,无人机可根据其接收到的第一超宽带信号或第三超宽带信号的相位差确定相对方向,可根据第三超宽带信号携带的时刻信息确定相对距离。
S905、多个所述无人机分别根据其确定的相对方向和相对距离朝着靠近或远离所述导航设备方向运动。
这些实施例中,一个基站引导多个无人机起飞或降落,可灵活部署导航设备,在无人机数量很大的场景下可保持良好的稳定性。进一步考虑降低无人机在空中的耗电量,在步骤S901之前,还包括:步骤S900:多个无人机与该一个导航设备之间时钟同步。具体的,可通过GPS控制信号或WIFI控制信号进行时钟同步,并分别在进行时钟同步的多个控制信号中携带无人机开启超宽带信号收发功能的时刻,无人机根据其收到的控制信号中的时刻开启超宽带信号收发功能,这样无人机无需一直开启超宽带信号收发功能,节约电量。
其中,当所述无人机发送第一个超宽带信号时,所述导航设备与所述无人机之间至少需要二个超宽带信号以确定所述相对方向和所述相对距离。例如,参考图10,图10为本公开一些实施例提供的一种基于超宽带的无人机导航方法的示意性流程图,如图10所示,从导航设备与无人机交互的场景距离说明,包括:
S1001、多个无人机之间时间同步。
步骤S1001中,具体的,可通过GPS控制信号或WIFI控制信号进行时钟同步,在进行时钟同步的多个控制信号中分别携带多个无人机各自发送第一超宽带信号的发送时刻,单个无人机接收到控制信号中的发射时刻不同,单个无人机根据其收到的控制信号中的发送时刻发送第一超宽带信号,这样使得多个无人机依次向一个导航设备发送第一超宽带信号。
S1002、多个所述无人机依次向一个导航设备发送第一超宽带信号。
其中,多个无人机分别记录其发送第一超宽带信号的时刻t1。导航设备分别记录其收到的第一超宽带信号的时刻t2。
S1003、所述一个导航设备依次向多个所述无人机发送第二超宽带信号。
其中,导航设备分别对其收到的第一超宽带信号进行响应,依次向多个无人机发送第二超宽带信号,并记录发送第二超宽带信号的时刻t3。
其中,第二超宽带信号中携带时刻t2和时刻t3,或携带T1=t3-t2。
S1004、多个所述无人机分别根据其接收到的第二超宽带信号确定所述导航设备与所述无人机之间的相对方向和相对距离。
其中,无人机分别记录其收到第二超宽带信号的时刻t4,记T1=t4-t1;根据T1和T2确定所述相对距离。
其中,无人机分别根据其接收到的第二超宽带信号的相位差确定所述相对方向。
其中,完成第一超宽带信号收发和第二超宽带信号的收发为一次通信,一次通信的耗时在毫秒级。
S1005、多个所述无人机分别根据其确定的相对方向和相对距离朝着靠近或远离所述导航设备方向运动。
这些实施例中,一个基站引导多个无人机起飞或降落,可灵活部署导航设备,在无人机数量很大的场景下可保持良好的稳定性。
需要说明的是,图9和图10中,不同无人机与同一个导航设备完成一次通信的时刻不同,例如,编号为1的无人机与导航设备完成一次通信的时刻为t11,编号为2的无人机与导航设备完成一次通信的时刻为t12,t11与t12不同从而实现单个无人机对多个无人机的引导起飞或降落。进一步的可选的,上述实施例中的超宽带信号中携带无人机的标识,不同无人机的标识不同。
可选的,在另外一些实施例中,所述相对位置具体包括所述相对距离;所述根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置,具体包括:根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的所述相对距离。图11为本公开一些实施例提供的无人机与导航设备的示意图。参考图11,以无人机降落的场景为例,如图11,在一个周期内,无人机1102的飞行速度为ν机,通过UWB通信多次测量无人机与导航设备1101之间的距离R,计算距离R在该周期内的变化率,即得到无人机1102的飞行速度为ν机在无人机1102和导航设备在1101的连线上的速度分量,记为νR,根据νR=ν机·cosβ可确定β的值。当β大于预设值(例如88°)时,则认为无人机位于导航设备的上方,开始悬停降落;或,辅以高度计,当高度计测量的高度等于UWB测量的距离R时,则认为无人机位于导航设备的上方,开始悬停降落。本实施例中,无需通过UWB通信测量无人机和导航设备的相对方向,在无人机、导航设备中至少仅需要一个UWB天线即可实现。无人机的飞行速度可以通过惯导***获取,具体的获取方式不是本公开重点。
基于同样的发明构思,本公开还提供一种基于超宽带的无人机导航设备。图12为本公开至少一个实施例提供的一种基于超宽带的无人机导航设备的示意性结构图。如图12所示,一种基于超宽带的无人机导航设备,包括:
通信单元1201,用于与所述无人机建立超宽带通信;
确定单元1202,用于根据所述超宽带通信中的超宽带信号确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置;
发送单元1203,用于将所述相对位置提供给所述无人机使得所述无人机朝着靠近或远离所述导航设备方向运动。
在一些实施例中,所述通信单元1201、所述确定单元1202和所述发送单元1203设置在PCB(印刷电路板)上,所述通信单元1201与所述确定单元1202之间通过导线连接,所述确定单元1202与所述发送单元1203通过导线连接。其中,所述通信单元1201具体可包括超宽带天线和射频芯片。其中,所述确定单元1202可以是单片微型计算机(MCU),例如具体为单片微型计算机(MCU)中的ARM处理器,还可以是数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、中央处理器(CPU)等。
在一些实施例中,所述发送单元1203设置在通信单元1201中,并用通信单元1201中的超宽带天线将所述相对位置调制在超宽带信号中提供给所述无人机。而在另外一些实施例中,所述发送单元1203独立设置于通信单元1201之外,例如具体为WIFI模块、3G模块、4G模块等,将所述相对位置调制在WIF信号、3G信号或4G信号中提供给所述无人机。
本公开实施例提供的导航设备,使用方便,可灵活部署于地面、汽车等位置,数据精度不易受环境干扰,可实现一个导航设备引导多个无人机精准起飞、精准降落。例如还可随汽车移动引导无人机降落。
可选的,在一些实施例中,所述相对位置,具体包括所述无人机与所述导航设备之间的相对方向,和/或,所述无人机与所述导航设备之间的相对距离;所述确定单元1202,具体用于根据所述超宽带通信中的超宽带信号确定所述相对方向和/或所述相对距离。
图13为本公开一些实施例提供的一种基于超宽带的无人机导航设备的示意性结构图。参考图13,可选的,在一些实施例中,所述的导航设备,还包括调整单元1204,其中,所述通信单元1201,具体包括至少二个超宽带天线;所述确定单元1202,具体用于根据在所述超宽带通信中接收所述无人机发送的所述超宽带信号确定至少一个相位差,并根据至少一个所述相位差确定所述相对方向;所述调整单元1204,具体用于调整所述导航设备使所述相对方向满足运动角度条件,以使得所述无人机沿满足所述运动角度条件的所述相对方向朝所述导航设备运动。其中,至少二个超宽带天线(简称天线)可分别通过通信单元1201中的射频芯片与确定单元1202连接。其中,导航设备中的至少二个超宽带天线的示意性结构可参考图3。优选的,任意两个所述天线的间距d满足d=(0.8λ~1λ)。其中,所述调整单元1204与所述确定单元1202连接。所述调整单元1204调整所述导航设备是指,调整导航设备中的天线,或,调整固定设置有天线的导航设备,使所述相对方向满足运动角度条件。所述调整单元1204具体可以例如是电机,驱动天线或驱动导航设备旋转。
可选的,在一些实施例中,所述的导航设备,其中:所述通信单元1101,具体包括至少三个超宽带天线;所述确定单元1102,具体用于根据在所述超宽带通信中接收所述无人机发送的所述超宽带信号确定至少二个相位差,并根据至少二个所述相位差确定所述相对方向。其中,至少三个超宽带天线可分别通过通信单元1101中的射频芯片与确定单元1102连接。其中,导航设备中的至少三个超宽带天线的示意性结构可参考图5。优选的,任意两个所述天线的间距d满足d=(0.8λ~1λ)。
在这些实施例中,优选的,导航设备自身坐标系的三个轴与地面坐标系的三个轴平行,这样获取的相对方向的数据无需根据导航设备相对于地面坐标系的旋转进行换算。进一步的优选的,导航设备中天线自身坐标系的三个轴与导航设备自身坐标系的三个轴平行,这样获取的相对方向的数据无需根据天线在导航设备中的位置关系进行换算。
本领域技术人员应当理解,上述实施例中的导航设备中的各单元的功能可参照前述应用于导航设备的导航方法的相关描述理解。
基于同样的发明构思,本公开还提供一种基于超宽带导航的无人机。图14为本公开至少一个实施例提供的一种基于超宽带导航的无人机的示意性结构图。如图14所示,包括:
通信单元1401,用于与导航设备建立超宽带通信;
确定单元1402,用于根据所述超宽带通信中的超宽带信号确定所述无人机与所述导航设备之间的相对位置;
控制单元1403,用于根据所述相对位置使得所述无人机朝着靠近或远离所述导航设备方向运动。
其中,确定单元1402分别与通信单元1401、控制单元1403连接,设置在PCB(印刷电路板)上。所述确定单元1402例如可以是单片微型计算机(MCU),例如具体为单片微型计算机(MCU)中的ARM处理器,还可以是数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、中央处理器(CPU)等。所述通信单元1401例如具体可包括超宽带天线(简称天线)和射频芯片。所述控制单元1403例如具体为飞行控制***(flight control system),是指飞行器在飞行过程中,利用自动控制***,能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制的***。具体的,所述确定单元1402可以设置于所述飞行控制***中,也可独立于所述飞行控制***设置并与所述飞行控制***连接。
本公开实施例提供的无人机,可通过导航设备实现精准起飞、精准降落,数据精度不易受环境干扰。
可选的,在一些实施例中,所述的无人机,其中:所述相对位置,具体包括所述无人机与所述导航设备之间的相对方向,和/或,所述无人机与所述导航设备之间的相对距离;所述确定单元,具体用于根据所述超宽带通信中的超宽带信号确定所述相对方向和/或所述相对距离。
图15为本公开一些实施例提供的一种基于超宽带导航的无人机的示意性结构图。如图15,可选的,在一些实施例中,所述的无人机,还包括调整单元1404,其中:,所述通信单元1401,具体包括至少二个超宽带天线;所述确定单元1402,具体用于根据在所述超宽带通信中接收所述导航设备发送的所述超宽带信号确定至少一个相位差,并根据至少一个所述相位差确定所述相对方向;所述调整单元1404,具体用于调整所述无人机使所述相对方向满足运动角度条件,以使得所述无人机沿满足所述运动角度条件的所述相对方向朝所述导航设备运动。无人机中的至少二个超宽带天线(简称天线)的示意性结构可参考图3。所述调整单元1404调整所述无人机是指,调整无人机中的天线,或,调整固定设置有天线的无人机,使所述相对方向满足运动角度条件。当调整所述天线时,所述调整单元1404例如可以是电机;当调整所述无人机时,所述调整单元1404例如可以无人机中的飞行控制***,使无人机在偏航方向旋转。
可选的,在一些实施例中,所述的无人机,其中:所述通信单元1404,具体包括至少三个超宽带天线;所述确定单元1402,具体用于根据在所述超宽带通信中接收导航设备发送的超宽带信号的至少二个相位差,以及根据所述无人机的姿态确定所述相对方向。无人机中的至少三个超宽带天线(简称天线)的示意性结构可参考图5。
在这些实施例中,优选的,所述天线为圆极化天线。优选的,任意两个所述天线的间距d满足d=(0.8λ~1λ)。优选的,无人机自身的机体坐标系的三个轴与天线自身坐标系的三个轴平行,这样获取的相对方向的数据无需根据天线在无人机中的位置关系进行换算。
本领域技术人员应当理解,上述实施例中的无人机中的各单元的功能可参照前述应用于无人机的导航方法的相关描述理解。
基于同样的发明构思,本公开还提供一种基于超宽带的无人机导航***。在一些实施例中,所述无人机导航***包括:
一个导航设备和多个无人机;其中,所述导航设备与多个所述无人机建立超宽带通信;所述导航设备或所述无人机根据所述超宽带通信确定所述无人机与所述导航设备之间的相对方向和相对距离,所述无人机根据所述相对方向和所述相对距离朝着靠近或远离所述导航设备方向运动;
其中,确定所述相对方向具体包括:根据在所述超宽带通信中接收超宽带信号的至少二个相位差确定所述相对方向;
其中,当多个所述无人机分别确定所述相对方向时,具体包括:多个所述无人机根据在所述超宽带通信中分别接收超宽带信号的至少二个相位差以及多个无人机各自的姿态分别确定所述相对方向。
进一步的,可选的,所述无人机导航***还包括:当多个所述无人机分别确定所述相对方向时,其中,若所述导航设备发送第一个超宽带信号,则所述导航设备与所述无人机之间至少需要三个超宽带信号以确定所述相对方向和所述相对距离;若所述无人机发送第一个超宽带信号时,则所述导航设备与所述无人机之间至少需要二个超宽带信号以确定所述相对方向和所述相对距离。
本公开实施例提供的基于超宽带的无人机导航***,导航设备部署灵活,使用方便,可实现一个导航设备引导多个无人机精准的降落和起飞,精度可达厘米级,不同的无人机可在不同的位置降落。例如可分别指定多个无人机在导航设备附近预设的三维坐标点降落,例如例如设导航设备在地面坐标系中的位置为o地,设标识为AAAA的无人机在地面坐标系(60cm,90cm,0)处的降落点降落,标识为BBBB的无人机在地面坐标系(-90cm,90cm,0)处的降落点降落,分别确定的标识为AAAA的无人机、标识为BBBB的无人机各自在地面坐标系的实时坐标,并分别将所述两个无人机的各自的实时坐标与预设的降落点的坐标比较,直至两个无人机降落。
需要说明的是,本说明书实施例提供的导航设备、无人机、无人机导航***还用于执行本发明实施提供的导航方法中的其他步骤,这些步骤可根据本说明书实施例的内容直接地、毫无疑义地得出,在此不再赘述。
还需要说明的是,在本发明所提供的各个实施例中,应该理解到,所揭露的相关装置、模块和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述模块或单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能模块或功能单元可以集成在一个处理模块或处理单元中,也可以是各个模块或各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上模块或单元集成在一个模块或单元中。上述集成的模块或单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块或单元如果以软件功能模块或软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得计算机处理器执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁盘或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。