一种基于惯性姿态与超声波测距的三维定位方法及装置的制造方法
【专利说明】一种基于惯性姿态与超声波测距的三维定位方法及装置
[0001]本发明涉及一种三维定位技术，特别涉及一种基于惯性姿态与超声波测距的三维定位方法及装置。
【背景技术】
[0002]在导航定位技术中，室外一般采用卫星导航技术，该技术被广泛应用，带给我们日常生活很大的便利，但是该技术只能应用在室外露天的地方，而且精度在米级，有许多局限性;我们再看室内定内，有wif 1、蓝牙及红外线定位技术，这些定位技术定位精度也在米级或分米级，而且一般情况下都需要事先布设多个信标;而超声波测距则相对上述测距技术而言精度较高，网上有查到公开申请号为201310492699.3、201510590604.0的两个专利文件，这两个公开技术均采用了超声波，但无一例外地，均要在场地上事先布设多个数量及指定方位的信标装置，其中前者专利文件也采用了惯性技术，但该技术采用的是惯性积分定位，不同于本技术所述的惯性姿态;室内定位目前还有最热门的光流定位，但定位结果依赖光线强度及地面纹理，可靠性不高，例如无人机主流机型大疆精灵3，网上的公开测评就有此缺点报道;据此，目前的定位技术要么是定位精度不高，要么是要事先布设多个信标不方便，要么是对环境的选择性太强。
【发明内容】
[0003]鉴于上述原因，本发明提供了一种新的定位技术，内容如下:
一种基于惯性姿态与超声波测距的三维定位装置，包括定位参照模块与待定位目标模块。
[0004]定位参照模块包括:
第一无线单元，能够与待定位目标模块进行无线通讯，收发管理控制指令与状态信息； 超声波发射单元，根据第一无线单元的指令，发送超声波信号。
[0005]待定位目标模块包括:惯性测量单元、第二无线单元、三个超声波接收单元及微处理器单元。
[0006]惯性测量单元包括陀螺仪传感器、加速度传感器，能够用来测算待定位目标模块的姿态信息，包括横滚角、俯仰角、方位角。
[0007]第二无线单元能够与定位参照模块进行无线通讯。
[0008]超声波接收单元能够接收定位参照模块发出的超声波信号。
[0009]微处理器单元管理控制其它单元与模块，具有以下功能:
(I)利用无线收发信号同步，计算超声波发与收的间隔时间，计算定位参照模块至待定位目标模块上每个超声波接收单元的距离。
[0010](2)利用定位参照模块至待定位目标模块上三个超声波接收单元的距离值，以及三个超声波接收单元之间的固定距离值，还有待定位目标模块的姿态值，计算获得待定位目标模块相对于原点为定位参照模块的大地三维坐标值。
[0011 ]可选地，所述惯性测量单元还包括三轴磁传感器，用来校正姿态值中的方位角至地磁方位角。
[0012]优选方案是，所述三个超声波接收单元被分配在待定位目标模块上尽可能彼此距离远的位置。
[0013]可选地，所述待定位目标模块上面还安装第四个超声波接收单元，且不安装在前述三个接收单元所形成的平面上，该单元与定位参照模块的距离用来与前述三个距离值比较，用来计算定位参照模块是位于前述三个接收单元所形成的平面的上部还是下部。
[0014]可选地，所述待定位目标模块上面还另外安装有至少一个超声波接收单元，该超声波单元测量值用来替换或校正其它超声波接收单元的测量值。
[0015]可选地，所述定位参照模块上面安装有电池;所述定位参照模块与待定位目标模块之间有软性电源线连接，定位参照模块通过该电源线向待定位目标模块输送电力;所述待定位目标模块上还安装有旋翼飞行器设备。
[0016]可选地，所述待定位目标模块安装有旋翼飞行器设备，该设备包括电调、电机、螺旋桨，且不少于四套;所述待定位目标模块上安装有相机，该相机可以被遥控指令所操作。
[0017]一种基于惯性姿态和超声波测距的三维定位方法，包括如下步骤:
获取定位参照模块至待定位目标模块上三个超声波接收单元的距离值；
获取待定位目标模块上惯性单元的姿态值，该姿态值包括横滚角、俯仰角、方位角；利用定位参照模块至待定位目标模块上三个超声波接收单元的距离值，以及三个超声波接收单元之间的固定距离值，还有待定位目标模块的姿态值，计算获得待定位目标模块相对于原点为定位参照模块的大地三维坐标值。
[0018]可选的方法，获取待定位目标模块上三轴磁传感器测量值，校正所述姿态值中的方位角至地磁方位角。
[0019]可选的方法，获取第四个超声波接收单元与定位参照模块的距离值，根据该距离值与前三个超声波距离值比较，来判断定位参照模块是位于前三个超声波接收点所形成平面的上部或下部。
[0020]可选的方法，至少再获取一个超声波接收单元与定位参照模块的距离值，该超声波距离值，用来替换或校正其它超声波距离值。
[0021 ]本发明的定位技术，除待定位目标模块外，只有一个定位参照模块，该模块可以设计得非常容易携带与放置;本技术应用超声波测距及惯性姿态，计算得到的三维定位结果，可以达到厘米级的定位效果;本技术中，极少需要到其它环境配合应用，基本可以做到全天候全地域的应用。
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例的四轴飞行器定位示意图。
[0023]图2是本发明实施例的四轴飞行器增强定位示意图。
[0024]图3是本发明的定位坐标旋转示意图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施作详细的说明。
[0026]本实施方案为一个四轴无人飞行器方案。
[0027]其中定位参照模块实施为一个定位控制器，包括超声波发射单元，无线收发单元和电池单元，其中无线收发单元一旦接收到同步信号即驱动超声波发射单元发射超声波信号，这个定位控制器我们可以拿在手上，也可随手放在地面，也可放在前进的车辆上，只要让控制器的超声波发射方向为待控制的四轴飞行器即可，便携性极强。
[0028]其中待定位目标模块此次实施为一个四轴飞行器。
[0029]四轴飞行器的四个角上均安装超声波接收单元，该四个接收单元在同一个水平面上，由于四轴飞行器本身阻挡超声波信号传送，所以可能会有一个超声波单元接收信号严重失真，但最终定位计算可以只需用到三个信号。
[0030]四轴飞行器安装有惯性器件，本实施中使用mpu9150芯片，该芯片集三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器、三轴磁传感器于一体，由该芯片技术参数可知，该传感器芯片可以直接输出四轴飞行器的姿态信息;为便于计算，安装所述芯片中三轴的X轴、Y轴均与四轴的对角线平行。
[0031 ]四轴飞行器上还安装有无线单元，用来与定位控制器进行无线通讯。
[0032]四轴飞行器还安装有电池，用来向四轴提供飞行电力。
[0033]四轴飞行器还安装有微处理器，管理控制飞行器上其它器件，具有如下功能:
通过四轴飞行器上的无线单元，传递同步信号到定位控制器，启动超声波发射。
[0034]计算同步信号发出后，四轴上每个超声波接收单元收到信号的时延，进而计算出四轴定位控制器到四轴飞行器上每个超声波接收单元的距离值。