无人机自动导引降落相对位置测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种无人机自动导引降落相对位置测量装置及基于该装置的测量方法，能够解决现有技术易受到外界因素的影响致测量的准确性不高以及重量大、难以直接集成在无人机控制系统中的缺陷。装置包括：地面接收站、设置于地面参考点处的多个超声波声源、设置于无人机机体上参考点处的超声波传感器及设置于无人机机体上的处理模块；地面接收站与多个超声波声源连接，用于在无人机降落至预设位置范围内时，触发多个超声波声源按照预设的周期以预设的时间间隔依次发出超声波，超声波传感器与处理模块连接，用于接收多个超声波声源发出的超声波，将超声波传输至处理模块，处理模块，用于根据接收的超声波计算无人机中心位置相对目标降落点的位置坐标。
【专利说明】
无人机自动导引降落相对位置测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明设及无人机技术领域，具体设及一种无人机自动导引降落相对位置测量装 置及基于该装置的测量方法。
【背景技术】
[0002] 自动导引精确降落技术可自动给出无人机与导引点相对位置，在无人工干预的条 件下，使无人机自动精确飞向导引点，为无人机自主降落提供了重要的导引手段。目前通常 使用光电图像导引方式对地面合作目标进行图像识别分析，获得图像特征后与数据库中记 录的图像数据进行匹配，匹配符合目标特征确认为导引目标点。然后根据摄像头光路几何 参数与图像偏移像素误差计算目标视线角，获得机体与导引点相对位置，该机体与导引点 相对位置可W作为无人机自动降落的导引信息，从而指导无人机降落。
[0003] 但是，在实际应用过程中，因图像偏移像素误差的计算利用了摄像头采集的图像 数据，导致机体与导引点相对位置的计算易受到光线照度、烟雾、距离、镜头等因素的影响， 如不采用夜视手段，夜间效果难W保证;视频图像处理算法复杂，对处理器计算能力要求较 高，现有通用飞行控制计算机难W满足其运算要求，无法保证测量的准确性；同时此类光电 设备包含镜头、图像处理板卡，重量大，也难W直接集成在现有无人机控制系统中。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，提供一种无人机自动导引降落相对位置测量装置及基于该装 置的测量方法，能够解决现有技术易受到光线照度、烟雾、距离、镜头等因素的影响导致测 量的准确性不高W及重量大、难W直接集成在无人机控制系统中的缺陷。
[0005] 为此目的，一方面，本发明提出一种无人机自动导引降落相对位置测量装置，包 括：
[0006] 地面接收站、设置于地面参考点处的多个超声波声源、设置于无人机机体上参考 点处的超声波传感器W及设置于无人机机体上的处理模块;其中，所述地面参考点在目标 降落点周围分散排布，所述地面参考点的数量不少于4个，每个地面参考点处设置一个超声 波声源，
[0007] 所述地面接收站与所述多个超声波声源连接，用于在所述无人机降落至预设位置 范围内时，触发所述多个超声波声源按照预设的周期W预设的时间间隔依次发出超声波， [000引所述超声波传感器与处理模块连接，用于接收所述多个超声波声源发出的超声 波，将所述超声波传输至所述处理模块，
[0009] 所述处理模块，用于根据接收的超声波计算无人机中屯、位置相对所述目标降落点 的位置坐标。
[0010] 另一方面，本发明提出一种基于上述无人机自动导引降落相对位置测量装置的测 量方法，包括：
[0011] S1、所述地面接收站在所述无人机降落至预设位置范围内时，触发所述多个超声 波声源按照预设的周期w预设的时间间隔依次发出超声波；
[0012] S2、所述超声波传感器接收所述多个超声波声源发出的超声波，将所述超声波传 输至所述处理模块；
[0013] S3、所述处理模块根据接收的超声波计算无人机中屯、位置相对所述目标降落点的 位置坐标。
[0014] 本发明实施例所述的无人机自动导引降落相对位置测量装置及基于该装置的测 量方法，通过在地面参考点布设超声波声源，在无人机机体上布设超声波传感器，使超声波 传感器接收超声波声源发出的超声波，从而处理模块即可W利用超声测距计算无人机中屯、 位置相对所述目标降落点的位置坐标，此种计算方式计算复杂度较低，随时间增加其误差 可逐渐收敛，相较于受到外界影响的现有技术，本发明计算准确度较高；同时所需的传感器 价格低廉、重量轻、体积小，便于集成在无人机机体上，利于对现有无人机的改造升级，为全 自主起降控制提供了重要的支撑技术手段。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明一种无人机自动导引降落相对位置测量装置一实施例的结构示意 图；
[0016] 图2为无人机着陆示意图；
[0017] 图3为本发明一种基于无人机自动导引降落相对位置测量装置的测量方法一实施 例的流程示意图。
【具体实施方式】
[0018] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0019] 参看图1，本实施例公开一种无人机自动导引降落相对位置测量装置，包括：
[0020] 地面接收站1、设置于地面参考点处的多个超声波声源2、设置于无人机机体上参 考点处的超声波传感器3W及设置于无人机机体上的处理模块4;其中，所述地面参考点在 目标降落点周围分散排布，所述地面参考点的数量不少于4个，每个地面参考点处设置一个 超声波声源2，
[0021] 所述地面接收站1与所述多个超声波声源2连接，用于在所述无人机降落至预设位 置范围内时，触发所述多个超声波声源2按照预设的周期W预设的时间间隔依次发出超声 波，
[0022] 所述超声波传感器3与处理模块4连接，用于接收所述多个超声波声源2发出的超 声波，将所述超声波传输至所述处理模块4，
[0023] 所述处理模块4,用于根据接收的超声波计算无人机中屯、位置相对所述目标降落 点的位置坐标。
[0024] 本发明实施例中，超声波传感器可W采用对射式超声波传感器。多个超声波声源 按照预设的周期W预设的时间间隔依次发出超声波指的是在每一个发射周期内，所述多个 超声波声源按照预设的顺序间隔一定的时间依次发射超声波。比如，假定超声波声源的数 量为4个，分别为S1、S2、S3和S4,4个超声波声源发射超声波的顺序为S1、S2、S3和S4,超声波声 源发射超声波的初始时间点为10:00,预设的周期为Is,预设的时间间隔为looms,则从10: 00开始的每一秒，4个超声波声源按照S1、S2、S3和S4的顺序间隔100ms逐次发射超声波。处理 模炔基于同一时间基准，运样在一个发射周期内，前100ms接收到的超声波即为S1发射的， 第100ms到第200ms接收到的超声波即为S2发射的，第200ms到第300ms接收到的超声波即为 S3发射的，第300ms到第400ms接收到的超声波即为S4发射的。由此，处理模块即可知其接收 到的超声波的来源。
[0025] 本发明实施例所述的无人机自动导引降落相对位置测量装置，通过在地面参考点 布设超声波声源，在无人机机体上布设超声波传感器，使超声波传感器接收超声波声源发 出的超声波，从而处理模块即可W利用超声测距计算无人机中屯、位置相对所述目标降落点 的位置坐标，此种计算方式计算复杂度较低，随时间增加其误差可逐渐收敛，相较于受到外 界影响的现有技术，本发明计算准确度较高；同时所需的传感器价格低廉、重量轻、体积小， 便于集成在无人机机体上，利于对现有无人机的改造升级，为全自主起降控制提供了重要 的支撑技术手段。
[0026] 可选地，在本发明无人机自动导引降落相对位置测量装置的另一实施例中，所述 处理模块，具体用于：
[0027] 在每一个超声波接收周期，根据接收时间点计算每个超声波声源发出的超声波的 传播时间；
[0028] 根据每个超声波声源发出的超声波的传播时间计算对应的地面参考点与无人机 机体上参考点的距离；
[0029] 根据每个地面参考点与无人机机体上参考点的距离计算对应的地面参考点与无 人机中屯、位置的距离；
[0030] 根据每个地面参考点与无人机中屯、位置的距离计算无人机中屯、位置相对所述目 标降落点的位置坐标。
[0031] 本发明实施例中，因处理模块记录有超声波声源发射超声波的起始时间点，则其 接收到超声波的时间点减去前述起始时间点即为对应的超声波的传播时间。超声波的传播 时间与超声波的传播速度的乘积即为超声波传感器与对应超声波声源之间的距离。因超声 波传感器与无人机中屯、的相对位置固定，则根据超声波传感器与超声波声源之间的距离， W及超声波传感器与无人机中屯、的相对位置关系即可计算出无人机中屯、位置与超声波声 源之间的距离。再计算出无人机中屯、位置与超声波声源之间的距离后可通过构造超定方程 组，并利用最小二乘法进行求解得到无人机中屯、位置相对目标降落点的位置坐标。举例来 说，参看图2,地面参考点P1、P2、P3和P4处分别设置一超声波声源S1、S2、S3和S4，P为无人机中 屯、位置，假定超声波声源S1、S2、S3和S4与无人机中屯、位置P之间的距离已按前述方法计算出 来，分别为h、l2、l3和14。则可建立W目标降落点为原点0的坐标系，并建立如下的非线性超 定方程组：
[0032]
[003；3]其中，X1、X2、X3和X4分别为P1、P2、P3和P4的横坐标，yi、y2、y3和y4分别为P1、P2、P3和P4 的纵坐标，Z1、Z2、Z3和Z4分别为P1、P2、P3和P庙Z轴方向上的坐标，（X，y，Z)为无人机中屯、位置 P的坐标。
[0034] 采用最小二乘法解该非线性超定方程组，可获得机体中屯、位置P相对着陆点的相 对位置坐标，即（X，y，z)。该实时位置坐标可W作为无人机自主降落的导引信息指导无人机 自主降落。
[0035] 需要说明的是，在建立坐标系时，也可W不W目标降落点为原点，此时无人机中屯、 位置P相对目标降落点的位置坐标为(χ-χ日，y-y日，z-z日），其中，（x日，y日，z日)为目标降落点的坐 标。
[0036] 当地面参考点的数量为多于4个时，在构造超定方程组后，仍然可W采用最小二乘 法进行求解，得到无人机中屯、位置的坐标。
[0037] 本发明实施例中，W多个参考点与无人机中屯、位置的相对距离构造超定方程，通 过最小二乘解组获得无人机机体位置的最优估计，计算结果准确度较高，从而有助于利用 本实施例的无人机自主降落技术提高无人机自主降落过程的导引精度。
[0038] 可选地，在本发明无人机自动导引降落相对位置测量装置的另一实施例中，所述 预设的时间间隔为100ms。
[0039] 本发明实施例中，多个超声波声源发射超声波的时间间隔可W根据需要设置，本 发明对此不做限定。
[0040] 可选地，在本发明无人机自动导引降落相对位置测量装置的另一实施例中，所述 地面参考点的数量为4个。
[0041] 参看图3,本实施例公开一种基于前述实施例所述的无人机自动导引降落相对位 置测量装置的测量方法，包括：
[0042] S1、所述地面接收站在所述无人机降落至预设位置范围内时，触发所述多个超声 波声源按照预设的周期W预设的时间间隔依次发出超声波；
[0043] S2、所述超声波传感器接收所述多个超声波声源发出的超声波，将所述超声波传 输至所述处理模块；
[0044] S3、所述处理模块根据接收的超声波计算无人机中屯、位置相对所述目标降落点的 位置坐标。
[0045] 本发明实施例所述的测量方法，通过在地面参考点布设超声波声源，在无人机机 体上布设超声波传感器，使超声波传感器接收超声波声源发出的超声波，从而处理模块即 可W利用超声测距计算无人机中屯、位置相对所述目标降落点的位置坐标，此种计算方式计 算复杂度较低，随时间增加其误差可逐渐收敛，相较于受到外界影响的现有技术，本发明计 算准确度较高；同时所需的传感器价格低廉、重量轻、体积小，便于集成在无人机机体上，利 于对现有无人机的改造升级，为全自主起降控制提供了重要的支撑技术手段。
[0046] 可选地，在本发明测量方法的另一实施例中，所述S3,包括：
[0047] 在每一个超声波接收周期，根据接收时间点计算每个超声波声源发出的超声波的 传播时间；
[0048] 根据每个超声波声源发出的超声波的传播时间计算对应的地面参考点与无人机 机体上参考点的距离；
[0049] 根据每个地面参考点与无人机机体上参考点的距离计算对应的地面参考点与无 人机中屯、位置的距离；
[0050] 根据每个地面参考点与无人机中屯、位置的距离计算无人机中屯、位置相对所述目 标降落点的位置坐标。
[0051] 本发明实施例中，W多个参考点与无人机中屯、位置的相对距离构造超定方程，通 过最小二乘解组获得无人机机体位置的最优估计，计算结果准确度较高，从而有助于利用 本实施例的无人机自主降落技术提高无人机自主降落过程的导引精度。
[0052] 可选地，在本发明测量方法的另一实施例中，所述预设的时间间隔为100ms。
[0053] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可W在不脱离本发 明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，运样的修改和变型均落入由所附权利要求 所限定的范围之内。
【主权项】
1. 一种无人机自动导引降落相对位置测量装置，其特征在于，包括： 地面接收站、设置于地面参考点处的多个超声波声源、设置于无人机机体上参考点处 的超声波传感器以及设置于无人机机体上的处理模块;其中，所述地面参考点在目标降落 点周围分散排布，所述地面参考点的数量不少于4个，每个地面参考点处设置一个超声波声 源， 所述地面接收站与所述多个超声波声源连接，用于在所述无人机降落至预设位置范围 内时，触发所述多个超声波声源按照预设的周期以预设的时间间隔依次发出超声波， 所述超声波传感器与处理模块连接，用于接收所述多个超声波声源发出的超声波，将 所述超声波传输至所述处理模块， 所述处理模块，用于根据接收的超声波计算无人机中心位置相对所述目标降落点的位 置坐标。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理模块，具体用于： 在每一个超声波接收周期，根据接收时间点计算每个超声波声源发出的超声波的传播 时间； 根据每个超声波声源发出的超声波的传播时间计算对应的地面参考点与无人机机体 上参考点的距离； 根据每个地面参考点与无人机机体上参考点的距离计算对应的地面参考点与无人机 中心位置的距离； 根据每个地面参考点与无人机中心位置的距离计算无人机中心位置相对所述目标降 落点的位置坐标。3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设的时间间隔为100ms。4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述地面参考点的数量为4个。5. -种基于权利要求1至4任一项所述的无人机自动导引降落相对位置测量装置的测 量方法，其特征在于，包括： 51、 所述地面接收站在所述无人机降落至预设位置范围内时，触发所述多个超声波声 源按照预设的周期以预设的时间间隔依次发出超声波； 52、 所述超声波传感器接收所述多个超声波声源发出的超声波，将所述超声波传输至 所述处理模块； 53、 所述处理模块根据接收的超声波计算无人机中心位置相对所述目标降落点的位置 坐标。6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S3，包括： 在每一个超声波接收周期，根据接收时间点计算每个超声波声源发出的超声波的传播 时间； 根据每个超声波声源发出的超声波的传播时间计算对应的地面参考点与无人机机体 上参考点的距离； 根据每个地面参考点与无人机机体上参考点的距离计算对应的地面参考点与无人机 中心位置的距离； 根据每个地面参考点与无人机中心位置的距离计算无人机中心位置相对所述目标降 落点的位置坐标。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设的时间间隔为100ms。
【文档编号】G01S5/18GK105824011SQ201610327162
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】徐旻, 陈立平, 唐青, 徐刚, 张瑞瑞, 侯佳健, 伊铜川, 姜洪亮
【申请人】北京农业智能装备技术研究中心