一种高可靠性的实现室内四轴飞行器定位的装置的制作方法

本实用新型涉及一种定位装置，具体来说，涉及一种高可靠性的实现室内四轴飞行器定位的装置。

背景技术：

超宽带技术由于其可达到厘米级的高精度定位特性，在四轴飞行器室内定位技术中越来越多的被重视。但超宽带技术本质上是采用冲激脉冲作为信息载体的无线电技术，在非视距情况下往往会发生散射和漫射，而在被墙阻挡的情况下测距误差尤其严重。另外一种情况就是部分基站与标签通讯失败导致的测距解算错误。这两种情况在实际应用中往往无法避免，而这两种情况下的精度都无法得到保障。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服超宽带现有技术中存在的上述不足，而提一种高可靠性的实现室内四轴飞行器定位的装置，该装置结构紧凑，可实现室内四轴飞行器定位。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例采用的技术方案是：

一种高可靠性的实现室内四轴飞行器定位的装置，所述装置包括飞行器、上位机和四个基站；其中，所述每个基站包括第一主控芯片、第一超宽带模块和第一通讯模块，第一主控芯片分别与第一超宽带模块和第一通讯模块连接；所述飞行器包括本体，以及连接在本体上的第二主控芯片、第二超宽带模块、第二通讯模块和九轴传感器，第二主控芯片分别与第二超宽带模块、第二通讯模块和九轴传感器连接；所述每个基站通过第一通讯模块和上位机连接；飞行器通过第二通讯模块和上位机连接。

作为优选例，所述第一超宽带模块和第二超宽带模块均采用DW1000超宽带模块。

作为优选例，所述第一主控芯片和第二主控芯片均采用ST公司的型号为STM32F405RGT6芯片；

作为优选例，所述第一通讯模块和第二通讯模块均采用型号为nRF24L01的通讯模块。

作为优选例，所述每个基站中，第一超宽带模块用于记录基站发送数据帧时的时间戳和基站接收到数据帧时的时间戳，并将所述时间戳传送到第一主控芯片中；第一主控芯片根据所述时间戳，计算所述基站与飞行器的距离值，并将所述距离值通过第一通讯模块传送到上位机中。

作为优选例，所述飞行器中，第二超宽带模块用于记录接收到数据帧时的时间戳和发送数据帧时的时间戳，时间戳随数据帧发送到基站；九轴传感器用于测量飞行器的飞行加速度和方向，并将所述飞行加速度和方向传送到第二主控芯片中；第二主控芯片根据所述飞行加速度和方向，计算飞行器的位置偏移值，并将所述位置偏移值通过第二通讯模块传送到上位机中。

作为优选例，所述上位机根据四个基站传送的四个距离值和飞行器传送的位置偏移值，计算飞行器的三维空间坐标。

本实用新型的有益效果是：该实施例的装置结构紧凑，可以实现室内四轴飞行器定位的精度。本实施例的装置包括飞行器、上位机和四个基站。每个基站包括第一主控芯片、第一超宽带模块和第一通讯模块，第一主控芯片分别与第一超宽带模块和第一通讯模块连接。飞行器包括本体，以及连接在本体上的第二主控芯片、第二超宽带模块、第二通讯模块和九轴传感器，第二主控芯片分别与第二超宽带模块、第二通讯模块和九轴传感器连接。每个基站通过第一通讯模块和上位机连接；飞行器通过第二通讯模块和上位机连接。整个装置结构紧凑。通过设置九轴传感器作为辅助定位，有效的提高了定位精度。在动态测距过程中，标签与基站之间无法避免会被障碍物阻挡，而这会严重影响测量精度，加入九轴传感器辅助定位，会在有障碍物的情况下采取辅助测距方案，有效提高测量精度。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中标签的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中基站的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型实施例的一种高可靠性的实现室内四轴飞行器定位的装置，包括飞行器、上位机和四个基站。所述每个基站包括第一主控芯片、第一超宽带模块和第一通讯模块，第一主控芯片分别与第一超宽带模块和第一通讯模块连接。所述飞行器包括本体，以及连接在本体上的第二主控芯片、第二超宽带模块、第二通讯模块和九轴传感器，第二主控芯片分别与第二超宽带模块、第二通讯模块和九轴传感器连接。所述每个基站通过第一通讯模块和上位机连接；飞行器通过第二通讯模块和上位机连接。

上述实施例的装置中，作为优选，第一超宽带模块和第二超宽带模块均采用DW1000超宽带模块。第一主控芯片和第二主控芯片均采用ST(意法半导体)公司的型号为STM32F405RGT6芯片。第一通讯模块和第二通讯模块均采用型号为nRF24L01的通讯模块。

上述实施例的装置中，每个基站中，第一超宽带模块用于记录基站发送数据帧时的时间戳和基站接收到数据帧时的时间戳，并将所述时间戳传送到第一主控芯片中。DW1000超宽带模块中带有测量子模块，用于测量飞行器到所述基站的时间戳。同时，DW1000超宽带模块中带有通信子模块，用于将所述时间戳传送到第一主控芯片中。第一主控芯片根据所述时间戳，计算所述基站与飞行器的距离值，并将所述距离值通过第一通讯模块传送到上位机中。STM32F405RGT6芯片中带有计算子模块，用于计算所述基站与飞行器的距离值。

上述实施例的装置中，飞行器中的第二超宽带模块用于记录接收到数据帧时的时间戳和发送数据帧时的时间戳，时间戳随数据帧发送到基站；

上述实施例的装置中，九轴传感器用于测量飞行器的飞行加速度和方向，并将所述飞行加速度和方向传送到第二主控芯片中。九轴传感器中带有测量子模块，用于测量飞行器的飞行加速度和方向。九轴传感器中还带有通信子模块，用于将所述飞行加速度和方向传送到第二主控芯片中。

上述实施例的装置中，第二主控芯片根据所述飞行加速度，计算飞行器的位置偏移值，并将所述位置偏移值通过第二通讯模块传送到上位机中。飞行器的位置偏移值是指飞行器在xyz坐标系中的位置偏移值。如图所示，xyz坐标系以基站1为原点，基站1和基站3连线为X轴，基站1和基站2连线为Y轴，垂直地平面的为Z轴，X轴垂直Y轴。第二主控芯片中带有计算子模块，用于计算飞行器的位置偏移值。

上述实施例的装置中，上位机根据四个基站传送的四个距离值和飞行器传送的位置偏移值，计算飞行器的三维空间坐标。上位机中带有计算子模块，用于计算飞行器的三维空间坐标。

本实施例的装置计算飞行器在室内的距离的过程为：

步骤1：飞行器中包含第二超宽带模块作为标签，室内等高地面安装四个第一超宽带模块作为基站，该标签与四个基站使用IEEE802.15.4通信协议进行通信，分别测出该标签与四个基站的距离，如果通讯失败距离值就是0，然后基站用nRF24L01把距离值传到上位机；

步骤2：上位机根据测出的距离与四个基站的安装位置，初步解算出飞行器的三维坐标；

步骤3：由标签上的九轴传感器计算出标签本身在参考坐标系相对位移值，然后用nRF24L01传到上位机；

步骤4：上位机将步骤2、步骤3得到的数据进行最后的位置解算，得到更精确的标签坐标。

九轴传感器作为辅助定位，有效的提高了定位精度。在动态测距过程中，标签与基站之间无法避免会被障碍物阻挡，或者意外情况下基站和标签通讯失败无法测距。这些都会严重影响测量。加入九轴传感器辅助定位，会在有障碍物的情况和基站与标签通讯失败情况下，采取辅助测距方案，实现有效测量。

下面例举一实施例。

本实施例的一种四轴飞行器的总体结构如附图1所示，包括：标签1、4个基站2、笔记本电脑3。标签1位于飞行器中。

标签1的基本结构如附图2所示。标签1中的PCB硬件电路板上包含四个模块:第二主控芯片1-1、第二超宽带模块1-2、九轴传感器1-3、第二通信模块1-4。第二主控芯片1-1负责运算处理。第二超宽带芯片1-2采用DW1000，与基站上的第一超宽带芯片进行通信，负责记录位置计算需要的时间戳；九轴传感器1-3采用型号为MPU9250，其记录标签自身x轴、y轴、z轴加速度变化情况并由第二主控芯片计算出X轴、Y轴、Z轴在特定时间间隔的相对位移值；第二通信模块1-4是无线数传模块nRF24L01，其将标签运动相对位移值直接传到上位机。

基站2的基本结构如附图3所示，其PCB硬件电路板上主要包含三个模块：第一主控芯片2-1、第一超宽带芯片2-2、第一通信模块2-3。第一主控芯片2-1负责计算本基站与标签的距离值；第一超宽带芯片2-2采用DW1000，其与标签上的DW1000通信，记录位置计算需要的时间戳；第一通信模块2-3采用nRF24L01，其向上位机传递本基站计算出的距离值。

本实施例提供的装置进行室内定位方法，过程如下：

第一步：在地面建立参考坐标系，四个基站在同一水平面上，四个基站坐标为P1(x₁,y₁,z₁)，P2(x₂,y₂,z₂)，P3(x₃,y₃,z₃)，P4(x₄,y₄,z₄)，标签坐标设为X(x,y,z)。用TOA双程测距算法算出四个基站与标签的距离值d1，d2，d3，d4。

第二步：每个基站通过模块nRF24L01发送距离值到上位机。

第三步：利用MPU9250计算出标签在参考坐标系的X轴、Y轴、Z轴三个轴向上的距离偏移值。

第三步的计算原理是：初始时v_x0＝v_y0＝v_z0＝0，v_x0、v_y0、v_z0表示标签在刚上电且静止时初速度在X、Y、Z轴上的分量。设v_x、v_y、v_z为标签在测距状态中速度在X、Y、Z轴上的分量。同理通过对加速度分量a_x，a_y，a_z的积分求出v_x、v_y、v_z。而a_x，a_y，a_z是传感器MPU9250里面的加速度传感器测到的原始三轴加速度投影到X、Y、Z轴而得。t₁表示前一次计算标签坐标为时刻，t₂表示后一次计算标签坐标为时刻。

然后对轴向上的速度进行特定时间积分一次，得X、Y、Z轴上的距离偏移值s_x、s_y、s_z，记为S(sx sy sz)

第四步：使用nRF24L01传送三轴距离偏移值到上位机。

第五步：在上位机上使用现有的LabVIEW图形化编程方法，计算出标签坐标。

具体来说，第五步中，利用三边测距原理解算标签坐标X(x,y,z)。每次利用三边测距原理计算标签坐标时间间隔为t₂-t₁。记前一次计算标签坐标为时刻t₁，后一次计算标签坐标为时刻t₂。前一次计算标签坐标为X₁(x₁,y₁,z₁)，后一次计算标签坐标为X₂(x₂,y₂,z₂)。记两次坐标之间距离为d＝而标签中MPU9250测得的距离偏移值为如果d₁<1.5d,则本次计算坐标还是X₂；如果d₁>1.5d，则本次计算坐标为X₂＝X₁+S。在下一轮计算中，令本轮计算出的X₂作为下一轮计算中的X₁，再循环计算标签坐标。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。