一种无人机的超声定位装置的制作方法

本实用新型属于多旋翼无人机领域，涉及无人机空间定位，尤其是一种用于输电线路巡视多旋翼无人机超声定位装置。

背景技术：

随着电网的规模逐步扩大，输电线路设备量迅速增加，传统的人工巡检已经不能满足需求，尤其是我国西部地区，山川河流众多，人工巡检工作量难度大，且巡视效率低。

近几年来，无人机智能巡检技术迅速发展，且其不受地形的影响，沿着输电线路巡视，大大的提高了巡视工作效率，且无人机可以携带不同先进机载设备，能够近距离观测输电线路杆塔，实现可见光、红外测温等多种功能，有效提高了巡检质量，但无人机仍然需要优秀的驾驶员进行操控，需要无人机在目测范围内，当地面环境复杂时，无人机精确定位显得更加重要。

目前，多旋翼无人机多采用GPS定位，但民用GPS定位总有5-10米的误差。实时动态测量技术RTK(Real Time Kinematic)可以提高定位进度，但在测量过程中，RTK仍然需要通过GPS对已知准确坐标的基准点进行定位，然后对无人机位置进行校准，在野外工作，已知位置的基准点常常难以实现，且RTK技术成本较高。且对输电线路巡视来说，并不需要知道无人机的确切位置，仅需准确测量无人机相对每根杆塔的准确位置即可。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种利用超声波阵列定位技术实现基于输电线路杆塔为基准的无人机定位的装置。能够准确测量无人机相对杆塔的准确位置，能够更好的为输电线路无人机自动测巡提供定位支撑。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：

一种无人机的超声定位装置，包括安装于输电线路杆塔上的超声波发射单元以及安装于无人机上的超声波接收定位单元，所述的超声波发射单元包括依次连接的正多面体的超声发射阵列、发射阵列控制器、太阳能电池板及蓄电池，所述的超声波接收定位单元包括依次连接的L形超声波接收阵列、超声波采集单元，信号处理及定位模块。

而且，所述的正多面体为正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体。

而且，所述的正多面体超声发射阵列为正四面体发射阵列，中心1个阵元，四个顶点各1阵元，共5阵元。

而且，所述的L形超声接收阵列为多个阵元超声接收传感器按L形排布，阵元间距近似为超声波发射单元发射超声波的半波长。

而且，所述的L形超声接收阵列为3阵元或5阵元或7阵元的超声接收传感器按L形排布。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型通过超声波发射阵列以及接收阵列的特殊设计，实现了不需要发射部分与接收定位部分之间的通信，发射部分每时每刻均在发射信号，安装于无人机上的接收部分仅靠接收信号就能完成定位，从而高效地实现了定位。

附图说明

图1是本系统的结构框图；

图2是本系统中正多面体超声发射阵列的示意图；

图3是本系统中L形超声波接收阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种无人机的超声定位装置，包括安装于输电线路杆塔上的超声波发射单元、安装于无人机上的超声波接收定位单元。

所述的安装于输电线路杆塔上的超声波发射单元，包括依次连接的正多面体的超声发射阵列、发射阵列控制器、太阳能电池板及蓄电池。上述器件通过架构安装在壳体上。

所述的正多面体超声发射阵列，可以为正四面体发射阵列，中心1个阵元，四个顶点各1阵元，共5阵元；正六面体发射阵列(9阵元)；正八面体、正十二面体、正二十面体，本发明以正四面体为例，如附图2；正多面体超声发射阵列能够发射用于产生一定频率的超声波。

所述的发射阵列控制器，包括单片机控制器，能够产生一定频率的正弦波信号，并以预定的时间间隔以及预定的顺序控制正多面体超声发射阵列发射超声波。

太阳能电池板及蓄电池能够自动储存电能，并为发射阵列控制器提供长期稳定的电源。

所述的安装架构及外壳等能够固定超声波发射单元各个部分，并将其稳定的安装于输电线路杆塔上。

所述的安装于无人机上的超声波接收定位单元，包括依次连接的L形超声波接收阵列以及超声波采集单元，信号处理及定位模块。

L形超声接收阵列，可以为3阵元、5阵元、7阵元等阵元的超声接收传感器按L形排布，阵元间距近似为超声波发射单元发射超声波的半波长，能够接收空间中的超声波。

所述超声波采集单元，能够采集L形超声接收阵列接收的超声波电信号并进行采样及数字化处理，并将的采集的电信号传给信号处理及定位模块。

信号处理及定位模块，能够检测接收超声波的频率，以确定发射阵列的中心阵元，能够根据固定的发射时延以及超声信号传输时延，确定各发射阵元相对于中心阵元的距离远近，能够利用空间谱估计算法对各发射阵元的到达方向进行估计，并根据发射阵列的形状特征，解算发射阵列中心阵元和L形接收阵列间的距离。并能够将定位信息传递给无人机等设备。

发射阵列控制器控制立体超声发射阵列按一定顺序发射出不同频率超声波，由L形超声波接收单元收到后，将信号进行处理，传递给信号处理及定位模块，并通过对每个发射源进行方向估计，并在多个发射源方向确定后，进行无人机相对输电线路杆塔的空间坐标的定位计算。

为了更好地理解本发明实现定位的原理，现结合具体的定位过程进行描述。

发射阵列控制器可以由51单片机加普通的信号放大芯片或者推挽放大电路组成(如MAX232芯片)，并将信号传递给L形超声发射阵列。

正多面体超声发射阵列如图2所示，共有5个发射探头，P1、P2、P3、P4、P5，P1位于正四面体的中心，P1阵元与其它阵元间距为50cm。P1发射频率为20kHz的超声信号，P2、P3、P4、P5发射频率为19kHz的超声信号，信号长度均为1ms，发射间隔为20ms，并持续不断的轮次向外发射超声信号。

L形超声接收阵列如图3所示，共有5个接收探头T1、T2、T3、T4、T5，探头间距为信号半波长，即0.5*v/f＝0.5*340m/s/20kHz＝0.85cm。L形接收阵列各阵元同时接收每个发射探头发射出的超声信号，并将其转换为电信号。

超声接收模块可由普通的信号采集卡(如采样率为1.33MHz的8通道采集卡)构成，对L形超声接收阵列采集到的电信号进行采样处理，获得一组数字化的超声阵列信号，并将超声阵列信号传递给信号处理及定位模块。

信号处理及定位模块主要由普通单片机处理机实现，(如常用的MSP430单片机)，首先，根据接收信号的频率，确定P1发射阵元；其次，根据接收信号的时延确定P2、P3、P4、P5与T1距离是否大于P1与T1距离；再次，对超声阵列接收的信号进行空间谱估计运算(如多重信号分类MUSIC算法，由于算法较成熟，本专利不再叙述)，获得P1及其它发射阵元的来波方向，计算P2、P3、P4、P5与P1的来波方向夹角，以及P1在无人机坐标系中的象限。

最后利用空间解算方法估计P1与超声接收阵列阵元T1间距离，最终获得P1的来波方向以及距离。实现无人机相对P1的准确定位。

进一步的空间结算方法如下：

假设P2、P3、P4、P5与P1的夹角为A、B、C、D，无人机接收阵列至5个发射阵元距离设为l1、l2、l3、l4、l5(未知)，并假设l2<l1，l3、l4、l5均>l1(根据信号到达时延可得)，则存在下式：

将(1)至(4)进行变换后得(l2<l1，l3、l4、l5均>l1)

因P2、P3、P4、P5位于正四面体的顶点，P1位于正四面体的中心，因此近似得到如下式

l2+l3+l4+l5＝4l1 (9)

将(9)式与(5)至(8)式联立，得到

在未确定l2、l3、l4、l5是否大于l1时，(10)

利用单片机对式(10)进行迭代法可以求解l1。

在未确定l2、l3、l4、l5是否大于l1的情况下，(10)式可以表达为

如l2>l1，则第一个±取-，否则取+，剩余三个同理。

最终获得P1的来波方向以及距离，实现无人机相对P1的准确定位，并据此确定输电线路杆塔相对于无人机的准确位置。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。