一种基于无人机的自驾游控制系统及方法与流程

本发明属于测距导航应用和无人机技术领域，尤其涉及一种基于无人机的自驾游控制系统及方法。

背景技术：

长期以来我国对于无人机的导航控制都是基于美国的gps系统，现如今随着北斗应用技术的普及，利用北斗系统实现无人机的高精度自主起降将成为必然。从国内现有的无人机技术来看，自动起飞、定高飞行、按线巡航、自动返航等技术已相当成熟，唯独在高精度无人机自主起降方面依旧还是空白。现有的自主起降方案主要利用计算机视觉技术，利用摄像头进行双目运算或单目运算，然后经由主机进行图像特征处理，使得无人机能够自主降落。但该方案，由于视觉与图像技术比较复杂，计算量大，成本高，在自主起降的实现上还有很大局限性与不稳定性。同时，在恶劣天气的情况下，比如大雾或者沙尘天气，摄像头搜集的图像会很模糊从而影响自主降落整体的精度。同时现有无人机进行航拍任务时，主要是用户遥控无人机，无人机必须在视线范围以内，以致在进行高空作业及危险地区拍摄时风险很大，因为此时用户可能已经无法看清无人机的运动轨迹，所以无人机可能会撞上一些障碍物对其造成永久损害。

自驾游途中，路线规划和自由度尤为重要。而现在，一般人驾车出行，都是通过车载gps导航进行路线规划，该方法的缺陷在于gps导航只是单一的利用卫星导航系统为车主提供导航服务，无法为车主提供突发情况下的道路侦察服务。通常来讲，自驾游活动的特点是路程远、伴行少、危险多，在车主遇到突发事件的情况下(例如前方出现拥堵性车祸、道路情况复杂无法判断前方是否能够通行、在人迹稀少通信信号差地带发生车辆故障等等)，普通gps车载导航系统就显得无能为力，而此种突发事件如果处理不当贸然前行，往往会给车主会耗费车主大量宝贵的旅行时间，甚至有可能造成不可估量的经济损失甚至人身伤害。衡量自驾游出行是否舒适的另一项重要指标便是自由度，通常来讲，自驾游车主对自由度的需求极高，原因在于两方面：一是自驾游车主普遍经济条件良好，喜欢伴行少、不拘束的旅行方式；二是欣赏自驾游途中的景色往往占据旅行途中的大部分时间，再加上车主开车时需要注意力集中，不能过于分散精力在沿途美景，所以导致有时候最精彩的景色往往抓拍不到。

综上所述，现有技术存在的问题是：应对自驾游中的突发事件能力差，不能解决车主的安全问题。自驾游途中自由度低，大量沿途美景无法捕捉。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无人机的自驾游控制系统。

本发明是这样实现的，一种基于无人机的自驾游控制系统，所述基于无人机的自驾游控制系统包括：用户终端、车顶起降平台、无人机终端。

其中，三者的连接关系是，三个终端通过其各自搭载的433m无线通信模块建立连接。

用户终端的功能是用户能够对无人机的状态进行控制与监控。例如：用户通过用户终端对无人机发送命令，使其能够起飞，返航，自主取景，一键精准降落，同时用户可通过用户终端界面监控到无人机的坐标位置以及飞行状态，同时用户终端允许用户对无人机的飞行状态进行手动操作，从而避免紧急情况的发生或者使得用户能够对无人机进行自由操控。

车顶起降平台的功能：1.为无人机提供降落平台。2.为无人机降落后提供充电场所。3.提供定位信息。

无人机终端的功能：1.执行根据用户指令的自主取景任务或者手动取景任务。2.执行根据用户指令的起飞，飞行到目标点，飞行状态手动操控，返航，精准降落任务。

进一步，所述用户终端包括：人机交互界面、控制模块、通信模块。其中，三者的连接关系：人机交互界面和通信模块均与控制模块物理连接并受其控制。具体连接方式为用户对人机交互界面进行互动从而使得控制模块产生相应指令编码，这些指令编码再通过通信模块无线传输到无人机终端从而达到用户控制无人机的效果。

人机交互界面的功能是1.用户能够通过与该界面互动对控制模块下达相应指令使控制模块能够产生相应的指令编码。2.显示无人机飞行的具体状态，坐标使用户能够对无人机进行监控。

控制模块的功能是：根据用户与交互界面的互动产生各种指令编码，使无人机完成相应任务。

通信模块的功能是：1.将控制模块产生的指令无线传输至无人机与车顶起降平台。2.接受由无人机终端传输过来的图片信息，本身的坐标信息，飞行状态信息。3.接受由车顶起降平台传输来的信息。

进一步，所述车顶起降平台包括：供电模块、通信模块、北斗导航模块、超宽带定位模块接收端。其中，四者的具体连接关系为超宽带定位模块接收端与北斗导航模块与通信模块连接，将分别接受到的位置信息传输给通信模块，而供电模块则为独立模块，负责为降落的无人机以及车顶降落平台其他模块供电。

供电模块的功能：为降落的无人机以及车顶降落平其他模块供电。

通信模块的功能：1.与无人机终端相互通信。2.与用户终端进行相互通信。北斗导航模块的功能：实现北斗导航，对无人机进行粗略的定位与导航。

超宽带定位模块接收端的功能：1.构成本地导航坐标系。2.获取本地导航坐标系中x轴与地磁北向的夹角。3.接受由该模块发射端发出的测距信息。4.获取无人机与该模块接收端中三雷达的实时距离。

进一步，所述无人机终端包括：主控制器、通信模块、超宽带定位模块发射端。四者连接关系为通信模块和超宽带定位模块发射端分别与主控制器连接。具体连接方式：主控制器收集来自通信模块的信息，同时并产生某些信息通过通信模块发射出去，同时控制超宽带定位发射模块发射端发射测距信息。

主控制器功能：1.分析并计算由通信模块接受到的北斗定位信息以及超宽带定位模块传输而来的测角测距信息。2.根据用户命令来执行无人机的各种功能。3.向超宽带定位模块发射端发送一系列命令，控制其向外发射测距射频信号。

通信模块功能：1.与车顶起降平台通信模块通信。2.与用户终端通信模块通信。

超宽带定位模块发射端的功能：不断向周围发射测距射频信息。精准定位技术的核心是超宽带定位系统，该系统由发射端和接收端两部分构成。发射端位于飞机上，主体是一个标签雷达，该雷达在使能后可不断向外发出测距射频信号。接收端位于车顶平台上，包括三个相互正交的雷达基站和一个电子罗盘，正交的三个雷达构成了一个确定的本地导航坐标系，电子罗盘的作用是获取本地导航坐标系中x轴与地磁北向的夹角，从而确定了本地导航坐标系与飞机所在的东北天坐标系之间的变换矩阵，再结合标签雷达与三个基站雷达之间的实时距离，用户终端能解算出飞机在本地导航坐标系中的实时坐标，最后将坐标转化为无人机与车顶之间的相对位移量指令通过无线透传发送给无人机，从而实现精准降落。

本发明的另一目的在于提供一种所述基于无人机的自驾游控制系统的基于无人机的自驾游控制方法，所述基于无人机的自驾游控制方法包括以下步骤：

步骤一，用户确定好取景位置后下达命令，由北斗导航模块通过无线透传将景点的地理坐标发送给无人机，无人机将执行自主取景任务；在该过程中信号详细的处理过程：由北斗定位模块直接采集到的地理坐标为国际通用的度分格式，不能直接为无人机所利用，需要先将其转换成精确到小数点后第八位的弧度制表示形式。以西安钟楼为例，其地理坐标为北纬34°15.66’，东经108°56.54’，按上述函数转换后得到其弧度制坐标：北纬0.597967255，东经1.901402411。而自主取景任务是作者基于大疆api库开发出的一种高级寻址任务，只需要输入景点的地理坐标(经度、纬度、高度)，无人机便可自动飞向目标并完成拍照任务，本任务亦支持多目标点模式，无人机会按照目标的编号依次拍照传回到用户端。

步骤二，取景后用户可下达一键返航命令，无人机会根据接收到的车辆地理坐标飞回至车辆附近；该过程的信号处理也主要是利用北斗模块，与步骤一中北斗定位模块的信号处理过程相似。

步骤三，当无人机抵达车顶10m半径范围内时将自动启用精准定位，确定了本地导航坐标系与飞机所在的东北天坐标系之间的变换矩阵，再结合标签雷达与三个基站雷达之间的实时距离，用户终端能解算出飞机在本地导航坐标系中的实时坐标，最后将坐标转化为无人机与车顶之间的相对位移量指令通过无线透传发送给无人机，实现精准降落；在该过程中详细的信号处理过程为：

由于北斗导航存在6m左右的定位误差，要想获得无人机的准确定位，必须建立一个可靠的本地坐标系。为此我们设计了自己的超宽带定位模块，其接收端的主体是三个正交的基站雷达，以雷达b为原点,oa、ob方向为x、y轴，过原点垂直平面方向为z轴，恰好构成一个本地坐标系。因为雷达a、b，a、c之间的距离x0,y0均为固定值(实际中我们取x0＝y0＝1)，所以只要再得到飞机上挂在的标签雷达与地面三个基站雷达之间的距离便能解出飞机在本地坐标系中的准确坐标。由于直接测得的三个距离都存在不同程度上的跳变，如若不加处理就对其进行浮点运算，得到的数值会严重偏离真实值，影响定位精度，所以我们有必要对采集到的距离数据进行卡尔曼滤波。卡尔曼滤波根据历史数据的预测距离值和测距模块提供的测距信息，通过对测量噪声和过程噪声的估计，不断将测距数据修正，使得估计距离最大限度的吻合真实值。在得到稳定的距离信息后，根据两点间距离公式，即可得飞机在本地坐标系中的位置。

由于前面得到的飞机在本地坐标系中的坐标还不能直接被飞机识别，所以需要将其变换到飞机能够识别的东北天坐标系。为防止飞机的过度抖动，加强飞控的稳定性，我们在实际中设定飞机为定高飞行，这样一来该问题便可简化为二维平面内的坐标系转换问题。然后无人机收到当前位置到目标位置之间在东北天的方向上的实时距离，从而便能按照相对位移的方式准确飞到目标点附近，这也意味着飞机的当前坐标需要实时刷新，实际中刷新的速率约为10hz。无人机在执行任务期间受双环pid调控(外环为位置，内环为速度)，无人机距离停靠点越近飞行速度越低，保证飞行平稳可靠的同时又提高了精度。

步骤四，当无人机精确降落至车载平台后，四个机脚会被平台上安装的电磁铁牢牢吸附并锁死，向无人机发送指令，开启充电接口实现无人机自主充电。

进一步，坐标计算根据两点间距离公式：

其中a、b、c分别为标签雷达到三个基站雷达之间的距离，x0、y0均为常数。解此方程组，即可得飞机在本地坐标系中的位置为：

进一步，直角坐标系x-o-y沿逆时针方向旋转角θ后得到新坐标系x’-o-y’，由几何关系可得无人机新旧坐标的转换关系为：

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于无人机的自驾游控制系统的无人机。

本发明的优点及积极效果为：通过多点优化配置的uwb高精度测距实现无人机高精度位置确定，构建无人机停靠平台，实现无人机的自主停靠，自主伴飞。在停靠平台的基础上，还实现平台与手机的互联互通，实现无人机采集的数据、图像和用户手机的互联互通。通过平台和手机之间的连接功能，用户可以通过手机地图精确指挥无人机的准确降落、巡航和目的地取景。此外无人机还能够通过平台停靠，实现自主充电。本发明所需要的设备体积更小、质量更轻、功耗更低，因此有利于提高驾驶员的出行体验，丰富自驾游的内容。

无人机具有了自主起降功能，用户只需将拍摄地点的北斗定位坐标发送给无人机，无人机执行完任务之后将进行自主返航，与此同时用户可以通过显示屏时时监视无人机的位置和画面，可以大大地保证无人机的安全系数。

使用无人机作为探路等路线规划是很有实际意义的，它不局限于数字地图，可以帮助人们安全快速驶离复杂路况，或者飞到指定坐标进行勘察，以探明道路的虚实，快速选择合适路线；而自主起降这一功能，又使用户可以随时随地发送任务指令，让无人机拍摄沿途风景，而不用特意到合适的位置开始操作，且全过程智能程度和精度极高，无需人为干预，很大地增加了无人机的实用性和便利性，真正成为携带方便并具有高效用的自驾游伴侣。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于无人机的自驾游控制系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于无人机的自驾游控制方法流程图；

图3是本发明实施例提供的自主取景示意图；

图4是本发明实施例提供的一键返航示意图；

图5是本发明实施例提供的精准降落示意图；

图6是本发明实施例提供的本地坐标系示意图；

图7是本发明实施例提供的坐标系旋转变换公式图解示意图；

图8是本发明实施例提供的滤波前后对比示意图；

图中：1、用户终端；2、车顶起降平台；3、无人机终端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于无人机的自驾游控制系统包括：用户终端1、车顶起降平台2、无人机终端3。

用户终端1包括：人机交互界面、控制模块、通信模块。

车顶起降平台2包括：供电模块、通信模块、北斗导航模块、超宽带定位模块接收端。

无人机终端3包括：主控制器、通信模块、超宽带定位模块发射端。

本发明实施例提供的基于无人机的自驾游控制系统还包括：

北斗导航模块：高性能gps/bd双模定位模块，工作频率为1.56ghz，可实现导航、定位、授时等多种功能，为自主取景和精准定位提供了硬件保障。

供电模块：飞机端通过lm2596芯片将电池电压24v降压至5v供电。用户端和车顶平台直接用充电宝供电。

主控制器：stm32f407系列单片机，主时钟频率高达168mhz，为数据处理时的高速计算提供了可靠保障。

超宽带定位模块发射端包括：测距雷达：基于uwb技术的高精度测距板卡，工作频率为3.9ghz，上电后即可通过串口输出距离信息。电子罗盘：gy953是一款低成本ahrs模块，工作电压3-5v，功耗小，体积小；精度高，指北误差小于1°，为精准降落奠定基础。

通信模块：选用as12无线透传模块，工作频率为420mhz-445.5mhz，共计256个信道，支持点对点传输及广播模式。

显示模块：4.7寸oled液晶显示屏，分辨率高达256*128，可显示包括飞机当前坐标、姿态信息在内的多种有关信息，实现良好的人机交互。

无人机：大疆公司的经纬m100无人机，平稳可靠、功能强大、续航时间长，外部设备可以灵活接入。

如图2所示，本发明实施例提供的基于无人机的自驾游控制方法包括以下步骤：

第一阶段：自主取景

如图3所示，用户确定好取景位置后下达命令，由北斗导航模块通过无线透传将景点的地理坐标发送给无人机，无人机将执行自主取景任务。

第二阶段:初步返航

如图4所示，成功取景后用户可下达一键返航命令，此时无人机会根据接收到的车辆地理坐标飞回至车辆附近，具体误差取决于北斗导航系统(实测大约6m左右)。

第三阶段：精准定位及降落

如图5所示，当无人机抵达车顶10m半径范围内时将自动启用精准定位。精准定位技术的核心是超宽带定位系统，该系统由发射端和接收端两部分构成。发射端位于飞机上，主体是一个标签雷达，该雷达在使能后可不断向外发出测距射频信号。接收端位于车顶平台上，包括三个相互正交的雷达基站和一个电子罗盘，正交的三个雷达构成了一个确定的本地导航坐标系，电子罗盘的作用是获取本地导航坐标系中x轴与地磁北向的夹角，从而确定了本地导航坐标系与飞机所在的东北天坐标系之间的变换矩阵，再结合标签雷达与三个基站雷达之间的实时距离，用户终端能解算出飞机在本地导航坐标系中的实时坐标，最后将坐标转化为无人机与车顶之间的相对位移量指令通过无线透传发送给无人机，从而实现精准降落。

第四阶段：自主充电

当无人机精确降落至车载平台后，四个机脚会被平台上安装的电磁铁牢牢吸附并锁死，此时向无人机发送指令，开启充电接口实现无人机自主充电。该技术可进一步改进为无线耦合式充电技术，利用电磁感应原理由无人机平台将能量无线传输至无人机，达到更加便捷可靠的充电效果。

本发明实施例提供的基于无人机的自驾游控制方法具体包括以下步骤：

(1)数据采集与处理

地理坐标的采集与处理

由北斗定位模块直接采集到的地理坐标为国际通用的度分格式，不能直接为无人机所利用，需要先将其转换成精确到小数点后第八位的弧度制表示形式，由具体转换函数实现。

以西安钟楼为例，其地理坐标为北纬34°15.66’，东经108°56.54’，按上述函数转换后得到其弧度制坐标：北纬0.597967255，东经1.901402411。

(2)距离信息的采集与处理

本地坐标系的建立

如图6所示，由于北斗导航存在6m左右的定位误差，要想获得无人机的准确定位，必须建立一个可靠的本地坐标系。超宽带定位模块，其接收端的主体是三个正交的基站雷达。假设以雷达b为原点，oa、ob方向为x、y轴，过原点垂直平面方向为z轴，恰好构成一个本地坐标系。因为雷达a、b，a、c之间的距离x0，y0均为固定值(实际中我们取x0＝y0＝1)，所以只要再得到飞机上挂在的标签雷达与地面三个基站雷达之间的距离便能解出飞机在本地坐标系中的准确坐标。

卡尔曼滤波

由于直接测得的三个距离都存在不同程度上的跳变，如若不加处理就对其进行浮点运算，得到的数值会严重偏离真实值，影响定位精度，所以对采集到的距离数据进行滤波。利用卡尔曼滤波程序实现。

matlab仿真

如图7所示，取150个跳变值在4m左右的真实测距数据进行卡尔曼滤波仿真。测量的真实值由于噪声的存在，有很大的起伏和波动，而卡尔曼滤波则提供了一个顺滑的最优估计。卡尔曼滤波根据历史数据的预测距离值和测距模块提供的测距信息，通过对测量噪声和过程噪声的估计，不断将测距数据修正，使得估计距离最大限度的吻合真实值。而通过卡尔曼滤波每个状态的增益的计算，保证了卡尔曼滤波的收敛性。

坐标计算

在得到稳定的距离信息后，根据两点间距离公式，得到：

其中a、b、c分别为标签雷达到三个基站雷达之间的距离，x0、y0均为常数。解此方程组，即可得飞机在本地坐标系中的位置为：

坐标系变换

由于前面得到的飞机在本地坐标系中的坐标还不能直接被飞机识别，所以需要将其变换到飞机能够识别的东北天坐标系。下面建立本地坐标系与东北天坐标系的转换关系。为防止飞机的过度抖动，加强飞控的稳定性，在实际中设定飞机为定高飞行，该问题便可简化为二维平面内的坐标系转换问题。

如图8所示，直角坐标系x-o-y沿逆时针方向旋转角θ后得到新坐标系x’-o-y’，由几何关系可得无人机新旧坐标的转换关系为：

实际中角的值由接收端上的电子罗盘确定，该电子罗盘可以准确测出本地坐标系北向与地磁北向之间的夹角，经实测误差小于1°。

本发明实施例提供的基于无人机的自驾游控制系统完全自主的精准起降：在北斗导航的辅助下，超宽带定位模块可以帮助无人机实现分米级的起降精度，无需任何的人为干预，这一技术可以将无人机高效、方便的优点发挥到极致，让车载无人机变为现实。自主取景拍摄：作为完美的自驾游伴侣，可以帮助用户实现量身定制的航线任务，在用户确定拍摄地点(支持多点)后，无人机可以自主飞到目标点附近进行取景拍照，彻底解放用户双手，更能为航拍新手带来安全保障。用户可以通过显示屏实时监测到飞机的状态。支持模式切换：在任务执行期间，如果无人机靠近障碍物或者发生故障时，无人机会通过回传及时将信息反馈给用户，用户此时可以马上切换为手动操纵，调整无人机姿态或者依照图传信息安全返航，避免意外的发生。自主充电：在无人机返回无人机升降平台后，能够完全自主地对无人机进行充电。用户完全不用对无人机有任何操作。因此该功能既增加了无人机的续航时间，也解决了用户的忧虑，使其不用担心在外出游玩或旅行时无人机电量不足的难题。

本发明将北斗导航系统与uwb测距定位、超声测距定位实时定位技术结合起来，可实现无人机的一键起飞、自主取景、精准降落等功能。无人机的起降平台可固定在用户车顶，当需要无人机执行取景任务时，用户可提前在用户终端通过手机地图选择拍摄景点，无人机在接收到景点的地理坐标后可自主执行取景任务，其间用户可以在显示屏上实时监控无人机的飞行状态。任务执行成功后，无人机根据用户指示一键返航，通过结合测距导航技术，无人机可精准降落至用户车顶，并支持动态降落，精度可达厘米级，大大降低了无人机的操控难度。基于上述功能，在自驾游过程中，无人机伴侣可以让用户在车内放心操控无人机进行取景任务，在任务执行期间，如果无人机靠近障碍物或者发生故障时，无人机会通过回传及时将信息反馈给用户，用户此时可以马上切换为手动操纵，调整无人机姿态或者依照图传信息安全返航，避免意外的发生。此项技术解决了传统无人机需要人工操控的难题，解放了用户的双手，拓宽了无人机的作用领域，将不仅仅局限于自驾游途中的航拍娱乐，在进一步优化之后，可被应用到勘察，救灾等多个方面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。