一种无人机定位系统和定位方法
阅读说明：本技术 一种无人机定位系统和定位方法 (Unmanned aerial vehicle positioning system and positioning method ) 是由 江玲 袁火平 于兴旺 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无人机定位系统和定位方法,能够在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方进行定位导航。无人机上携带有无信息的标签,无人机在飞行过程中在相应位置贴上标签,贴标签的同时赋予标签位置信息并将此处标签的位置信息返回给系统以便于后续定位导航。本发明的优点在于：可以隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方实现自动定位导航,保障了人身安全,实现了精准导航。(The invention discloses an unmanned aerial vehicle positioning system and a positioning method, which can perform positioning navigation in places with poor satellite signals, such as tunnels or caves. Carry the label of no information on the unmanned aerial vehicle, unmanned aerial vehicle pastes the label in relevant position at the flight in-process, gives label positional information and returns the positional information of here label for the system so that follow-up location navigation when labelling. The invention has the advantages that: the method can realize automatic positioning navigation in places with poor satellite signals, such as tunnels or caves, ensures personal safety and realizes accurate navigation.)
技术领域
本发明涉及定位系统和定位方法，属于无人机技术领域。
背景技术
目前，国内外的定位系统大多基于卫星导航系统，如常用的GPS系统，所采用的定位技术通常为到达时间差(TDOA)定位技术，该技术能够有效的减少障碍物对定位精度的影响。然而，在隧道或者洞穴中等卫星信号很弱的地方，导航系统定位不准确，因此在这些特殊环境中常采用人工检测定位、半自动化的仪器检测定位等几种技术，其中，人工检测由于隧道日常运营只能有两三个小时的检测时间，这导致了人工检测的线路都很短；半自动化的仪器检测由于要在隧道生产时就需要预埋检测传感器，同时在隧道运营时架设专门的通讯设备才可以进行，况且预埋传感器成活率都不是很高，而且安装传感器时有些地方并不安全，可能会对人有伤害。
常用的无人机定位系统将标签用于辅助定位，如专利CN106197422B基于已经贴好的辅助二维标签，采用相机对标签进行图像处理实现无人机定位，该方法成本高，二维标签需要事先贴好，浪费人力、物力、财力，且在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方人工贴标签不安全。专利CN110632937A则是通过在输油管道上等距设置检测标签以对无人机进行定位。专利CN110446159A采用事先贴好的标签与辅助的视觉系统相结合的方式实现无人机定位。同样的需要预设8个锚点的情况也存在于采用TDOA定位技术对无人机进行定位的专利CN108445914中。目前，还没有无人机可以一边飞行一边自动贴标签以辅助自己定位的系统，实现真正意义上的无人机在复杂环境下的自主定位飞行。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种无人机定位系统和定位方法，能够在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方进行定位导航。无人机上携带有无信息的电子标签，无人机在飞行过程中于相应位置贴上电子标签，贴电子标签的同时赋予电子标签位置信息并将此处电子标签的位置信息反馈给系统以便于后续定位导航。该无人机定位系统包括无人机。
无人机除含有飞行功能的模块外，还含有射频读写模块、边缘计算模块、数据库、卫星定位模块、信号系统、避障模块和图像识别模块、自动贴电子标签模块。
所述的自动贴电子标签模块可携带和安装电子标签可携带和安装电子标签；
所述的电子标签携带有唯一的身份识别信息；
所述的射频读写模块基于UWB技术用于接收电子标签发射的验证信息并将该信息传输给边缘计算模块；
所述数据库用于存储电子标签所对应的坐标位置信息；
所述的边缘计算模块用于查找数据库中对应的电子标签的位置坐标信息，并计算无人机的实时位置；进一步，该模块所含算法需要满足能够同时对多路信号进行解析的运算能力；
所述的卫星定位模块用于无人机初始位置的定位，以及初始时刻电子标签坐标位置的定位；
所述的避障模块和图像识别模块用于无人机飞行路径的规划以及安装电子标签位置的选取。
所述的电子标签数量大于等于三个，且任意时刻至少有三个电子标签的信号范围覆盖无人机实时坐标位置。
该无人机定位方法，具体包括以下步骤：
(1)利用卫星定位技术，通过人工或者无人机预先固定安装三个或三个以上的位置坐标已知的电子标签，以获取无人机初始坐标位置；
(2)无人机飞行进入电子标签的信号范围后，射频读写模块识别区域的磁场使得电子标签产生感应电流，并通过电子标签的芯片将信号发射给射频读写模块；
(3)射频读写模块接收到三个及以上的电子标签信号以后，将信号强度、信号收发的绝对时间差以及对应的电子标签信息输入给边缘计算模块；
(4)边缘计算模块访问数据库获取对应电子标签坐标位置信息；
(5)边缘计算模块接收到数据库的电子标签坐标位置信息后，并利用TDOA定位方法得出无人机坐标位置；
(6)判断电子标签信号强度是否衰减到阈值，利用避障模块和图像识别模块选取合适位置，控制无人机飞抵，并在当前无人机位置上安装一个新的电子标签，将该电子标签的身份识别信息以及坐标位置信息记录到数据库中。
所述TDOA定位方法是通过计算出射频读写模块到每两个电子标签的绝对时间差距离，然后采用最小二乘法拟合求解方程组，选取距离无人机上一时刻位置最近的解作为无人机当前时刻坐标位置，计算方法如下：
其中，i、j为电子标签编号且i≠j，ti为射频读写模块发出信号到接收第i个电子标签信号的时间差，c为光速；(xi，yi，zi)为第i个电子标签的固定坐标位置。
有益效果：
本发明通过TDOA定位技术降低了定位精度误差，同时可以根据定位精度需求以及飞行路径的规划选取合适的位置加装定位电子标签，提高定位精度，在隧道或者洞穴内等卫星信号很差的地方实现自动定位导航，保障了人身安全，实现了精准导航。
附图说明
图1为本发明无人机与电子标签的结构示意图；其中，1为已安装的电子标签，2为无人机，3为新需安装的电子标签位置，圆环为电子标签信号覆盖范围。
图2为本发明实施例定位方法的流程图。
具体实施方式
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、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。具体技术方案如下：
本发明公开了提供一种无人机定位系统和定位方法，能够在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方进行定位导航。无人机上携带有无信息的电子标签，无人机在飞行过程中在相应位置贴上电子标签，贴电子标签的同时赋予电子标签位置信息并将此处电子标签的位置信息返回给系统以便于后续定位导航。结合图1，该无人机定位系统包括无人机和电子标签。
无人机除含有飞行功能的模块外，还含有射频读写模块、边缘计算模块、数据库、卫星定位模块、信号系统、避障模块和图像识别模块、自动贴电子标签模块。
所述的自动贴电子标签模块可携带和安装电子标签可携带和安装电子标签；
所述的电子标签携带有唯一的身份识别信息；
所述的射频读写模块基于UWB技术用于接收电子标签发射的验证信息并将该信息传输给边缘计算模块；
所述数据库用于存储电子标签所对应的坐标位置信息；
所述的边缘计算模块用于查找数据库中对应的电子标签的位置坐标信息，并计算无人机的实时位置；进一步，该模块所含算法需要满足能够同时对多路信号进行解析的运算能力；
所述的卫星定位模块用于无人机初始位置的定位，以及初始时刻电子标签坐标位置的定位；
所述的避障模块和图像识别模块用于无人机飞行路径的规划以及安装电子标签位置的选取。
所述的电子标签数量大于等于三个，且任意时刻至少有三个电子标签的信号范围覆盖无人机实时坐标位置。
结合图2，该无人机定位方法，具体包括以下步骤：
(1)初始时刻，利用卫星定位技术，通过人工方式在隧道或者洞穴附近GPS信号衰减接近阈值的地方预先固定安装三个或三个以上的位置坐标已知的电子标签并将电子标签信息存储到无入机数据库中，无人机通过GPS定位初始坐标位置；
(2)无人机起飞，利用避障模块和图像识别模块并根据路径规划程序，朝目标位置飞行进入隧道或者洞穴；
(3)当无人机进入洞穴或者隧道后判断GPS信号强度是否衰减到阈值，如果是，则进行步骤(4)；如果否，则返回步骤(2)，直到飞行到达指定位置或完成飞行任务；
(4)无人机射频读写模块按一定间隔时间发射UWB信号，飞行经过电子标签的信号范围后，射频读写模块识别区域的磁场使得电子标签产生感应电流，并通过电子标签的芯片将信号发射给射频读写模块；
(5)射频读写模块接收到三个及以上的电子标签信号以后，将信号强度、信号收发的绝对时间差以及对应的电子标签信息输入给边缘计算模块；
(6)边缘计算模块访问数据库获取对应电子标签坐标位置信息；
(7)边缘计算模块接收到数据库的电子标签坐标位置信息后，剔除其中不合理数据，保留至少三个电子标签坐标位置信息，并利用TDOA定位方法得出无人机坐标位置；
(8)判断电子标签信号强度是否衰减到阈值，如果是，则利用避障模块和图像识别模块在电子标签信号强度阈值范围内选取一个合适位置，控制无人机飞抵，并在当前无人机位置上安装一个新的电子标签，将该电子标签的身份识别信息以及坐标位置信息记录到数据库中；如果否，返回步骤(2)，直到飞行到达指定位置或完成飞行任务。
所述TDOA定位方法是通过计算出射频读写模块到每两个电子标签的绝对时间差距离，然后采用最小二乘法拟合求解方程组，选取距离无人机上一时刻位置最近的解作为无人机当前时刻坐标位置，计算方法如下：
其中，i、j为电子标签编号且i≠j，ti为射频读写模块发出信号到接收第i个电子标签信号的时间差，c为光速；(xi，yi，zi)为第i个电子标签的固定坐标位置。
本发明通过无人机在飞行过程中贴电子标签可以隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方实现自动定位导航，保障了人身安全，提高效率。特别地，为了保证定位精度，通常需要的处于信号范围内的电子标签数量远远大于三个。
本发明不限于上述实施例，对于本领域技术人员来说，对本发明的上述实施例所做出的任何改进或变更都不会超出仅以举例的方式示出的本发明的实施例和所附权利要求的保护范围，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。