一种基于光通信的无人机定位装置和方法
阅读说明：本技术 一种基于光通信的无人机定位装置和方法 (Unmanned aerial vehicle positioning device and method based on optical communication ) 是由 董辰 黄威彦 秦极 原瑞蔚 张畅 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光通信的无人机定位装置和方法,用于无人机单向通信时,接收无人机能够通过单向定位在最合适位置接收到光信号。该方法中,发射无人机在使用摄像机对接收无人机进行粗定位后,向接收无人机发射时变LED矩阵。接收无人机根据接受的数据判断自己的相对位置,并移动至约定的相对位置。(The invention discloses an unmanned aerial vehicle positioning device and method based on optical communication, which are used for receiving an optical signal which can be received by an unmanned aerial vehicle at the most appropriate position through unidirectional positioning when the unmanned aerial vehicle is in unidirectional communication. In the method, a transmitting unmanned aerial vehicle transmits a time-varying LED matrix to a receiving unmanned aerial vehicle after roughly positioning the receiving unmanned aerial vehicle by using a camera. And the receiving unmanned aerial vehicle judges the relative position of the receiving unmanned aerial vehicle according to the received data and moves to the appointed relative position.)
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体一种基于光通信的无人机定位装置和方法。
背景技术
现代作战条件下，无人机已经是局部战争中主要使用的军事器械。目前无人机使用射频通信作为传统战场通信，因此无人机系统需要不断提升抗电磁干扰能力以适应复杂的战场电磁环境要求。不论雷电和电子噪音干扰等自然磁场干扰的影响，在战场上，针对射频通信的干扰技术也在不断发展，出现的辐射干扰和传导干扰技术能够使通信传输出现误差，短期内影响系统工作甚至烧毁半导体元件和电路，导致无人机射频通信的难度不断增加。
可见光通信技术可作为移动系统的重要通信补充的接入手段，频率资源非常丰富，可在电磁受限环境或对电磁信号敏感的条件下可自由使用该系统，弥补了电磁覆盖范围的不足。在复杂环境下的无人机单向光通信场景，需要发射无人机能够定位接收无人机的位置，才能进行比较节能且有效的通信。除了摄像头能够进行粗定位，精细的定位或是引导接收端至指定位置可由光定位解决。
然而现有技术的光定位多在室内环境进行，且需要LED多点定位辅助体提高精度，或是定位物体处于静止状态、需要射频通信辅助定位等，此时就需要提出新的技术方法应对室外环境下，相对运动状态不定且收发端无双向通信的情况。
发明内容
针对上述不足，本发明实施例提供一种基于光通信的无人机定位装置和方法，用以在战场上无人机高速移动时，射频通信被干扰的情况下，实现单向可见光通信时的精确定位，以保证后续光通信的质量。
本发明提供了一种基于光通信的无人机定位装置和方法，其特征在于，其中定位阶段的步骤包括：
步骤1：出发前，无人机群存储对于自己方无人机的定位码本，其中定位码本可保证相对静止或运动时每个位置接收的码唯一，估计自己方无人机的速度性能，集群相互间距；
步骤2：第一无人机向第二无人机通过光通信发射信息，这时假设是单向的通信，同时第二无人机试图定位自己在第一无人机光通信场中的相对位置，第一无人机发射的光是一个时变矩阵，矩阵由多个LED发射形成，每间隔时间t就变换一个发射的矩阵；
步骤3：接收无人机接收到多个矩阵，判断是否处于边缘，根据接收信号强度定位自身位置；
步骤4：接收无人机飞行到实现约定的相对位置，这个位置和其周边在定位意义上最准确；
之后通信阶段，发射光聚焦这个接收位置，通信光柱截面积远远小于定位光柱截面积，提高了接收信噪比。
可选地，发射装置的光，可以是单波长，也可以是多波长。
可选地，发射光柱可以是圆形，也可以是三角，四方，五边，六角等形状。
可选地，发射光柱设备发射角度可以是任意角度，最低并不限于1度。
可选地，发射光可以是可见光，也可以是其他频段的光，如紫外光，红外光。
可选地，光矩阵间隔时间可根据实际情况自行改变，如判断接收条件良好，间隔时间t可相应缩短，以缩短定位阶段的整体时间。
可选地，可以处理相对静止的一组收发无人机，也可以相对运动的一组无人机。
可选地，定位码矩阵的形状可以使正方形，也可以是长方形，三角等形状。
可选地，可以通过由粗到精细进行定位，也就是定位码矩阵尺寸不断变大，每元素代表空间大小不断减少。
可选地，基于摄像头辅助，可以进行粗定位。
可选地，接收无人机可以飞到预先设定的最佳接收位置。
本发明提供的一种基于光通信的无人机定位装置和方法的有益效果在于：
基于定位码完成光通信下的单向定位，为进一步进行无人机光通信，提高接收信噪比提供了条件。
附图说明
图1为无人机定位示意图；
图2为打光光柱示意图；
图3为系统框图；
图4为LED矩阵示意图；
图5为相对位移实施例示意图；
图6为定位尺度变换示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1和图2可知，两无人机在三维空间任意粗略已知位置，发射无人机发射的定位光柱呈扇形向接收无人机发射，接收无人机以此判断自己处在发射无人机定位光柱的片区。定位过程由图3给出。
实施例1中，发送无人机和接收无人机没有相对位移。假设发射无人机发射矩阵在t1，t2，t3时刻为图4所示，此时定位矩阵分为3*3的9个方形区域，接收无人机能够直接解码出自己所处的矩阵位置，接收到的位置码分别是：左上132、上中323、右上211、左中313、中231、右中122、左下221、下中112、右下333。在接收机的接收单元判断符合同步码后即可直接按照以上码表读出位置。
实施例2中，两无人机相对运动，此时定位LED矩阵任选用图3所示的3*3矩阵。由于目前普通LED闪烁的频率可达30KHZ，假设同步码为1010，则在一个完整8位码字传输期间，以目前无人机最高速度200公里每小时，相对移动的距离近似为1.5cm，这显然不会超过一个矩阵片区的范围，因此相对运动时定位的准确性也是可以保证的。当接收无人机从左往右飞行，在t1 t2 t3时刻先后经过浅灰色位置，那么接收到的强度是033；当接收无人机从左往右飞行，在t1 t2 t3时刻先后经过黑色位置，那么接收到的强度是332；当接收无人机从左往右飞行，在t1 t2 t3时刻先后经过灰色位置，那么接收到的强度是300。接收码和定位对应唯一，不会出现重复导致接收无人机错误判断自身位置。当接收UAV知道自己在定位光边缘后，可做出调整，保证自己在接收信息范围内。甚至，飞到指定位置，成为接收信息最佳位置。
实施例3展示了时变矩阵是如何提高定位精度的。在3X3粗定位后，如果条件允许，发射UAV的LED多，可以再进行精细定位，把空间划分更多的间隔，原则使用二方连续定位编码。精细定位也是t1 t2 t3等多时间的。具体如下：在前面两个实施例中，接收无人机只能被确定在某个区域内，定位精度只能达到以方格为最小单位的水平，当部署了更多地LED之后，便可以逐所示，此时的定位矩阵是由9*9的LED组成的，设时变矩阵变化间隔为t,第一步定位，即t1时间内，将9*9矩阵划分为3*3的9个大矩形区域，每个区域中有3*3个LED，这3*3LED矩阵中的每个码字一致，但每个3*3LED矩阵的输出码字是互不一样的，即每个大矩形区域的输出码字不同，接收无人机此时可通过码字判断自己处于哪个大矩形区域；第二步定位，即在t2时，9*9矩形中每个3*3矩阵不再发送一样的码字，而发送如图6所示一般每个3*3矩阵一样，每个单个LED发送不一样的码字，即接收无人机在确定所处的大区域之后，该区域又由不同的码字细分为更小的区域，实现了比一级定位更加精确的定位效果。当两无人机相对运动时，可在时变中设置不同的同步码，即可另相对运动中的无人机区分出是否进入更加细分的定位环节。若不想对9*9矩阵进行细分，也可以直接使用格雷码表示行与列，直接定位到最小单元，不过这样的码字明显增加，不适合多LED情况使用。在实际的应用中，LED的数量和摆布可不限于3*3,9*9的矩阵，可是4*4,5*5或者组成圆形、三角形、长方形等的矩阵形状。更多地LED将带来更加复杂的定位步骤，也更加精细。
实施例4，对于定位编码光总体范围，也就是边长，可以根据实现约定调整。在发射无人机有摄像头情况下，可以根据看到的接收无人机的位置，大小调整。
实施例5，对于定位编码光总体范围，也就是边长，可以根据实现约定调整。在发射无人机不能用摄像头情况下，发射无人机默认接收无人机知道编码码本，正确测算自己的相对位置，并飞到指定位置上，这样发射无人机在信息传输时候光强聚焦到指定位置，提高接收信噪比。
说明书未详细描述的部件组合特征属于公知技术轻易想到或者实施本发明时容易确定且无异议的内容。上述方案，仅为本申请较佳的几个实施方式的描述，但本申请的保护范围不仅限于此，任何熟悉该技术的人能在本申请描述的范围内轻易实现，而不改变权利要求涉及基本原理的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内，即本申请保护范围应以权利要求保护范围为准。