[發明專利]基于激光與聲音融合定位的旋翼飛行器及其定位方法

有效

• 申請號: 202110451313.9
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113029158B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 彭彩彤;朱科鈐;李鑫
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/00
• 代理公司: 常州市英諾創信專利代理事務所(普通合伙) 32258
• 代理人: 張云

1.一種基于激光與聲音融合定位的旋翼飛行器的定位方法，該基于激光與聲音融合定位的旋翼飛行器包括激光發射云臺、機載激光接收面板、機載激光測距模塊、機載中央控制裝置、通信部件、聲音采集部件及地面中央控制裝置，所述機載激光接收面板及機載激光測距模塊分別與機載中央控制裝置之間信號連接，所述激光發射云臺與聲音采集部件均與地面中央控制裝置，所述地面中央控制裝置與機載激光測距模塊之間通過通信部件信號連接；

所述聲音采集部件采用若干麥克風陣列分布；

所述激光發射云臺包括激光發射器和總線舵機，所述激光發射器設置在總線舵機上；

所述機載激光接收面板包括多個陣列分布并用于接收激光發射云臺激光的激光接收管；

所述機載激光測距模塊采用tof激光模塊，其特征在于，該方法包括以下步驟：

S1、首先激光發射云臺發射激光并通過機載激光接收面板接收激光，機載激光接收面板接收到激光后將激光坐標信號發送至機載中央控制裝置進行處理；

S2、再由機載激光測距模塊進行高度信息檢測，機載激光測距模塊將檢測的高度信息發送至機載中央控制裝置進行處理；

S3、機載中央控制裝置將激光接收面板的坐標信息和機載激光測距模塊的高度信息通過通信部件發送至地面中央處理裝置，地面中央處理裝置得到激光點的坐標(x₀,y₀)^T，其中x₀,y₀的單位均為mm；

激光發射云臺具有兩軸自由度，當無人機飛行時通過(x₀,y₀)^T計算偏差值，控制激光發射云臺兩軸速度，從而使激光點一直落在機載激光接收面板上，通過絕對值磁傳感器測得兩軸的轉動角度分別為a和b；

再通過機載激光測距模塊獲取到接收面板到地面的距離H＝h，其中h的單位為mm；

設激光光束的長度L＝l，其中l的單位為mm；

設激光光束與接收面板的相交點P₁為相對于地面兩軸云臺的空間三維坐標，通過如下的步驟得到x₁,y₁,z₁的計算公式,其中x₁的單位為mm，y₁的單位為mm，z₁的單位為mm：

P₁＝(x₁,y₁,z₁)^T

則可以得到激光光束的長度:

根據yaw軸與坐標軸的關系，可以得到下式：

根據pitch軸與坐標軸的關系，可以得到下式：

結合以上式子可以解出激光光束與接收面板的相交點P₁的三維坐標：

已知激光接收面板的長、寬分別為c和d，其中c的單位為mm，d的單位為mm，從而得到激光光束與接收面板的中心P_c的空間三維坐標分別為：

其中x_c的單位為mm，y_c的單位為mm，z_c的單位為mm；

最終得到激光光束與接收面板的中心P_c的三維坐標如下：

P_c＝(x_c,y_c,h)^T

S4、聲音采集部件采集旋翼飛行器上槳葉產生的聲音，聲音采集部件將采集的信息發送至地面中央控制器，地面中央控制器經過濾波與music算法得到聲源圖，聲音采集部件與聲源圖對應采集區域對應，以聲源圖中心為源點，在聲源圖中找到深度最大的點集并得出其中心像素點：

(x₂,y₂)^T

根據聲音傳播的時效性，通過聲音采集部件測得聲源距離麥克風的距離l_s，其中l_s的單位為mm，投影到XOY平面得到聲源距離麥克風的平面距離其中機載激光測距模塊所測得的高度信息h，h的單位為mm，從而得到：

進而得到：

同時結合機載激光測距模塊所測得的高度信息h得到基于聲音的空間歐拉坐標：

P_s＝(x_s,y_s,h)^T

其中h的測量相對于x,y上的坐標是獨立的，而且機載激光測距模塊的精度較高，通過卡爾曼濾波將P_s與P_c融合，得到新的融合坐標P_m；

S5、將旋翼飛行器靜置，根據傳感器測得眾多樣本的觀測值通過參數估計得到激光數據和聲音數據的均值，分別為和

進而通過無偏估計得到方差，分別為σ_c²與σ_s²：

由于傳感器總相同，x_c,y_c是同分布的，x_c,y_c在空間中的概率分布是相互獨立的，對于某一時刻T，x_c表示激光數據在x軸上的概率分布，根據激光的實際計算值為x_c，則由X_c～N(x_c,σ_c²)，可得到概率密度為同理由于傳感器總相同，x_s,y_s是同分布的，x_s,y_s在空間中的概率分布是相互獨立的，對于某一時刻T，x_c表示聲音數據在x軸上的概率分布，根據聲音的實際計算值為x_c，則由X_s～N(x_s,σ_s²)，可得到概率密度為

要得到x方向融合后的坐標，即得到融合后x軸上概率密度最大的坐標，令：

整理得：

該式滿足正態分布，x_m是該正態分布的期望，同樣也是融合后x軸上概率密度最大的坐標，可得：

同理，y_m是該正態分布的期望，同樣也是融合后y軸上概率密度最大的坐標，可得：

由于x_s,y_s是同分布的，x_c,y_c也是同分布的，定義σ_c²為激光傳感器誤差為E_c，定義σ_s²為聲音傳感器誤差為E_s(誤差表明了數據的精確度，即統計意義上數據的離散程度，傳感器的精度越高，誤差越低),令：

P_s2＝(x_s,y_s)^T

P_c2＝(x_c,y_c)^T

則其融合坐標為：

最終得到三維空間內的融合坐標P_m：

地面中央控制器將融合坐標發送給機載中央控制器，從而使得旋翼飛行器得知自己的空間三維坐標信息，完成相應任務與服務。