[發(fā)明專利]無人機(jī)基于差分坐標(biāo)執(zhí)行航點(diǎn)任務(wù)的飛行控制方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310315500.3
• 申請(qǐng)日: 2023-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN116466731A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉磊;莊世元;閆中敏;崔立真;郭偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發(fā)明提出了無人機(jī)基于差分坐標(biāo)執(zhí)行航點(diǎn)任務(wù)的飛行控制方法及系統(tǒng)，包括：正北標(biāo)定：通過捕捉一條從任意原點(diǎn)指向正北方向的標(biāo)線確定自建坐標(biāo)系與NED坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的夾角，獲得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需參數(shù)；基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需參數(shù)在自建坐標(biāo)系與NED坐標(biāo)系之間建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，使得無人機(jī)航點(diǎn)飛行任務(wù)中的航點(diǎn)坐標(biāo)，即自建坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，被輸出為NED坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并能夠完全反應(yīng)自建坐標(biāo)系下各坐標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置，使得路徑與航點(diǎn)任務(wù)所需的飛行路徑完全一致；基于被轉(zhuǎn)換后NED坐標(biāo)系下的新坐標(biāo)，無人機(jī)將能夠獲得航點(diǎn)的相對(duì)位置，從而基于坐標(biāo)差分運(yùn)算得出飛控指令，進(jìn)行定點(diǎn)飛行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無人機(jī)室內(nèi)定位與導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

隨著無人機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)民用四軸飛行器應(yīng)用的研究范圍逐漸擴(kuò)大，而傳統(tǒng)的基于GPS的坐標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)使得無人機(jī)在一些特殊環(huán)境下的應(yīng)用受到了巨大限制，例如在室內(nèi)環(huán)境或大型場(chǎng)館中GPS信號(hào)會(huì)受到顯著影響，而民用四軸飛行器(以大疆Mavic2舉例)通常采用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)與自身光學(xué)定位系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行精確定位，從而控制無人機(jī)進(jìn)行航點(diǎn)飛行。在GPS信號(hào)缺失的情況下，僅憑光學(xué)定位系統(tǒng)，無法確定無人機(jī)自身坐標(biāo)與任務(wù)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，從而使得航點(diǎn)任務(wù)無法正常執(zhí)行，這是當(dāng)前無人機(jī)應(yīng)用中存在的一個(gè)技術(shù)難題。

除此之外，GPS在無人機(jī)定點(diǎn)懸停過程中也起到了重要作用，商品參數(shù)與實(shí)驗(yàn)表明在GPS信號(hào)缺失的情況下，僅憑借光學(xué)定位系統(tǒng)，無人機(jī)懸停精度在1.5m+-，而在GPS參與的情況下懸停精度可保持在0.5m+-，無法精準(zhǔn)定位懸停帶來了許多安全隱患。

現(xiàn)有技術(shù)中，為解決GPS精度問題，一些工程項(xiàng)目采用RTK+GPS的輔助定位手段，可以將GPS定位的精度提高到分米級(jí)甚至厘米級(jí)，但是該方法需要無人機(jī)攜帶額外載荷，對(duì)于民用無人機(jī)而言復(fù)雜度過高，且同樣未能擺脫對(duì)GPS信號(hào)的依賴。盡管規(guī)模更大的工業(yè)級(jí)無人機(jī)能夠通過地面基站定位等方式實(shí)現(xiàn)一定程度的航點(diǎn)飛行，但是一般消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，載荷較低(或部分無人機(jī)僅提供航拍功能，無額外載荷)，電池容量較小(續(xù)航時(shí)間在20分鐘以內(nèi))，這使得傳統(tǒng)方法無法在消費(fèi)級(jí)無人機(jī)上發(fā)揮作用，造成了應(yīng)用上的困難。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了無人機(jī)基于差分坐標(biāo)執(zhí)行航點(diǎn)任務(wù)的飛行控制方法，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)在無GPS信號(hào)下的定點(diǎn)飛行，懸停，航點(diǎn)任務(wù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：

第一方面，公開了無人機(jī)基于差分坐標(biāo)執(zhí)行航點(diǎn)任務(wù)的飛行控制方法，包括：

正北標(biāo)定：通過捕捉一條從任意原點(diǎn)指向正北方向的標(biāo)線確定自建坐標(biāo)系與NED坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的夾角，獲得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需參數(shù)；

基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需參數(shù)在自建坐標(biāo)系與NED坐標(biāo)系之間建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，使得無人機(jī)航點(diǎn)飛行任務(wù)中的航點(diǎn)坐標(biāo)，即自建坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，被輸出為NED坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并能夠完全反應(yīng)自建坐標(biāo)系下各坐標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置，使得路徑與航點(diǎn)任務(wù)所需的飛行路徑完全一致；

基于被轉(zhuǎn)換后NED坐標(biāo)系下的新坐標(biāo)，無人機(jī)將能夠獲得航點(diǎn)的相對(duì)位置，從而基于坐標(biāo)差分運(yùn)算得出飛控指令，進(jìn)行定點(diǎn)飛行。

作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，進(jìn)行“正北標(biāo)定”時(shí)，使用動(dòng)作捕捉設(shè)備輔助標(biāo)定，以確定標(biāo)定點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)。

作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述動(dòng)作捕捉設(shè)備包括若干反光點(diǎn)及若干環(huán)繞飛行區(qū)域的攝像設(shè)備；

在動(dòng)作捕捉設(shè)備的輔助下，在場(chǎng)地內(nèi)放置的反光點(diǎn)的位置將被捕捉，并根據(jù)動(dòng)作捕捉設(shè)備所建立的坐標(biāo)系導(dǎo)出其x，y，z坐標(biāo)。

作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述NED坐標(biāo)系為無人機(jī)在導(dǎo)航時(shí)根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)工作的需要而選取的用于導(dǎo)航解算的參考坐標(biāo)系；