一種基于慣性姿態(tài)與超聲波測距的三維定位方法及裝置的制造方法
【專利說明】一種基于慣性姿態(tài)與超聲波測距的三維定位方法及裝置
[0001]本發(fā)明涉及一種三維定位技術(shù)，特別涉及一種基于慣性姿態(tài)與超聲波測距的三維定位方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在導(dǎo)航定位技術(shù)中，室外一般采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用，帶給我們?nèi)粘Ｉ詈艽蟮谋憷?，但是該技術(shù)只能應(yīng)用在室外露天的地方，而且精度在米級，有許多局限性;我們再看室內(nèi)定內(nèi)，有wif 1、藍(lán)牙及紅外線定位技術(shù)，這些定位技術(shù)定位精度也在米級或分米級，而且一般情況下都需要事先布設(shè)多個(gè)信標(biāo);而超聲波測距則相對上述測距技術(shù)而言精度較高，網(wǎng)上有查到公開申請?zhí)枮?01310492699.3、201510590604.0的兩個(gè)專利文件，這兩個(gè)公開技術(shù)均采用了超聲波，但無一例外地，均要在場地上事先布設(shè)多個(gè)數(shù)量及指定方位的信標(biāo)裝置，其中前者專利文件也采用了慣性技術(shù)，但該技術(shù)采用的是慣性積分定位，不同于本技術(shù)所述的慣性姿態(tài);室內(nèi)定位目前還有最熱門的光流定位，但定位結(jié)果依賴光線強(qiáng)度及地面紋理，可靠性不高，例如無人機(jī)主流機(jī)型大疆精靈3，網(wǎng)上的公開測評就有此缺點(diǎn)報(bào)道;據(jù)此，目前的定位技術(shù)要么是定位精度不高，要么是要事先布設(shè)多個(gè)信標(biāo)不方便，要么是對環(huán)境的選擇性太強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于上述原因，本發(fā)明提供了一種新的定位技術(shù)，內(nèi)容如下:
一種基于慣性姿態(tài)與超聲波測距的三維定位裝置，包括定位參照模塊與待定位目標(biāo)模塊。
[0004]定位參照模塊包括:
第一無線單元，能夠與待定位目標(biāo)模塊進(jìn)行無線通訊，收發(fā)管理控制指令與狀態(tài)信息； 超聲波發(fā)射單元，根據(jù)第一無線單元的指令，發(fā)送超聲波信號(hào)。
[0005]待定位目標(biāo)模塊包括:慣性測量單元、第二無線單元、三個(gè)超聲波接收單元及微處理器單元。
[0006]慣性測量單元包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器，能夠用來測算待定位目標(biāo)模塊的姿態(tài)信息，包括橫滾角、俯仰角、方位角。
[0007]第二無線單元能夠與定位參照模塊進(jìn)行無線通訊。
[0008]超聲波接收單元能夠接收定位參照模塊發(fā)出的超聲波信號(hào)。
[0009]微處理器單元管理控制其它單元與模塊，具有以下功能:
(I)利用無線收發(fā)信號(hào)同步，計(jì)算超聲波發(fā)與收的間隔時(shí)間，計(jì)算定位參照模塊至待定位目標(biāo)模塊上每個(gè)超聲波接收單元的距離。
[0010](2)利用定位參照模塊至待定位目標(biāo)模塊上三個(gè)超聲波接收單元的距離值，以及三個(gè)超聲波接收單元之間的固定距離值，還有待定位目標(biāo)模塊的姿態(tài)值，計(jì)算獲得待定位目標(biāo)模塊相對于原點(diǎn)為定位參照模塊的大地三維坐標(biāo)值。
[0011 ]可選地，所述慣性測量單元還包括三軸磁傳感器，用來校正姿態(tài)值中的方位角至地磁方位角。
[0012]優(yōu)選方案是，所述三個(gè)超聲波接收單元被分配在待定位目標(biāo)模塊上盡可能彼此距離遠(yuǎn)的位置。
[0013]可選地，所述待定位目標(biāo)模塊上面還安裝第四個(gè)超聲波接收單元，且不安裝在前述三個(gè)接收單元所形成的平面上，該單元與定位參照模塊的距離用來與前述三個(gè)距離值比較，用來計(jì)算定位參照模塊是位于前述三個(gè)接收單元所形成的平面的上部還是下部。
[0014]可選地，所述待定位目標(biāo)模塊上面還另外安裝有至少一個(gè)超聲波接收單元，該超聲波單元測量值用來替換或校正其它超聲波接收單元的測量值。
[0015]可選地，所述定位參照模塊上面安裝有電池;所述定位參照模塊與待定位目標(biāo)模塊之間有軟性電源線連接，定位參照模塊通過該電源線向待定位目標(biāo)模塊輸送電力;所述待定位目標(biāo)模塊上還安裝有旋翼飛行器設(shè)備。
[0016]可選地，所述待定位目標(biāo)模塊安裝有旋翼飛行器設(shè)備，該設(shè)備包括電調(diào)、電機(jī)、螺旋槳，且不少于四套;所述待定位目標(biāo)模塊上安裝有相機(jī)，該相機(jī)可以被遙控指令所操作。
[0017]一種基于慣性姿態(tài)和超聲波測距的三維定位方法，包括如下步驟:
獲取定位參照模塊至待定位目標(biāo)模塊上三個(gè)超聲波接收單元的距離值；
獲取待定位目標(biāo)模塊上慣性單元的姿態(tài)值，該姿態(tài)值包括橫滾角、俯仰角、方位角；利用定位參照模塊至待定位目標(biāo)模塊上三個(gè)超聲波接收單元的距離值，以及三個(gè)超聲波接收單元之間的固定距離值，還有待定位目標(biāo)模塊的姿態(tài)值，計(jì)算獲得待定位目標(biāo)模塊相對于原點(diǎn)為定位參照模塊的大地三維坐標(biāo)值。
[0018]可選的方法，獲取待定位目標(biāo)模塊上三軸磁傳感器測量值，校正所述姿態(tài)值中的方位角至地磁方位角。
[0019]可選的方法，獲取第四個(gè)超聲波接收單元與定位參照模塊的距離值，根據(jù)該距離值與前三個(gè)超聲波距離值比較，來判斷定位參照模塊是位于前三個(gè)超聲波接收點(diǎn)所形成平面的上部或下部。
[0020]可選的方法，至少再獲取一個(gè)超聲波接收單元與定位參照模塊的距離值，該超聲波距離值，用來替換或校正其它超聲波距離值。
[0021 ]本發(fā)明的定位技術(shù)，除待定位目標(biāo)模塊外，只有一個(gè)定位參照模塊，該模塊可以設(shè)計(jì)得非常容易攜帶與放置;本技術(shù)應(yīng)用超聲波測距及慣性姿態(tài)，計(jì)算得到的三維定位結(jié)果，可以達(dá)到厘米級的定位效果;本技術(shù)中，極少需要到其它環(huán)境配合應(yīng)用，基本可以做到全天候全地域的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的四軸飛行器定位示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的四軸飛行器增強(qiáng)定位示意圖。
[0024]圖3是本發(fā)明的定位坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施作詳細(xì)的說明。
[0026]本實(shí)施方案為一個(gè)四軸無人飛行器方案。
[0027]其中定位參照模塊實(shí)施為一個(gè)定位控制器，包括超聲波發(fā)射單元，無線收發(fā)單元和電池單元，其中無線收發(fā)單元一旦接收到同步信號(hào)即驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射單元發(fā)射超聲波信號(hào)，這個(gè)定位控制器我們可以拿在手上，也可隨手放在地面，也可放在前進(jìn)的車輛上，只要讓控制器的超聲波發(fā)射方向?yàn)榇刂频乃妮S飛行器即可，便攜性極強(qiáng)。
[0028]其中待定位目標(biāo)模塊此次實(shí)施為一個(gè)四軸飛行器。
[0029]四軸飛行器的四個(gè)角上均安裝超聲波接收單元，該四個(gè)接收單元在同一個(gè)水平面上，由于四軸飛行器本身阻擋超聲波信號(hào)傳送，所以可能會(huì)有一個(gè)超聲波單元接收信號(hào)嚴(yán)重失真，但最終定位計(jì)算可以只需用到三個(gè)信號(hào)。
[0030]四軸飛行器安裝有慣性器件，本實(shí)施中使用mpu9150芯片，該芯片集三軸陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、三軸磁傳感器于一體，由該芯片技術(shù)參數(shù)可知，該傳感器芯片可以直接輸出四軸飛行器的姿態(tài)信息;為便于計(jì)算，安裝所述芯片中三軸的X軸、Y軸均與四軸的對角線平行。
[0031 ]四軸飛行器上還安裝有無線單元，用來與定位控制器進(jìn)行無線通訊。
[0032]四軸飛行器還安裝有電池，用來向四軸提供飛行電力。
[0033]四軸飛行器還安裝有微處理器，管理控制飛行器上其它器件，具有如下功能:
通過四軸飛行器上的無線單元，傳遞同步信號(hào)到定位控制器，啟動(dòng)超聲波發(fā)射。
[0034]計(jì)算同步信號(hào)發(fā)出后，四軸上每個(gè)超聲波接收單元收到信號(hào)的時(shí)延，進(jìn)而計(jì)算出四軸定位控制器到四軸飛行器上每個(gè)超聲波接收單元的距離值。