用于城市物资投送的无人机导航方法、飞行器及用户终端技术

本发明专利技术首先提出一种用于城市物资精准投送的全流程无人机导航方法，然后提出一种无人飞行器以及一种用户终端；当控制中心收到需要进行的投送任务，将物资装载入无人飞行器并输入目标终端编号及所处区域，无人飞行器起飞后依靠GNSS导航进抵预设区域内。通过互联网模块传输信息，激活用户端基站，用户终端通过单个UWB基站发射信号。无人飞行器机载UWB天线矩阵接收信号，通过四部天线组成成三侧棱两两垂直的三棱锥形天线矩阵。并以此建立空间体坐标系。获取用户终端所发射信号到天线矩阵中的相位差信号，并以此解析该体坐标系下，原点到用户终端的方向向量，从而完成对用户终端的精准投送。投送。投送。

【技术实现步骤摘要】
用于城市物资投送的无人机导航方法、飞行器及用户终端


[0001]本申请涉及物资投送领域，尤其涉及一种用于城市物资投送的无人机导航方法、飞行器及用户终端。

技术介绍

[0002]随着人力成本上升以及城市内高层楼宇的大量建设，依靠传统的人工物资投送方式存在人力需求高、高层配送耗时耗力等问题。
[0003]随着科技发展，无人机控制越来越智能，在物资配送领域的应用场景越来越广泛，而且对于无人机要求也越来越高，例如，不通过人工操作进行物资投送作业。
[0004]目前主流的无人机导航系统难以满足市区内精准投送的需求：卫星导航系统只能工作在定位卫星的可视范围之内，受城市建筑环境影响较大，城区内无法提供足够的定位精度；惯性导航系统受累积误差影响难以完成末端精准定位；视觉定位系统室外环境下的维护成本较高；红外线定位系统传输距离有限且有视距限制；超声波定位系统受遮挡影响很大，传播时延较高；雷达定位系统满足区域定位的多线激光雷达与毫米波雷达造价昂贵，布设成本过高。
[0005]目前，低成本、高精度超宽带(Ultra Wide Band，UWB)定位技术广泛应用在区域定位中，常规的基于飞行时间(Time Of Flight，TOF)定位模式需要在预设点位上布设3个以上的定位基站，导致用户端布设成本以及布设复杂性大大增加。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术提出用于城市物资精准投送的全流程无人机导航系统，实现降低用户终端布设成本、布设难度，提升城市物资投送精度，满足无接触性物资投送，降低人员劳动强度。
[0007]本专利技术首先提出一种用于城市物资精准投送的全流程无人机导航方法，然后提出一种无人飞行器以及一种用户终端。本专利技术基于以下原理：当控制中心收到需要进行的投送任务，将物资装载入无人飞行器并输入目标终端编号及所处区域，无人飞行器起飞后依靠GNSS导航进抵预设区域内。通过互联网模块传输信息，激活用户端基站，用户终端通过单个UWB 基站发射信号。无人飞行器机载UWB天线矩阵接收信号，通过四部天线组成成三侧棱两两垂直的三棱锥形天线矩阵。并以此建立空间体坐标系。获取用户终端所发射信号到天线矩阵中的相位差信号，并以此解析该体坐标系下，原点到用户终端的方向向量，从而完成对用户终端的精准投送。
[0008]本专利技术采用的技术方案为：一种用于城市物资精准投送的全流程无人机导航方法，包括以下步骤：
[0009]首先定义如下术语：投送流程中的收件人为用户，用于发射UWB信号的终端为用户终端，用户所持有的用户终端为目标终端，调度无人机的人员为控制中心，控制中心的用户终端为始发终端；
TX口连接；UWB基站用于在接到基站控制器的信号后完成UWB信号的发射与终止；压力传感器用于获取城市物资抵达的压力信号，并向基站控制器发送已接收城市物资的信号；压力传感器还具备支撑机构，用于将所收城市物资倾倒至周边预设储存区；互联网模块用于与控制中心以及用户进行通讯，接收开启UWB的指令并发送接收状态；基站控制器用于控制所述UWB基站信号发射，同时用于接收压力传感器信号，并通过互联网终端发送物资接收完成的信号。
[0022]进一步的，所述基站控制器为51单片机；
[0023]进一步的，所述互联网模块为E32V 4G互联网通讯模块；
[0024]相较于现有技术，本专利技术具有以下优点：
[0025]1.本专利技术在无人机飞行过程中均无需人工介入无人机操作，用户端无需人员等待或进行接触，不仅解决了现有城市高楼层投送困境，极大的降低了人力成本，降低了劳动强度，也提高了投送效率。
[0026]2.本专利技术只需要将多根天线布设在无人机上，使得用户终端仅包括一个UWB基站、一个互联网模块以及一个压感平台，极大的降低了用户终端的成本与布设难度。
[0027]3.本专利技术解决了现有用于城市精准投送的无人机飞行末端的精准投送，降低了现有定位系统用户端的铺设成本，能够廉价的面向市场投放。
附图说明
[0028]图1是本专利技术实施例投送模型示意图；
[0029]图2是本专利技术实施例投送流程图；
[0030]图3是本专利技术一种无人飞行器的结构组成图；
[0031]图4是本专利技术无人飞行器所携带的UWB天线矩阵布置示意图；
[0032]图5是本专利技术中计算由相位差所获得的角度示意图；
[0033]图6是本专利技术一种用户终端的结构组成图。
具体实施方式
[0034]为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案，下面先结合附图介绍该技术方案的应用场景。
[0035]参见图1、图2为本专利技术实施例用于城市物资精准投送的全流程无人机导航方法，本专利技术适用环境为城市物资投送，投送方式为无人飞行器自主作业。
[0036]图1中无人机在收受投送任务后需要在没有人工干预的情况下完成投送任务并返航，以区级快递站作为控制中心投送到用户终端为例。
[0037]传统技术中，无人机利用GNSS导航系统实施投送任务，并执行返航。但是GNSS系统在城市内受干扰较严重，且难以提供厘米级定位信息。同时传统投送中视觉识别技术受限于室外环境的变化，难以准确分辨用户位置。目前大多方案最后投送至单元楼，并不能满足精准投送需求。
[0038]本专利技术利用超宽带导航技术实现投送末端区域导航，即在进入目标区域后激活用户终端内UWB基站，从而引导无人机进行精准投送，无需人工介入飞行阶段，仅需要人工批准飞行申请，大幅降低了劳动强度，并能实现无接触投送。
[0039]超宽带定位是无线电定位的一种，其通过UWB技术利用极窄脉冲进行数据传输。UWB 因为其所用带宽达到500MHz～7.5GHz，因此其具有时间分辨率很高，逐渐应用在高精度定位领域。
[0040]同时在本实施例提供的方案中，用户端仅需要布置一个载有UWB基站的用户终端，大幅改善了UWB定位环境布设的复杂性。
[0041]参见图3，图中为本申请实施例提供的一种无人飞行器结构组成图。
[0042]无人机上搭载UWB天线阵列如图4，UWB天线阵列通过四部天线组成成三侧棱两两垂直的三棱锥形天线矩阵。其中三侧棱正交处的天线定义为天线0，其余三天线分别定义为天线1、天线2、天线3。定义天线1、2、3与天线0的距离皆为d，且天线1、2、3与天线0 的连线正交。其中天线0、1连线指向无人机正前方，天线0、2连线指向无人机正左侧，天线0、3连线与无人机纵轴平行。并以天线0、1连线为x轴，天线0、2连线为y轴，天线0、 3连线为z轴，建立基于无人机的体坐标系。UWB天线阵列解析其所获得的相位差信号与其中所述天线0到所述用户终端的距离信息。定义所述天线1与所述天线0接收的UWB相位差信号为α1；定义所述天线2与所述天线0接收的UWB相位差信号为α2；定义所述天线3 与所述天线0接收的UWB相位差信号为α3；
[0043]机载控制器用于接收与解析所述UWB天线阵列接收信号的相位差信号，机载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于城市物资精准投送的全流程无人机导航方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：首先定义如下术语：投送流程中的收件人为用户，用于发射UWB信号的终端为用户终端，用户所持有的用户终端为目标终端，调度无人机的人员为控制中心，控制中心的用户终端为始发终端；步骤S1：控制中心与用户通过互联网通讯，明确物资投送种类、数量或包裹编号，明确用户终端的编号、区域，并将信息输入无人飞行器，同时完成物资或包裹的挂载；步骤S2：无人飞行器升空到达巡航高度，通过GNSS导航系统明确自身与目标终端所在区域相对指向，直线飞行并稳定在巡航高度；步骤S3：无人飞行器进入目标终端所在区域，通过互联网模块与控制中心通讯，控制中心与目标终端通讯，通过基站控制器激活UWB基站发送UWB信号；无人飞行器机载UWB天线矩阵根据所接收的UWB信号，解算目标终端相对无人飞行器的向量方向，并引导无人飞行器在不与障碍物碰撞的情况下向目标终端靠拢；步骤S4：当目标终端压力传感器获得压力信号后传输给基站控制器，基站控制器通过互联网将投送完成的信号发送给用户与控制中心，控制中心将控制信号发送给无人飞行器，无人飞行器解除对包裹的抓取；无人飞行器再次起飞，继续该区域投送作业或返航；步骤S5：目标终端压力传感器支撑机构启动，将所收到货物倾倒至周边预设区域或接收篮，以便继续接收作业；步骤S6：无人飞行器完成投送作业，继续执行步骤S2至步骤S4，当始发终端的压力传感器获得压力信号后传输给基站控制器，基站控制器通过互联网将信号发送给控制中心，无人飞行器动力系统关闭。2.一种基于权利要求1所述用于城市物资精准投送的全流程无人机导航方法的无人飞行器，其特征在于：包括无人机、GNSS定位模块、互联网模块、UWB天线阵列、机载控制器，机载控制器通过数据线与无人机连接，GNSS定位模块、互联网模块、UWB天线阵列均通过数据线与机载控制器的RX口连接，互联网模块还与机载控制器的TX口连接；其中无人机用于城市物资的挂载；GNSS定位模块用于接收卫星导航信号，确定无人机粗略方位；互联网模块用于与控制中心通讯，发送自身位置与任务状态；UWB天线阵列包括至少四个天线，每个天线均不共面，用于接收UWB信号到达的信息；机载控制器用于接收与解析所述UWB天线阵列接收信号，根据接受到的GNSS定位模块的信号确定无人机飞行航向，并保持巡航高度，同时还用于根...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏国，张成众，刘万青，徐浚熙，王林，高春峰，廖志坤，于旭东，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：