一种用于无人机的手持地面站及测绘定位方法与流程

本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种用于无人机的手持地面站及测绘定位方法。

背景技术：

无人机作为一种性能优越的空中平台，最早用于军事领域。但随着技术的发展和变革，无人机开始在民用领域迅速发展，尤其是在农业植保方面。植保无人机是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，主要是通过地面遥控或gps飞控来实现喷洒药剂作业。无人机植保作业与传统植保作业相比，具有作业精准、高效环保等特点，可以为农户节省大量的人力成本。

近年来随着智能化的发展，无人机的全自主飞行植保也越来越普及，对植保的精准度要求也越来越高。但要实现无人机的全自主精准植保需要一定的条件基础，首先是无人机的精准飞行，其次是地块的精准测绘，以及地面站可实现地块数据下载和地块航线规划。那么飞手在植保前就需要先对地块进行测绘并上传到后台服务器，然后地面站从服务器下载地块信息并进行规划后才能开始植保飞行。整个过程中存在如下几个问题：

1、植保时需要带上精准的测绘工具（如，手持测绘杆），增加了植保人员的设备负重。

2、田间地头需要有网络信号，能让测绘的地块信息上传到后台服务器，对网络环境要求更高了。

3、如果田间地头没有网络信号，那么就需要测绘时跑一趟植保时跑一趟，增加了植保的工作量。

因此，研发设计出一种带精准定位适合全自主植保无人机行业需求的地面站，势在必行。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术存在的不足，从而提供一种用于无人机的手持地面站及测绘定位方法。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种用于无人机的手持地面站的测绘定位方法，所述方法包括以下步骤：

接收测绘点定位请求指令，记录并保存所述测绘点定位请求指令；

根据所述测绘点定位请求指令，通过rtk基准站和卫星计算出地面站坐标值，所述地面站坐标为测绘点位置坐标；

将计算出位置坐标值与测绘点定位请求进行一一对应整合，并将整合结果在本地保存；

将整合结果分别发送至无人机和后台服务器。

进一步地，还包括设定返航点定位的步骤，具体包括：

接收返航点定位请求指令，记录并保存所述返航点定位请求指令；

根据所述返航点请求指令，通过rtk基准站和卫星计算出地面站坐标值，所述地面站坐标为返航点位置坐标；

将计算出位置坐标值与测绘点定位请求进行一一对应整合，并将整合结果在本地保存；

将整合结果分别发送至无人机和后台服务器。

进一步地，所述rtk基准站为自建基准站，所述自建基准站与地面站配对连接，通过自建基准站计算出地面站位置坐标具体为：

接收自建基准站的卫星信号、载波相位和观测坐标值（x,y,z）；

根据地面站本身接收到的卫星信号和自建基准站的载波相位信息，计算出地面站和自建基准站的位置偏移（∆x，∆y，∆z）；

根据自建基准站的观测坐标值（x,y,z），计算出地面站的相对坐标值（a，b，c）=（x+∆x，y+∆y，z+∆z）。

进一步地，所述rtk基准站为公用基准站，通过公用基准站计算出地面站位置坐标具体为：

所述rtk基准站为公用基准站，所述公用基准站与地面站无线连接，通过公用基准站计算出地面站位置坐标具体为：

接收公用基准站发送的卫星修正信息和绝对坐标值（x,y,z）；

根据地面站本身接收到的卫星信号和公共基准站发送的卫星修正信息，计算出地面站和公共基准站的位置偏移（∆x，∆y，∆z）；

根据公共基准站的绝对坐标值（x,y,z），计算出地面站的绝对坐标（a，b，c）=（x+∆x，y+∆y，z+∆z）。

进一步地，还包括防止无人机撞击地面站操作员的步骤，具体包括：

接收无人机飞行期间发送的位置坐标信息，并同时通过rtk基准站和卫星计算出地面站在同一时间的位置坐标；

计算两者位置坐标的距离差，并与设定的安全距离进行比较，若两者的距离差小于设定的安全距离，则在无人机当前位置和下一个目的位置间重新生成一个在安全距离外的路线，使无人机绕开地面站飞行。

在第二方面，本发明还提供了一种用于无人机的手持地面站。该地面站包括一外壳，所述外壳包括上壳体和下壳体，上壳体上设有数传天线、无线通信天线和可旋转的rtk模块，外壳内设有处理器、数传模块和无线通信模块，

所述数传模块与无人机和处理器分别相连，用以完成处理器与无人机的数据交换；

所述处理器与所述rtk模块相连，用以接收测绘点定位指令并传输至rtk模块；以及将测绘点定位指令与rtk模块处理得出的坐标进行对应整合处理，并保存整合处理结果；

所述rtk模块，用以接收处理器传输的测绘点定位指令，并根据测绘点定位指令通过rtk基准站和卫星进行定位处理以获取地面站的坐标值，所述地面站的坐标值为测绘点坐标值；

所述无线通信模块与处理器和后台服务器分别相连，用以将所述处理器定位整合处理结果发送至后台服务器；

所述数传天线和无线通信天线分别与所述数传模块和无线通信模块相连，分别用以收发信号。

进一步地，所述处理器还被配置用以接收返航点定位指令并传输至rtk模块；以及将返航点定位指令与rtk模块处理得出的坐标进行对应整合处理，并保存整合处理结果；

所述rtk模块还被配置用以接收处理器传输的返航点定位指令，并根据返航点定位指令通过rtk基准站和卫星进行定位处理以获取地面站的坐标值，所述地面站的坐标值为返航点坐标值。

进一步地，所述rtk模块还被配置为：通过自建基准站计算出地面站位置坐标，具体为：

接收自建基准站的卫星信号和载波相位；

根据地面站本身接收到的卫星信号和自建基准站的载波相位信息，计算出地面站和自建基准站的位置偏移（∆x，∆y，∆z）；

根据自建基准站的观测坐标值（x,y,z），计算出地面站的相对坐标值（a，b，c）=（x+∆x，y+∆y，z+∆z）。

进一步地，所述rtk模块还被配置为：通过公用基准站计算出地面站位置坐标，具体为：

接收公用基准站发送的卫星修正信息；

根据地面站本身接收到的卫星信号和公共基准站发送的卫星修正信息，计算出地面站和公共基准站的位置偏移（∆x，∆y，∆z）；

根据公共基准站的绝对坐标值（x,y,z），计算出地面站的绝对坐标（a，b，c）=（x+∆x，y+∆y，z+∆z）。

进一步地，所述rtk模块还被配置为：接收无人机飞行期间发送的位置坐标信息，并同时通过rtk基准站和卫星计算出地面站在同一时间的位置坐标；

所述处理器还被配置为：计算无人机和地面站在同一时间位置坐标的距离差；将计算结果与设定的安全距离进行比较，若两者的距离差小于设定的安全距离，则在无人机当前位置和下一个目的位置间重新生成一个在安全距离外的路线，使无人机绕开地面站飞行。

本发明具有如下优点：

1、通过地面站增加rtk模块，将手持测绘杆和地面站合二为一，可使定位偏差从原来的米级降到厘米级别，不但增强了定位精准度，还这提高了无人机返航时降落地点的精确性。

2、由于rtk模块的存在，使得地面站可以替代传统手持测绘杆进行喷洒前的测绘。不但减少了设备以及运输的投入，还能减少人力的投入，测绘和植保同期前后进行，无需测试单独跑一趟。

3、地面站测绘，降低了对环境网路的需求，测绘杆测绘需上传服务器后才能植保，但采用地面站测绘则无需上传后台服务器也可执行植保工作。

4、设置一个无人机与地面站的安全距离，无人机在作业时，会根据地面站的位置信息，绕开地面站所在位置，保证人员的绝对安全。

附图说明

图1是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的结构图；

图2是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的主要电气原理框图；

图3是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的测绘定位方法流程图；

图4是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站与自建基准站之间的数据交互示意图；

图5是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站与公用基准站之间的数据交互示意图；

图6是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的返航点定位方法流程图；

图7是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的防止无人机撞击地面站操作员的示意图；

图8是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的防止无人机撞击地面站操作员的方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

图1是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的结构图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种无人机的手持智能地面站，其包括壳体，该壳体包括上壳体1和下壳体2，上壳体1上设有lcd彩色显示屏3，户外高亮，支持戴手套进行触摸屏操作。上壳体1上还设置有喇叭4，喇叭4可用来报警提示。上壳体1上连接一个数传天线5和无线通信天线6，以及一个可旋转的rtk模块7，数传天线5和无线通信天线6可以方便信号的接收与传输。rtk模块7设置为可旋转式的好处是可以根据飞手（地面站操作员）拿的角度不同而调整rtk模块，使得定位效果最佳。采用rtk模块7的原因是，考虑到即使是高精度的gps定位其偏差也在2-5米左右，而在实际的植保测绘或定位时使用的是普通的gps模块偏差比较大，不能达到预期的定位效果。所以在本发明实施例的无人机地面站采用rtk模块来替换普通gps模块，使定位偏差从原来的米级降到厘米级别。使设备的定位精准度达到厘米级别，在植保作业时能时刻精准定位，实现了植保作业的精准喷洒以及安全作业的需求。

另外，为了防止手持智能地面站进水，影响内部器件的正常运行，本发明实施例在下壳体2外设置保护套8，该保护套8为tpu材质防水胶套。上壳体1和下壳体2结合处设置防水条，在喇叭4内贴防水透气模。

图2是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的主要电气原理框图。

如图2所示，本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站外壳内设有处理器8、数传模块9和无线通信模块10。

数传模块9与无人机之间通过无线射频方式连接，和处理器8通过串口或usb方式或其他有线方式连接，主要用来完成处理器8与无人机11的数据交换。本发明实施例的数传模块9的可选用xbeepro900hps3b型号的数传模块。数传模块9的数据接收与发送主要通过与其连接的数传天线5来完成。

处理器8与rtk模块7相连，用来协调各部件的运行、下发控制指令和接收反馈结构。例如用以接收测绘点定位指令或返航点定位指令并传输至rtk模块7；以及将测绘点定位指令或返航点定位指令与rtk模块7处理得出的坐标进行对应整合处理，并保存整合处理结果。以及还用来控制喇叭4进行报警输出，控制lcd彩色显示屏3进行相关内容显示。处理器8在获取测绘点的位置坐标后，计算出地块的面积和形状，然后生成飞行路线，无人机便可根据生成的飞行路线进行植保操作。

无线通信模块10与处理器8和后台服务器12分别相连，用以将处理器8定位整合处理结果发送至后台服务器12。无线通信模块10可为wifi模块或4g模块。

rtk模块7主要用来实现地面站的定位，具体为：接收处理器8传输的测绘点定位指令或返航点定位指令，并根据测绘点定位指令或返航点定位指令通过rtk基准站和卫星进行定位处理以获取地面站的坐标值，获取的地面站的坐标值即为测绘点或返航点坐标值。地面站在使用rtk模块7定位时，地面站就相当于一个rtk流动站。在实际使用过程中，rtk的定位路径随基准站的不同而分两种传输方式。

第一种：是采用自建基准站，既在使用rtk定位时，采用用户自己架设基准站的数据进行定位；这就要求用户在定位前要先架设好基准站，用户可选择指定位置架设基准站，基准站一但架设完成，在整个定位过程中都不可以变动位置，然后地面站与指定基准站就可以进行配对，配对完成后地面站就可以接收来自基准站的数据。

如图4所示，自建基准站获取卫星信号，同时将接收到的载波相位发送给地面站，地面站通过数传模块接收来自自建基准站卫星信号、载波相位和观测坐标值（x,y,z），再由处理器传输至rtk模块，同时rtk模块还要接收本身接收到的卫星信号，然后根据本身的卫星信号和自建基准站的载波相位信息，计算出地面站和自建基准站的位置偏移（∆x，∆y，∆z）；根据自建基准站的观测坐标值（x,y,z），计算出地面站的相对坐标值（a，b，c）=（x+∆x，y+∆y，z+∆z），因为自建基准站是用户自行建设，其观测坐标值（x,y,z）并不是实际坐标值，所以计算出地面站的坐标值（a，b，c）是一个相对值。

第二种：是采用公用的基准站，既地面站在用rtk定位时，采用公共的基准站的数据进行定位；这种方式下用户不需要自己架设基准站，直接通过地面站内无线通信模块连接公用基准站即可。

如图5所示，公用基准站获取卫星修正信息，并将卫星修正信息和公用基准站的绝对坐标值（x,y,z）发送给地面站，地面站通过数传模块接收来自公用基准站卫星修正信息和绝对坐标值（x,y,z），再由处理器传输至rtk模块，同时rtk模块还要接收本身接收到的卫星信号，然后根据本身的卫星信号公用基准站的修正信息，计算出地面站和公用基准站的位置偏移（∆x，∆y，∆z）；根据公用基准站的绝对坐标值（x,y,z），计算出地面站的绝对坐标值（a，b，c）=（x+∆x，y+∆y，z+∆z）。因为公共基准站的位置坐标是可以保证非常精确的，那么地面站所算出来的绝对坐标也就非常精确。

地面站有定位需求时，会通过处理器8将定位需求发送给rtk模块7，rtk模块7进行定位后，将定位信息反馈给处理器8。同时地面站的植保指令是处理器8通过数传模块9发送给无人机，且无人机也会通过数传将植保状况和位置信息反馈到处理器8；处理器8不仅保存了来自rtk模块7的定位信息，还保存了植保指令以及植保反馈信息，同时还通过网络将这些信息发送到后台服务器12保存。

图3是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的测绘定位方法流程图。

在步骤301中，接收测绘点定位请求指令，记录并保存所述测绘点定位请求指令。

在步骤302中，根据所述测绘点定位请求指令，通过rtk基准站和卫星计算出地面站坐标值，所述地面站坐标为测绘点位置坐标。

在步骤303中，将计算出位置坐标值与测绘点定位请求进行一一对应整合，并将整合结果在本地保存。

在步骤304中，将整合结果分别发送至无人机和后台服务器。

其中，步骤302中地面站在使用rtk定位时，地面站就相当于一个rtk流动站。在实际使用过程中，rtk的定位路径随基准站的不同而分两种传输方式。

第一种，rtk基准站采用自建基准站，自建基准站与地面站配对连接，通过自建基准站计算出地面站位置坐标具体为：

接收自建基准站的卫星信号、载波相位和观测坐标值（x,y,z）；

根据地面站本身接收到的卫星信号和自建基准站的载波相位信息，计算出地面站和自建基准站的位置偏移（∆x，∆y，∆z）；

根据自建基准站的观测坐标值（x,y,z），计算出地面站的相对坐标值（a，b，c）=（x+∆x，y+∆y，z+∆z）。

第二种，rtk基准站采用公用基准站，公用基准站与地面站无线连接，通过公用基准站计算出地面站位置坐标具体为：

接收公用基准站发送的卫星修正信息和绝对坐标值（x,y,z）；

根据地面站本身接收到的卫星信号和公共基准站发送的卫星修正信息，计算出地面站和公共基准站的位置偏移（∆x，∆y，∆z）；

根据公共基准站的绝对坐标值（x,y,z），计算出地面站的绝对坐标（a，b，c）=（x+∆x，y+∆y，z+∆z）。

图6是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的返航点定位方法流程图。

无人机降落的安全需求：精确设置返航点位置，返航点即无人机返航的降落点，返航点的位置是否准确不仅关系到无人机的安全降落问题还涉及到对降落点地理位置的选择。

无人机植保作业的区域一般都是田间或山坡，起降点一般都在田间地头，但这些田埂区域的特点多数是狭窄不平，最宽也只有1米左右，一般gps的定位精度为米级很难确保无人机能在这狭小区域无偏差降落，一但出现几分米的偏差，那么无人机就会降落到安全区域外，这可能会造成无人机的坠毁；所以在地理位置的选择上有严格的要求，需要附近有一个较大面积的空旷地，或者在降落前需要手动精确调整飞机的降落位置以保证安全性，这样也就限制了无人机植保作业的地理环境。

本发明实施例通过rtk模块代替了地面站中的gps模块定位,将定位精度提高到厘米级别，这样一来地面站的定位误差最多在几厘米内，就可准确在指定区域安全降落，这样既保证了无人机的安全还扩大了无人机作业的地理环境限制条件；所以飞手选择任何足够放置下无人机的区域设置为返航点，即使是狭窄的田埂也可设置为返航点，这样一来无人机可作业的区域也相应扩大，原先由于没有合适的降落点而限制无人机作业的区域现在就可以进行无人机植保作业了，或者需要将返航点设置在离地块很远的空旷地，来回浪费无人机电量，导致作业效率降低的问题现在也可以一并解决，所以地面站上新增rtk模块，不仅确保了无人机的安全，扩大了可作业范围，还在一定程度上提高了作业效率。

设置成功返航点后，地面站将返航点坐标通过数传模块发送到无人机，无人机上的rtk可根据坐标准确的找到返航点位置。具体操作流程如下所示。

在步骤601中，接收返航点定位请求指令，记录并保存所述返航点定位请求指令；

在步骤602中，根据所述测绘点定位请求指令，通过rtk基准站和卫星计算出地面站坐标值，所述地面站坐标为返航点位置坐标。该步骤中的返航点位置坐标求取方法与上述测绘点定位求取方法相同，在此不一一赘述。

在步骤603中，将计算出位置坐标值与测绘点定位请求进行一一对应整合，并将整合结果在本地保存。

在步骤604中，将整合结果分别发送至无人机和后台服务器。

需要说明的是，返航点定位请求指令与上述测绘点定位请求指令均通过地面站来实现，需要设置返航点时候，假定将地块地头处设为返航点，只需飞手将地面站携带此处即可，输入返航点定位请求指令，便可实现该点的定位。

图7示意了一种用于无人机的手持地面站的防止无人机撞击地面站操作员的示意图。

如图7所示，完成植保作业返航或其他原因返航时，其返航航线就是起点与返航点（home点）的直线；因为无人机的返航起点不定，飞手在植保作业时，可能就站在无人机的返航线上，若飞手没注意，就可能出现伤亡事件。因此就需要提供一种防止无人机撞击地面站操作员的方法。具体操作方法可如图8所示。

图8是本发明实施例的一种用于无人机的手持地面站的防止无人机撞击地面站操作员的方法流程图。

在步骤801中，地面站接收无人机飞行期间发送的位置坐标信息，并同时通过rtk基准站和卫星计算出地面站在同一时间的位置坐标。

在步骤802中，计算两者位置坐标的距离差。

在步骤803中，将步骤802中的坐标差与设定的安全距离进行比较，若两者的距离差小于设定的安全距离，则在无人机当前位置和下一个目的位置间重新生成一个在安全距离外的路线，使无人机绕开地面站飞行。本实施例中的安全区域为：以飞手所在位置（地面站位置）为中心，安全距离为半径所形成的区域外，设定的安全距离阈值为3米。

综上，本发明的用于无人机的手持地面站采用了rtk定位方法具有如下优点：

1、可使定位精度达到厘米级别，能使返航点位置更加精确，降落时实现了位置零偏差，降低了起降点的地理环境要求。

2、地面站增加了地块精准测绘功能，不但可减少设备以及运输的投入，还能减少人力的投入，测绘和植保同期前后进行，无需测试单独跑一趟。

3、地面站测绘，降低了对环境网路的需求，测绘杆测绘需上传服务器后才能植保，但采用地面站测绘则无需上传后台服务器也可执行植保工作。

4、设置一个无人机与地面站的安全距离，无人机在作业时，会根据地面站的位置信息，绕开地面站所在位置，保证人员的绝对安全。

5、关于地面站智能联网，可使用android或linux系统，通过4g及wifi技术进行数据交互。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。