基于差分卫星导航的无人飞行器跟随系统和方法与流程

本发明实施例涉及无人机领域，尤其涉及基于差分卫星导航的无人飞行器跟随系统和方法。

背景技术：

系留无人机，因为可以提供长时间的滞空能力，在局面监控、信号中继、森林消防等领域受到广泛的重视和采用。

系留无人机因为有系留线缆的存在，增大了其降落的难度，同时，用户在使用中又对其定点降落在系留平台提出更高的要求。如果采用操作人员手动实现无人飞行器的降落和交通工具的跟随，其存在精度差、操作难度大等问题，在现实环境下往往无法完成。如果可以实现自动定点降落，将会极大降低系留无人机的使用难度，从而大大拓宽其使用范围。目前有通过卫星导航实现降落和跟随的方案，即交通工具实时将自身卫星导航坐标和速度报告无人飞行器，飞行器通过计算其与自身卫星导航坐标和速度的差异，从而计算出自身应具有的飞行速度和方向，完成跟随。由于普通卫星导航存在较大误差，其水平方向的误差在3-5米，高度误差在10米以上，因此通过普通GPS无法完成飞行器的高精度的跟随。

技术实现要素：

本发明提供基于差分卫星导航的无人飞行器跟随系统和方法，以实现无人飞行器对地面站的精确跟随。

第一方面，本发明实施例提供了基于差分卫星导航的无人飞行器跟随系统，其特征在于，包括：第一卫星导航装置、第二卫星导航装置、差分解算模块和导航模块；

所述第一卫星导航装置设置于无人飞行器的地面站并接收第一卫星定位数据；

所述第二卫星导航装置设置于所述无人飞行器并接收第二卫星定位数据；

所述差分解算模块根据所述第一卫星定位数据和第二卫星定位数据解算出所述无人飞行器相对于地面站的位置；

所述导航模块根据所述无人飞行器相对于地面站的位置通过比例-积分-微分PID的控制方式控制所述无人飞行器处于所述地面站的正上方。

第二方面，本发明实施例还提供了无人飞行器跟随方法，用于前文所述的无人飞行器跟随系统，包括：

获取无人飞行器对应的第一卫星定位数据和地面站对应的第二卫星定位数据；

根据所述第一卫星定位数据和第二卫星定位数据解算出所述无人飞行器相对于地面站的位置；

根据所述无人飞行器相对于地面站的位置通过比例-积分-微分PID的控制方式控制所述无人飞行器处于所述地面站的正上方。

本发明通过解算无人飞行器和地面站对应的卫星定位数据，并进行差分后去除误差，从而获得无人飞行器和地面站之间的相对位置，通过无人飞行器和地面站之间位置的互相参考，通过比例-积分-微分PID的控制方式控制所述无人飞行器处于所述地面站的正上方，提高了无人飞行器系留跟随的精确性，可以得到精确到厘米级的相对距离和方位。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中提供的基于差分卫星导航的无人飞行器跟随系统的结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中提供的一种无人飞行器跟随方法的第一实施例的方法流程图。

图3为本发明具体实施方式中提供的一种无人飞行器跟随方法的第二实施例的方法流程图。

图4为本发明具体实施方式中提供的一种无人飞行器跟随方法的大地坐标系和本体坐标系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明具体实施方式中提供的基于差分卫星导航的无人飞行器跟随系统的结构示意图。如图1所示，该无人飞行器跟随系统，主要包括：

第一卫星导航装置11、第二卫星导航装置21、差分解算模块12和导航模块13；

所述第一卫星导航装置11设置于无人飞行器10的地面站20并接收第一卫星定位数据；

所述第二卫星导航装置21设置于所述无人飞行器10并接收第二卫星定位数据；

所述差分解算模块12根据所述第一卫星定位数据和第二卫星定位数据解算出所述无人飞行器10相对于地面站20的位置；

所述导航模块13根据所述无人飞行器10相对于地面站20的位置通过比例-积分-微分PID的控制方式控制所述无人飞行器10处于所述地面站20的正上方。

一个完整的系留无人机体系包括无人飞行器10和地面站20，在执行飞行任务的过程中，无人飞行器10通过系留线缆与地面站20相连，地面站20可以通过系留线缆向无人飞行器10供电。

目前，无人飞行器10普遍通过使用单频机载GNSS(全球导航卫星系统，如GPS、北斗、伽利略系统等)接收机实时获取位置信息进行飞行导航。而GNSS绝对定位精度通常只能达到10-15米，不适合于一些要求精准定位领域的应用。对于无人飞行器10与地面站20的跟随而言，10-15的误差所实现的跟随效果已经很差。差分卫星导航技术是解决定位精度问题的重要方法之一。国际上有一些直接提供卫星导航实时差分改正服务的系统，利用全球卫星导航差分网为各地的用户提供实时的高精度差分改正服务。而这类服务通常十分昂贵，且受差分网覆盖程度的影响，有些地区的差分精度仍受局限。此外，使用这些服务需要一些专用设备，进而占用无人机的有效载荷。

在本方案中，分别在无人飞行器10(主要是旋翼无人机，另外也可以是热气球)和地面站20设置第一卫星导航装置11和第二卫星导航装置21用于接收各自的卫星定位数据(分别为第一卫星定位数据和第二卫星定位数据)，为定位精确，无人飞行器10和地面站20的卫星定位数据来自于同一组(不少于4颗)卫星。第一卫星定位数据和第二卫星定位数据各自在定位过程中，卫星导航装置会产生基准信号的相位与此时接收到的卫星载波信号的相位之差(亦称瞬时载波相位差)，将相位之差按卫星导航装置、卫星、观测历元3个要素对其进行差分处理可得到间接观测值，进而实现无人无飞行器与地面站20的相对定位。

在完成相对定位之后，导航模块13通过比例-积分-微分PID的控制方式控制无人飞行器10的飞行参数，使其处于地面站20的正上方。需要说明的是，因为无人飞行器10处于动态运行的过程中，这里所说的使无人飞行器10处于地面站20的正上方是指使无人机趋向于处于地面站20的正上方，而不是绝对处于地面站20的正上方。

差分解算模块12设置于无人飞行器10或地面站20。

一般而言，为降低无人飞行器10的载荷，差分解算模块12设置于地面站20。

导航模块13设置于无人飞行器10。

导航模块13可以设置于无人飞行器10，也可以设置于地面站20，用于根据无人飞行器10与地面站20的相对位置生成无人飞行器10的飞行参数，进而调整无人飞行器10的位置，使其处于地面站20的正上方。

地面站20可以为固定底面站，可以实现无人飞行器10的精确控制；地面站20也可以为可移动地面站20，列入设置于车辆或船舶上，实现位置的快速移动和应用场景的多样化。

第一卫星定位数据或第二卫星定位数据通过无人飞行器10和基站之间的系留线缆传输到所述差分解算模块12。

具体传输第一卫星定位数据还是第二卫星定位数据由差分解算模块12的安装位置决定，另外，如果导航模块13设置于地面站20，系留线缆还可以传输导航模块13生成的飞行参数到无人飞行器10，通过飞行参数控制无人飞行器10的飞行状态，进而控制位置。

本实施例通过解算无人飞行器和地面站对应的卫星定位数据，并进行差分后去除误差，从而获得无人飞行器和地面站之间的相对位置，通过无人飞行器和地面站之间位置的互相参考，通过比例-积分-微分PID的控制方式控制所述无人飞行器处于所述地面站的正上方，提高了无人飞行器系留跟随的精确性，可以得到精确到厘米级的相对距离和方位。

图2为本发明具体实施方式中提供的一种无人飞行器跟随方法的第一实施例的方法流程图。本实施例提供的无人飞行器跟随方法可以是由上述无人飞行器跟随系统执行。如图2所示，本发明实施例提供的无人飞行器跟随方法具体包括：

S21：获取无人飞行器对应的第一卫星定位数据和地面站对应的第二卫星定位数据。

第一卫星定位数据和第二卫星定位数据一般通过导航卫星生成，发送到对应的第一卫星导航装置和第二卫星导航装置，具体的卫星定位过程在现有技术中多有实现，在此不做进一步说明。

S22：根据第一卫星定位数据和第二卫星定位数据解算出无人飞行器相对于地面站的位置。

第一卫星定位数据和第二卫星定位数据各自在定位过程中，卫星导航装置会产生基准信号的相位与此时接收到的卫星载波信号的相位之差(亦称瞬时载波相位差)，将相位之差按卫星导航装置、卫星、观测历元3个要素对其进行差分处理可得到间接观测值，进而实现无人无飞行器与地面站的相对定位，也就是确认无人飞行器相对于地面站的位置。

S23：根据无人飞行器相对于地面站的位置通过比例-积分-微分PID的控制方式控制无人飞行器处于地面站的正上方。

比例-积分-微分PID控制过程通过PID参数体现。PID参数包括P值、I值和D值，其中P值用于决定控制量从当前数值向目标数值靠近的速度，但是只有P值控制会导致最后当前数值在目标数值附近震荡而无法进一步靠近，这个差距称为稳态误差，I值用于减少稳态误差，D值用于决定控制量的当前数值在目标数值附近震荡的快慢。在本实施例中，该控制量为马达的转速。

通常的，无人机的运行状态为悬停状态时，PID参数中的P值比较大；无人机的运行状态为起飞状态时，PID参数中的D值比较大。在实际测试中发现，在悬停状态时，P值比较大时，无人机能够很好的抵抗外界外力，进而保持平稳飞行；在起飞状态时，D值比较大时，无人机能够减少侧翻概率。

通过解算无人飞行器和地面站对应的卫星定位数据，并进行差分后去除误差，从而获得无人飞行器和地面站之间的相对位置，通过无人飞行器和地面站之间位置的互相参考，通过比例-积分-微分PID的控制方式控制所述无人飞行器处于所述地面站的正上方，提高了无人飞行器系留跟随的精确性，可以得到精确到厘米级的相对距离和方位。

图3为本发明具体实施方式中提供的一种无人飞行器跟随方法的第二实施例的方法流程图。本实施例提供的无人飞行器跟随方法可以是由上述无人飞行器跟随系统执行。如图3所示，本发明实施例提供的无人飞行器跟随方法具体包括：

S30：设置获取第一卫星定位数据和第二卫星定位数据的周期。

根据实际的应用场景的需求，可以设置获取第一卫星定位数据和第二卫星定位数据的周期。例如固定地面站，位置变化小，那么周期可以稍长；例如可移动地面站，位置变化大，周期需要设置比较短。

S31：获取无人飞行器对应的第一卫星定位数据和地面站对应的第二卫星定位数据。

S32、根据第一卫星定位数据建立以地面站为原点的大地坐标系。

大地坐标系以地面站为原点，一般而言，以正北为Y轴正方向；正东为X轴正方向。当然因为Y轴和X轴都是人为定义，可以设定其它两个互相垂直的方向为X轴和Y轴，只要符合Y轴和X轴的基本要求以及以地面站为原点即可。当然，大地坐标系也可以通过极坐标系进行描述。

S33：根据第二卫星定位数据确认无人飞行器在大地坐标系中的投影的位置。

在无人飞行器的飞行过程中，无人飞行器一般与地面站不在同一水平面，而本方案中需要将无人飞行器调整到处于地面站的正上方即可，只需要确认无人飞行器在大地坐标系的投影的位置，进一步控制无人飞行器在水平面内的飞行即可。

S34：建立以无人飞行器在大地坐标系中的投影为原点的本体坐标系，本体坐标系的Y轴指向无人飞行器的前方。

以无人飞行器在大地坐标系中的投影为原点，可以另外建立本体坐标系，本体坐标系的Y轴指向无人飞行器的前方，大地坐标系和本体坐标系如图4所示，其中OXY为大地坐标系，O’X’Y’为本体坐标系。

S35：通过比例-积分-微分PID的控制方式控制无人飞行器飞行以使本体坐标系的原点与大地坐标系的原点重合。

无人飞行器可以根据其与地面站的相对位置，本体坐标系的原点与大地坐标系的原点的相对位置进行调整，即直接控制无人飞行器沿着O’O飞往地面站的正上方。

另外，还可以先确认本体坐标系的原点相对于大地坐标系的原点，在本体坐标系的X轴和在本体坐标系的Y轴的两个分量。

具体请参考图4,本体坐标系相对于大地坐标系存在一个角度，即无人飞行器的Y轴的正方向相对于大地坐标系的Y轴的正方向(北方)的夹角，这一夹角也就是无人飞行器的航向角，记为γ。

则OO’在O’X’的分量为OA*cosγ+OB*sinγ；

在O’Y’的分量为OA*sinγ+OB*cosγ。

再通过比例-积分-微分PID的控制方式生成无人飞行器在两个分量的飞行速度，通过飞行速度控制无人飞行器飞行以使本体坐标系的原点与大地坐标系的原点重合。

根据以上获得的分量，可以分别控制无人机向O点飞行的速度，从而保证无人机处于O点的正上方。

为简化，只考虑某一方向的分量。设无人机相对系留点的距离为E_n，其中角标i表示第i次调整，则根据PID控制理论，无人机向相反方向飞行的速度应该为V＝K_p*E_n+K_i*∑E_n+Kd*(E_n-E_n-1)；其中K_p、K_i、K_d分别为比例、积分、微分系数，∑E_n为多次距离的累积和即积分项，(E_n-E_n-1)为本次距离相对上次距离的变化量，即微分项。从以上公式可知，无人机返回系留点上方的速度为距离、距离积分、距离微分三项分别乘以相应的比例系数并加和而得。以上比例系数需要根据无人机的动力、重量等进行调整，该调整过程称为整定系数。各个系数的作用在前文已有描述，在此不做进一步说明。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。