一种无人机群夜间相对定位方法技术

本发明专利技术属于飞行器导航定位技术领域，公开了一种无人机群夜间相对定位方法。本发明专利技术通过无人机安装磁罗盘、被动红外反光球和二维转台红外摄像头，以及通讯拓扑网络实现对无人机集群内部的分布式协同定位和碰撞告警，无需增加额外设备，无需依赖外部信号源，避免了受到外界干扰，相比于传统激光雷达和超声波定位方法，本发明专利技术有效简化了系统，降低了实施成本。同时，本方法通过采用被动式红外反光球作为无人机夜间位置标记点，具有低成本、低功耗，低可探测性等优势，有利于夜间突防、侦察、打击等作战任务。任务。任务。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机群夜间相对定位方法


[0001]本专利技术属于飞行器导航定位
，涉及一种无人机群夜间相对定位方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，无人机集群在军事领域和民用领域都具有广阔的应用前景，特别是面向未来临地安防体系下的低空安防，无人机集群因具有作战能力强、体系生存率高以及攻击成本低等诸多优势，对我国工业生产、社会经济、科研教育等方面的防护、生产、安全、救援，以及对国防安全、社会稳定、经济发展均具有重要意义。而如何获取集群内各无人机之间高精度、高可靠的相对时空关系对于无人机集群飞行安全和任务的执行至关重要。因此，快速、经济和高质量的无人集群协同定位技术的需求和必要程度日益剧增。
[0003]目前，国内外学者在无人机集群自主相对定位领域已取得了丰富成果，并提出了一系列方法，如激光脉冲测距定位、UWB测距定位、视觉测距定位、超声波测距定位以及无线电测距定位等，被广泛应用到各个领域。激光脉冲测距定位成本极为高昂；UWB测距定位稳定性差，还可能干扰其他无线通讯；超声波测距定位采集速度慢，适用范围较小；无线电测距定位易被干扰，可靠性差。其中，视觉定位相比于其他几类方法，具有低成本、无源被动感知、低可探测性等的优点，是未来的重要研究方向之一，而现有的视觉测距定位主要是采用双目相机，计算任务繁重，且无法满足夜间使用需求的。
[0004]与此同时，无人机集群应用的终极目标是适应全天候全场景需求，然而目前对于夜间条件下依靠无人机自身进行相对定位感知的研究较少，而夜间又是无人机集群重要应用场景之一，特别是在军事领域。因此就需要一种夜间无人机群内部视觉协同定位方法来保证无人机集群在夜间环境下的正常运作。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种无人机群夜间相对定位方法。
[0006]为实现以上目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术具体是这样实现的：
[0008]一种无人机群夜间相对定位方法，一个无人机群包括4台无人机，每台无人机均包含磁罗盘、被动红外反光球和二维转台红外摄像头，包括如下步骤：
[0009]步骤1：无人集群编队起飞前布置
[0010]将无人机1、无人机2、无人机4和无人机3按照菱形几何编队顺次布置于起飞场地，并确保布置于菱形对角线上的其中一对无人机之间的初始距离与布置于菱形相邻顶点上的无人机之间的初始距离相等，且各无人机之间的初始实际距离应至少大于相互之间的安全半径之和、小于红外摄像头最大有效探测距离；
[0011]步骤2：无人集群编队上电；
[0012]步骤3：无人机起飞前基准构建，包括定位基准构建和时间基准构建；
位置后，其坐标变为(χ'3，ζ'3)，此时对应的无人机3的被动红外反光球在无人机1和无人机4的红外摄像头成像平面的像素坐标值分别变为(x'
13
，y'
13
)和(x'
43
，y'
43
)，根据坐标几何关系得到：χ'3＝x
43
‑
x'
43
，ζ'3＝x'
13
‑
x
13
；同理得到，无人机2在其χ2‑
ζ2钝角相对坐标系下的集群编队相对坐标为(χ'2，ζ'2)，其中χ'2＝x'
42
‑
x
42
，ζ'2＝x
12
‑
x'
12
。
[0027]进一步地，所述有向通讯拓扑具体为：无人机1同无人机2、无人机3和无人机4之间均为单向通信关系；无人机4同无人机2和无人机3之间均为单向通信关系；无人机2同无人机3之间为双向通信关系，其中无人机1为信息发送方。
[0028]本申请所述的安全半径为无人机机体最大轮廓外接圆半径的2倍。
[0029]与现有技术相比，本专利技术通过无人机磁罗盘、被动红外反光球和二维转台红外摄像头实现了夜间无人机群视觉相对定位，无需增加额外设备，无需依赖GPS、激光雷达和超声波雷达等，相较于传统方式当中的定位方法，本专利技术有效简化了系统，降低了实施成本。同时，本专利技术方法通过采用被动式红外反光球作为无人机夜间位置标记点，具有低成本、低功耗，低可探测性等优势，有利于夜间突防、侦察、打击等作战任务。
附图说明
[0030]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0031]图1为实施例技术方案图。
[0032]图2为实施例钝角坐标系示意图。
[0033]图3为实施例通讯拓扑有向图。
[0034]图4为实施例的工作流程图。
具体实施方式
[0035]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。
[0036]一种无人机群夜间相对定位方法，如附图1所示，主要包括4台无人机，每台无人机均包含磁罗盘、被动红外反光球和二维转台红外摄像头，其中磁罗盘用于各无人机获取其航向方向信息，被动红外反光球作为夜间视觉定位的标记，红外摄像头的视角为90
°
，所述无人机群相对定位仅需通过无人机1和无人机4的红外摄像头即可实现该编队的协同定位，无人机2和无人机3的红外摄像头可用于编队任务载荷，如搜索、侦察、避障等信息的获取。
[0037]具体实施流程图如附图4所示，包括如下步骤：
[0038]步骤1：无人集群编队起飞前布置。
[0039]将各无人机群按照附图1所示菱形几何编队布置于起飞场地，具体地，将无人机1、无人机2、无人机4和无人机3按照菱形几何编队顺次布置于起飞场地，应确保布置于菱形对角线上的其中一对无人机之间的初始距离(γ5)与布置于菱形相邻的顶点上的无人机之间的初始距离(γ1或γ2或γ3或γ4)相等，本实施例中各无人机之间的初始实际距离满足γ1＝γ2＝γ3＝γ4＝γ5，且各无人机之间的初始实际距离应至少大于相互之间的安全半径
之和，从而避免碰撞风险，与此同时，还应小于红外摄像头最大有效探测距离。步骤2：无人集群编队上电。
[0040]步骤3：无人机起飞前基准构建。
[0041]步骤3.1：定位基准构建：
[0042]步骤3.1.1：设置无人机1的二维转台红外摄像头轴线与其航向的夹角α1为180
°
，其余无人机的二维转台红外摄像头轴线与其航向的夹角α2～α4为零；
[0043]步骤3.1.2：微调无人机1和无人机4的二维转台红外摄像头轴线与其航向的夹角α1和α4，并使得被动红外反光球在其各自红外摄像头成像平面满足附图1所示要求，即无人机1和无人机4的被动红外反光球在对方成像平面的成像应处于水平中心处，无人机2和无本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机群夜间相对定位方法，其特征在于，一个无人机群包括4台无人机，每台无人机均包含磁罗盘、被动红外反光球和二维转台红外摄像头，包括如下步骤：步骤1：无人集群编队起飞前布置将无人机1、无人机2、无人机4和无人机3按照菱形几何编队顺次布置于起飞场地，并确保布置于菱形对角线上的其中一对无人机之间的初始距离与布置于菱形相邻顶点上的无人机之间的初始距离相等，且各无人机之间的初始实际距离应至少大于相互之间的安全半径之和、小于红外摄像头最大有效探测距离；步骤2：无人集群编队上电；步骤3：无人机起飞前基准构建，包括定位基准构建和时间基准构建；步骤4：各无人机相对坐标位置信息获取：依靠有向通讯拓扑，无人机2和无人机3均可获得其在无人机1和无人机4的红外摄像头成像平面的像素坐标值存储的起飞前像素坐标信息，以及实时检测到的像素坐标信息，进而获得无人机2和无人机3在其各自的钝角相对坐标系下的实时位置坐标，并以所述实时位置坐标协同定位相对坐标作为无人机2和无人机3的位置反馈，用于无人机2和无人机3的位置闭环控制；无人机1和无人机4分别以(x
14
，θ
14
)和(x
41
，θ
41
)作为其相对坐标基准，并通过其各自位置闭环控制实现姿态的保持，其中，x
14
为无人机4在无人机1的红外摄像头成像平面的像素坐标值存储的起飞前像素坐标信息中的横坐标，θ
14
为无人机4的被动红外反光球在无人机1成像平面的成像最大轮廓的直径像素值；x
41
为无人机1在无人机4的红外摄像头成像平面的像素坐标值存储的起飞前像素坐标信息中的横坐标，θ
41
为无人机1的被动红外反光球在无人机4成像平面的成像最大轮廓的直径像素值；步骤5：无人机1和无人机4分别通过实时将无人机2和无人机3的被动红外反光球在无人机1和无人机4成像平面的成像最大轮廓的直径像素值的变化与阈值进行比较用于判断集群碰撞风险，并通过有向通讯拓扑发送给无人机2和/或无人机3防碰撞告警指令。2.根据权利要求1所述的无人机群夜间相对定位方法，其特征在于，在飞行过程中，无人机1通过有向通讯拓扑将其磁罗盘信息实时共享给无人机2～无人机4。3.根据权利要求1所述的无人机群夜间相对定位方法，其特征在于，所述步骤3中的定位基准构建，具体包括以下步骤：步骤3.1：设置无人机1的二维转台红外摄像头轴线与其航向的夹角α1为180
°
，其余无人机的二维转台红外摄像头轴线与其航向的夹角为零；步骤3.2：调整无人机1和无人机4的二维转台红外摄像头轴线与其航向的夹角，使得无人机1和无人机4的被动红外反光球在对方成像平面的成像处于水平中心处，无人机2和无人机3的被动红外反光球位于无人机1和无人机4的二维转台红...

【专利技术属性】
技术研发人员：王震，张涛，于登秀，高超，李学龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：