用于确定飞行器的位置的系统和方法

本发明涉及一种用于确定飞行器的位置的系统或方法。

在户外、建筑物中或建筑区域中的确定位置变得越来越重要。由于近年来通信和信息技术的快速发展，对本地化的可能性的需求不断增长。现有技术中的GPS已成为户外使用的标准。由于信号隔离，基于卫星的定位在室内几乎不可能，并且至少太不精确或者有时根本不可用。上述方案的常用方法，即GPS和磁罗盘，总体上存在重大问题，例如精度相对较低、更新缓慢、成本较高以及需要清晰地看到卫星。此外，仅靠GPS是不够的，因为仍然需要定向来进行控制。所有传感器都会受到强烈干扰，例如在建筑物附近，因此不能在室内使用。

因此，存在各种替代方案用于建筑物的室内区域。在某些情况下，会使用现有的基础设施，例如WLAN或GSM。可设想用于此类系统的应用。

此类系统已在物流行业中使用，以在储藏室内定位货物和商品。然而，还有一些应用超出了简单的位置确定，并且还需要尽可能准确的位置确定。对于遥控飞行器来说，除了位置确定外，飞行机动也很重要。

一般来说，移动单元的位置是未知的，同时靠近用于测量的多个固定站。现有技术中描述了关于在这些条件下如何进行定位的方法。这可以通过确定角度的三角测量(角度测量)、或借助测量距离的三边测量(测边、距离测量)来完成。此外，位置确定也基于场景分析(Scene Analysis)或通过确定接近度(Proximity)来进行。

通过所谓的“到达时间法”(TOA)，可以测量发射器和接收器之间信号的传输时间。这样可以确定发射器和接收器之间的距离，但不能确定位置。如果在简单路线上进行测量，即仅在接收器处评估信号，则两个单元必须根据信号传输时间进行同步。如果现在从三个不同地点进行这样的距离测量，则可以进行三边测量以便记录位置。然而，为此需要三个位置用于三边测量。这同样适用于时间差法，该方法基于移动单元(例如飞行器)与三个固定站之间的时间差测量。如果移动单元随后担当发射器的角色，则至少三个基站接收该信号。该过程也复杂且耗时，并且具有各种缺点。

术语“接入点监控”用于描述基站定义小区结构(Zellenstruktur)的位置确定方法。接收器始终连接到基站。如果接收器连接到基站，则它必须位于该基站的覆盖范围内。如果基站的位置也是已知的，则也可以确定移动站的位置。这种方案完全不适合此类遥控飞行器，例如，遥控直升机或无人机，因为它们必须在非常小的空间内进行操纵，这不仅需要紧密的基站网络，而且还必须首先限定基站的位置。

当使用超声波进行位置检测时，使用从超声波传感器发射的超声波脉冲的传播时间测量值以便能够得出空间距离。然后借助于该距离测量，通过三边测量进行位置确定。信号要么由移动发射器发出并被固定安装的接收器接收，要么相反，信号由固定的发射器发出并由可移动的接收器检测。超声波的频率在20kHz到1GHz之间。根据材料的密度，材料会被反射、吸收或穿过物质。在分配传感器站时必须考虑到这一点。在空气中，超声波的衰减随着频率的增加而增加。传播速度还取决于介质的温度。这种影响可能必须包括在位置计算中，并且是使用超声波与三边测量一起进行位置确定时的主要缺点。

还存在各种已知的其他方法，下文不再更详细地描述，因为它们也不适合检测遥控飞行物体的位置。

现有技术中已知的所有方法特别不适合确定室内和室外区域中遥控飞行物体的位置，因为除了实际位置确定之外，还必须将飞行机动与位置相关联，这表现出了重大挑战，特别是在起飞和着陆机动中。如果将飞行物体精确地飞行或操纵到空间或地面上的特定点，以便在那里执行任务(例如，停靠在地面上的充电站)，则精确的操纵仅能够保证以尽可能高的检测精度几乎同步地检测精确位置。像GPS这样的精度通常在米的范围内，这还远远不够。

此外，当无线电控制的距离发生变化时的可用性、特别是拍摄(abbilden)特定航程的能力也发挥了作用。典型航程，例如也在室内范围使用的激光跟踪方法，仅在15至70米之间。

所谓的GSNN系统为户外使用而设计。对于GPS，测量采用到达时间法进行，其中必须从至少4颗卫星接收信号。然而，在室内区域，这些信号会被墙壁反射或吸收。为了避免在全球范围内无法使用GPS，开发了所谓的辅助GPS。如果可能的话，接收器会尝试接收微弱的GPS信号。额外的位置信息通过额外的移动电话网络(如果可用)获得，这旨在促进GPS信号的接收。使基于卫星的增强系统(SBAS)，确定位置时的精度仅为10m，这也完全不足以能够根据期望的机动和控制来遥控飞行器并能够执行安全着陆。GPS在房屋之间、建筑密集的地区和隐蔽处尤其存在问题。

为了寻找合适的系统，本领域技术人员无法在现有技术中找到合适的方案。因此，本发明的目的是克服上述缺点并提供一种在室内和室外范围都以高精度运转的方案。进一步的目的在于，参考位置本身应该是可变的，以便飞行系统在各种地点独立于永久固定的基站运转。

该目的通过根据权利要求1的特征的组合来实现。

本发明的基本构思在于，超声波信号和无线电信号之间的系统评估耦合，其由于无线电连接而总是用于控制飞行物体，并且为此目的用作时间参考和位置传输。这不仅节省了成本，而且使得系统的使用非常简单、直观且具有很高的准确性。

根据本发明的位置检测系统满足稳定导航所需的所有要求，即具有高更新率和最高精度的位置本身以及定向。这也消除了对传感器进行繁琐的校准或等待有利卫星位置的要求。

根据本发明提供一种用于检测飞行器的位置的系统，其具有：布置在所述飞行器上的至少两个超声波换能器以及可布置在优选地可自由选择的参考位置(x

所述基站具有信号评估装置和多个、至少三个声音转换器(eine Mehrzahl vonmindestens drei Schallwandlern)，这些声音转换器彼此间隔开地布置在基站上，并且设计成从超声换能器接收超声波信号，特别是从两个超声波环能器接收的超声波信号。至少两个超声波换能器总是产生两个直接连续的线性调频，其发送到声音转换器。为此，在多个信道或信号路径上进行距离评估，并且每个麦克风(或每个声音转换器)记录来自每个超声波换能器的线性调频。为了执行位置确定，例如通过三边测量，在基站处需要至少三个声音转换器并且评估接收到的信号。

此外，提供无线电控制器，其设计成通过常规的无线电信号、优选地通过根据跳频方法(FHSS)的无线电信号与所述飞行器通信、控制并操纵所述飞行器，其中根据本发明的系统设计成根据所述基站从所述两个超声波换能器中的每一个超声波换能器接收的超声波信号的多个时间连续测量值连同根据用于控制所述飞行器所使用的无线电信号-信号的无线电参考信号的时间信息(时间测量)一起执行所述飞行器的位置(x，y，z)的确定。

在本发明的特别优选的实施例中规定，所述超声波换能器设计成发射多个信号或者发射作为超声波范围内的线性调频信号的信号序列的多个信号。所述换能器还可以设计成具有电子扩展带宽。除了通过距离测量来确定实际位置之外，通过检测来自至少两个超声换能器的顺序连续的线性调频信号，不仅可以确定位置，还可以确定位置的变化，从而例如通过差异测量评估确定飞行器的速度。

因此，本发明的概念有利地在宽信道范围内使用已经存在的无线电链路(无线电信号)，这消除了安装附加技术和措施的需要，因为FHSS无线电技术携带了准确的匹配的时间信息并且可以使用该时间信号。然后，确定的位置通过相同的无线电链路返回到飞行物体。这意味着基站确定的位置(x，y，z)通过无线电信道或FHSS信号传输到飞行器。

使用线性调频脉冲(宽带)确定位置提供了各种优点，特别是通过每次同时测量多个无线电信道以用2个换能器的2个线性调频脉冲进行评估来确定飞行物体的定向的可能性。一个重要的优点在于，可以使用它来定位动态移动的物体，即移动的飞行器，并且这还可以检测快速运动，因为可以通过线性调频脉冲有效消除或明显减少其他干扰性的多普勒效应。匹配的线性调频脉冲确保了尽可能好的分辨率和干扰抑制(类似于雷达、脉冲压缩)。

根据本发明的构思，超声波信号用于通过测量从飞行器到基站的传输时间来测量距离。

本发明的同样有利的实施例提供了根据本发明的系统与IMU方案的组合或耦合。IMU是一种电子设备，其通常使用3轴加速度计和3轴陀螺仪记录旋转速率。速度可以从所有3个空间方向上的旋转速率和位置变化得出。替代地，基于FPS的方案可用于组合分析。

在本发明的特别有利的实施例中，声音转换器是布置在基站上的麦克风，优选地是宽带麦克风。带宽应与环能器匹配。

一种特别有利的方案规定，同时(即并行地)在多个信道上执行每个线性调频脉冲的测量。以此方式，可以检测动态运动。因此，在本发明的这个有利实施例中，在超声波信号评估中同时地使用多个并行信道。进一步有利地，如果超声波换能器设计为可相互切换，使得在发射超声波信号时可以实现优化的空间和角度覆盖。

综上所述，根据本发明的实施例的特征可以如下定义：

-通过超声波信号的传播时间测量来测量距离

-开放系统(无回波)

-使用来自(现有的)FHSS系统的无线电参考进行时间测量

-飞行器中的换能器(发射器)，参考平台中的接收器

-两个换能器用于确定绝对定向

-可切换换能器，用于完整覆盖尽可能全面的角度。

-使用多个信道使得几乎任意扩大覆盖范围

-参考平台指定位置参考(根据本发明的概念可以是移动的)。

-线性调频脉冲以获得尽可能好的分辨率和干扰抑制(例如雷达、脉冲压缩)

-FHSS跳数作为时间参考。无线电同时进行时间参考、位置传输和控制。

除了所述系统之外，本发明的另一方面还涉及一种用于确定安装有至少两个超声波换能器的可远程控制的、可动态移动的飞行器的位置的方法，其优选地利用所述装置，所述方法具有如下步骤：

a.在选定的参考位置(x

b.提供无线电控制器，其设计成通过无线电信号、优选地通过根据跳频方法(FHSS)的无线电信号与所述飞行器通信并控制所述飞行器，

c.通过所述至少两个超声波换能器中的每一个在多个信道(无线电信道)上同时向所述基站发送超声波信号，特别是超声波范围内的线性调频信号；

d.由信号检测装置检测由声音转换器接收的多个、特别是至少三个超声波信号；

e.从用于控制所述飞行器的无线电信号-信号中获取无线电参考信号的时间信息(时间测量)，以及

f.从检测到的参考信号和超声波信号确定所述飞行器的位置数据(x，y，z)。

在步骤f)中，可以提取换能器的位置数据，特别是通过对来自3个声音转换器各自的超声波信号进行三边测量，并且连同时间信号进行评估，以可以确定绝对位置数据的方式与时间信号一起进行评估，由此可以确定绝对位置数据，然后有利地通过无线电链路将该绝对位置数据传输至飞行物体。时间参考可以由外部发射器或基站(Basis)提供。

本发明的其他有利的改进方案在从属权利要求中表征，或者在下面结合参考附图对本发明的优选实施例的描述一起更详细地示出。

附图中示出：

图1为根据本发明的系统的示例性的图示

图2为示例性的算法。

下面参照图1至图3更详细地解释本发明，图中相同的附图标记表示相同的结构和/或功能特征。

图1示出本发明的第一示意性实施例，检测飞行器10的位置的示例性系统1，其具有布置在飞行器10上(在底部)的两个超声波换能器11。地面上设有临时静态基站20。例如，用户可以简单地将它们放置在底面上，使得所示的向上定向的8个麦克风21用作声音转换器。如图1所示，它们可以接收超声换能器11的超声波线性调频脉冲。

基站20设置的位置限定了参考位置(x

此外，提出了一种无线电控制器(30)，特别是FHSS发射器，其设计成使用跳频方法(FHSS)与飞行器10通信并对其进行控制。

根据该示例性实施例，每个线性调频脉冲执行数个、优选地8个传播时间测量，其中每个超声波换能器11连续地向基站20发送线性调频脉冲。每个线性调频脉冲的3个测量值得出一个位置。如果每个线性调频脉冲有超过k的n＝56个位置，则评估2*56个x，y，z位置-值。此外，还对数据进行几何定性评定。根据飞行器10距基站20的距离，以20ms至80ms的间隔重复该过程。一旦信号评估单元评估了信号，就通过FHSS无线电链路将位置从基站10发送到飞行物体20。

因此，示例性实施例被设计为根据基站20从两个超声波换能器11中的每一个接收的超声波信号的多个测量值连同根据用于控制飞行器10所使用的无线电信号-信号的无线电参考信号的时间信息(时间测量)一起执行飞行器10的位置(x，y，z)的确定。

例如，具有足够大散射角的Murata MA40标准元件可以用作换能器：可以使用120度-6db，根据相对于基站的定向以切换的方式操作(正常/倒转飞行)。

控制线性调频脉冲1在37.5kHz-46.5kHz的频率范围内生成为上线性调频脉冲，而控制线性调频脉冲2在46.5kHz-37.5kHz的频率范围内作为下线性调频脉冲操作。这些数据仅是示例性的，还可以根据电路的拓扑、元件和应用而进行不同地选择。

图1中使用麦克风，这些麦克风可以是100Hz-60kHz的范围内的微机械麦克风。

通过所选的拓扑，可以实现1m距离处约1cm的空间分辨率或位置分辨率，以及10m距离处约10-50cm的空间分辨率或位置分辨率。通过过采样也可以逐渐地使用相位信息。

Mikado VLink无线电系统FHSS2.4Ghz特别优选地作为无线电系统。该系统具有网络结构，允许数据包从任何终端发送到任何其他终端(发送器->飞行物体：控制器，基站->飞行物体：位置数据，飞行物体->发射器：遥测，基站->发射器：状态显示)。

图2示出根据本发明的构思可以针对飞行物体10和基站20如何实现算法。在该图的上部区域中，示意性地解释用于基站20的算法，其从8个麦克风开始，其中仅示例性地示出4层。在均值滤波器之后的数据路径末端存在一个峰值检测器。直至峰值检测器的过程是连续的。由麦克风21检测到的传入线性调频信号在左侧示出。峰值检测器为两个线性调频脉冲提供多个峰值(当然这也包括信号回波)。每个周期都与通过无线电链路接收到的时间信号进行同步。此外，还可以检测环境温度以设置温度校正器。执行峰值选择，特别是回波的噪声消除，以及三角测量的计算(在此处为2次56个三角测量)，从中确定位置(x，y，z)、速度、定向和所需的特性

然后这些数据以限定的周期传送到飞行物体10。IMU也位于飞行器10(例如，直升机)内。根据流程图对定向、位置和速度等数据进行处理。可以使用校正回路(Korrekturschleife)和FHSS时间参考数据来进行速度和位置校正。然后将所确定的地面上方的位置、速度和定向与用户通过无线电控制器控制的所需目标位置进行比较。然后，如图2所示，该数据被馈送到飞行控制器，以便基于该数据控制飞行机动。

图3示出了麦克风拾取的信号的示例(曲线M)。曲线G是整流器(见图2)之后相关器的输出信号。在此示例中，位置非常清晰可见(曲线G中的第一个峰值)，但在室内区域中存在大量具有显着峰值高度的回波信号。回波的电平明显高于被测量的信号。标度约为10ms。然后对信号进行滤波(移动均值滤波器、4倍过采样)，并且峰值检测器确定所有局部最大值(参见图2)。

本发明的实施不限于上面给出的优选示例性实施例。相反，可以设想许多变体，即使在根本不同的设计中，也可以利用所提出的方案。本发明的另一个构思提出，可以在根据本发明的位置检测和另一个位置检测之间动态地来回切换，因此，例如，从飞行物体和基站之间的特定距离可以切换到基于GPS的位置确定，并且在返程飞行中，例如切换到着陆模式，可以从特定距离值切换回超声波方案。也可以设想所使用的传感器、单元、处理器等的其他信号处理方案和其他技术拓扑。本发明的另一个优点是总体上非常低的电流消耗或能量消耗。