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专利号: 2023110595332
申请人: 广东海洋大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-11-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,包括以下具体步骤:

步骤S1,无人机通过机身的接收机接收来自遥控器的射频信号,获得光源的位置,并通过无人机主控单元内置的程序计算得到用于可见光通信的目标位置PA的坐标点的信息;无人机已知光源的坐标位置信息后,使用GPS定位功能到达该坐标点,无人机控制系统通过负反馈的自动控制方式使无人机稳定在预设的坐标点上进行悬停;

步骤S2.1,当悬停的无人机在没有识别到光源发射的、携带光源身份信息的光信号时,或者识别到该光信号但光信号强度微弱时,开启射频信号接收模式,光源的内置探测器感知到无人机在附近后,立即发送射频信号消息给无人机,告知无人机开启基于光源光强感知的动态位置调整技术方法进行光源的搜寻;

步骤S2.2,光源开启并发出光信号,该光信号为调制后携带光源身份信息的光信号,并与周围其他杂散光的光波长有区分;该携带光源身份信息的光信号用于无人机和光源之间进行身份确认;

步骤S3,无人机携带的光电探测器开启光滤波模式以及基于光源光强感知的动态位置调整技术方法,对目标波长以外的光波长进行滤除,一旦无人机的光电探测器获取了光源发射的、携带光源身份信息的光信号,则可开启对光源身份验证模式,一旦验证成功则可开始传输消息光信号,实现可见光通信。

2.根据权利要求1所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,步骤S3中的无人机基于光源光强感知的动态位置调整技术方法包括:基于等边三角形、等边四边形、等边五边形、等边六边形或者圆形的位置调整方法。

3.根据权利要求2所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,基于等边三角形的位置调整方法包括:

步骤S31,以步骤S1中的水平坐标和高度坐标的定位点PA为质心,在水平坐标对应的平面上设置边长为a米的等边三角形A1,获取等边三角形A1的三个角的坐标,则根据等边三角形A1的特性,该等边三角形A1的三个边长都和定位点保持 米的距离,a值根据光源强度、无人机定位模块的定位精度来设置,如果该无人机的定位模块精度较低,a值适当取大一点,以保证该等边三角形范围覆盖光源的光通信范围;

步骤S32,使用GPS功能将无人机定位到等边三角形A1上的任意一个角的坐标点后,开启无人机光电探测器的探测功能,并使无人机沿等边三角形A1的其中一个边长飞行,飞行方向可为顺时针或者逆时针;

步骤S33,如果无人机沿着等边三角形A1飞行一周后没有探测到信号光源的光强,则在等边三角形A1的三个边长的中点分别取三个坐标点作为等边三角形A2三个角的坐标;

步骤S34,无人机的飞行路径维持原飞行方向不变,并就近从等边三角形A1的某个边长的中点过渡到等边三角形A2,并沿着等边三角形A2持续飞行,如果无人机沿着等边三角形A2飞行一周后没有探测到信号光源的光强,则再以同样的方法设置等边三角形A3,重复步骤S32~步骤S34。

4.根据权利要求3所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,基于等边三角形的位置调整方法还包括:

步骤S35,假设无人机在环绕等边三角形M飞行的过程中,到达等边三角形M的某个坐标点时,突然探测到微弱的目标光信号光强,则无人机继续沿着等边三角形M的该边飞行,并根据设置的时间间隔s记录信号光光强P的变化,不同时间间隔s的信号光光强P以及其坐标位置记录到存储器中以便读取;

步骤S36,当信号光光强P到达最大值Pm1并开始逐渐递减时,无人机返回记录的信号光强最大值Pm1对应的位置,并在该点作出一条垂直于等边三角形M边长的直线;

步骤S37,无人机沿着该直线的任意方向飞行,并在飞行过程中设置时间间隔s以及记录信号光光强P;不同时间间隔s的信号光光强P以及其坐标位置记录到存储器中以便读取;

当光强信号P开始变弱时,无人机则往反方向移动,通过对比不同时间间隔s记录的信号光光强P值,无人机在该直线范围内找到最强光强Pm2对应的坐标点;

步骤S38,根据步骤S37找到某个水平面的光源光强最大值Pm2对应的水平坐标点;在找到Pm2对应的水平坐标点后,无人机离开上述平面,以步骤S37的方法沿着垂直方向寻找垂直位置上最佳通信坐标,并根据设置的时间间隔s记录信号光光强P;不同时间间隔s的信号光光强P以及其坐标位置记录到存储器中以便读取;通过对比不同时间间隔s记录的信号光光强P值,无人机可往信号光光强P增加的方向飞行,直到在垂直方向上达到无人机避障模块限制的最高点位置坐标,并将该坐标位置的光强Pm3定义为无人机可获取的最大光强值Pmax对应的坐标点,该坐标点即为无人机在空间范围内实现可见光通信需要悬停的坐标点。

5.根据权利要求4所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,基于等边三角形的位置调整方法还包括:

步骤S39,假设设置的等边三角形的个数为K,设置两个三角形个数阈值,分别为Q1和Q2,其中Q1=1, 2, 3,…;Q2=1, 2, 3,…;Q1小于Q2;当设置的等边三角形个数K小于Q1时,无人机在增加K的值后,不断缩小搜索范围,仍然没有感知到光源时,可以继续增加等边三角形个数K,再次缩小搜索范围,寻找该平面可见光通信的最佳位置点;如果设置的等边三角形个数K大于Q1并小于Q2时,经过多次位置调整依旧无法探测到信号光源的光强,则改变a的数值,扩大或者缩小等边三角形A1的范围,重新开始步骤S31进行光源的搜索;当等边三角形个数K大于Q2后依然没有找寻到该平面内的可见光通信的最佳位置点时,则调整无人机的目标位置PA的坐标点(xA,yA,zA)中的zA的位置,获得新的目标定位点PA,重新开始步骤S31进行光源的搜索。

6.根据权利要求3所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,基于等边三角形的位置调整方法还包括:

步骤S40,如果无人机在到达等边三角形A1后即刻检测到信号光源的光强,则使无人机以顺时针或者逆时针的方向沿等边三角形A1的其中一个边长飞行,并在飞行过程中设置时间间隔s以及记录信号光光强P;不同时间间隔s的信号光光强P以及其坐标位置记录到存储器中以便读取,以找到该平面最强光强Pm2对应的坐标点。

7.根据权利要求2所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,基于等边四角形的位置调整方法包括:

步骤S41,以步骤S1中的水平坐标和高度坐标的定位点为质心,设置边长为b米的等边四角形B1,b值根据光源强度、无人机定位模块的定位精度来设置,如果该无人机的定位模块精度较低,b值适当取大一点,以保证该等边四角形B1范围覆盖光源的光通信范围;

步骤S42,使用GPS功能将无人机定位到等边四角形B1上的任意一个坐标点后,开启无人机光电探测器的探测功能,使无人机沿等边四角形B1的其中一个边长飞行,飞行方向可为顺时针或者逆时针;

步骤S43,如果无人机沿着等边四角形B1飞行一周后没有探测到信号光源的光强,则在等边四角形B1的四个边长的中点分别取四个坐标点作为等边四角形B2四个角的坐标;

步骤S44,无人机的飞行路径维持原飞行方向不变,并就近从等边四角形B1的某个边长的中点过渡到等边四角形B2,并沿着等边四角形B2持续飞行,如果无人机沿着等边四角形B2飞行一周后没有探测到信号光源的光强,则再以同样的方法设置等边四角形B3,重复步骤S42~步骤S44。

8.根据权利要求2所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,基于等边五角形的位置调整方法包括:

步骤S51,以步骤S1中的水平坐标和高度坐标的定位点为质心,设置边长为c米的等边五角形C1,c值根据光源强度、无人机定位模块的定位精度来设置,如果该无人机的定位模块精度较低,c值适当取大一点,以保证该等边四角形C1范围覆盖光源的光通信范围;

步骤S52,使用GPS功能将无人机定位到等边五角形C1上的任意一个坐标点后,使无人机沿等边五角形C1的其中一个边长飞行,同时,开启无人机光电探测器的探测功能;

步骤S53,如果无人机沿着等边五角形P1飞行一周后没有探测到信号光源的光强,则在等边五角形C1的四个边长的中点取五个坐标点作为等边五角形C2四个角的坐标;

步骤S54,无人机的飞行路径从等边五角形C1的某个边长的中点过渡到等边五角形C2,并沿着等边五角形C2持续飞行,如果无人机沿着等边五角形C2飞行一周后没有探测到信号光源的光强,则再以同样的方法设置等边五角形C3,重复步骤S52~步骤S54。

9.根据权利要求2所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,基于等边六角形的位置调整方法包括:

步骤S61,以步骤S1中的水平坐标和高度坐标的定位点为质心,设置边长为d米的等边五角形D1,d值根据光源强度、无人机定位模块的定位精度来设置,如果该无人机的定位模块精度较低,d值适当取大一点,以保证该等边六角形D1范围覆盖光源的光通信范围;

步骤S62,使用GPS功能将无人机定位到等边六角形D1上的任意一个坐标点后,使无人机沿等边六角形D1的其中一个边长飞行,同时,开启无人机光电探测器的探测功能;

步骤S63,如果无人机沿着等边六角形D1飞行一周后没有探测到信号光源的光强,则在等边六角形D1的四个边长的中点分别取六个坐标点作为等边六角形D2四个角的坐标;

步骤S64,无人机的飞行路径维持原飞行方向不变,并就近从等边六角形D1的某个边长的中点过渡到等边六角形D2,并沿着等边六角形D2持续飞行,如果无人机沿着等边六角形D2飞行一周后没有探测到信号光源的光强,则再以同样的方法设置等边六角形D3,重复步骤S62~步骤S64。

10.根据权利要求2所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,基于圆形的位置调整方法包括:

步骤S71,以步骤S1中的水平坐标和高度坐标的定位点为质心,设置半径为n米的圆形O1,并使无人机停留在圆形O1上的任意一个点,沿着圆形O1飞行;无人机飞行过程中根据设置的时间间隔s记录信号光光强P,并将不同时间间隔s下光强P以及其坐标位置记录到存储器中,以便读取;

步骤S72,使用GPS功能将无人机定位到圆形O1的任意一个坐标点后,使无人机沿着圆形O1飞行;

步骤S73,假设无人机在环绕圆形O1飞行的过程中,到达圆形O1的某个坐标点时突然达到光电探测器的阈值探测光强值,并探测到微弱的目标光信号光强,则无人机转为沿着圆形O1上该点的切向的前向方向继续飞行;

步骤S74,考虑到该点坐标应该为光源发射光信号覆盖的圆形区域和无人机环绕飞行的圆形O1的轨迹交点,则无人机在该交点做出的切向方向飞行时,继续设置时间间隔s并记录不同时间点对应的信号光光强P,将不同时间间隔s下光强P以及其坐标位置记录到存储器中,以便读取;

步骤S75,当无人机在圆形O1上某点的切向的前向方向飞行时,信号光光强P到达最大值Pm1并开始逐渐递减时,无人机返回记录的信号光强最大值Pm1对应的位置,并在该点作出一条垂直于圆形O1切线的直线;

步骤S76,无人机沿着该直线的任意方向飞行,并在飞行过程中设置时间间隔s以及记录不同时间点的信号光光强P;将不同时间间隔s的信号光光强P以及其坐标位置记录到存储器中以便读取;当光强信号P变弱时,无人机则往反方向移动,通过对比不同时间间隔s记录的信号光光强P值,直到在该直线上找到最强光强Pm2对应的坐标点,则Pm2的坐标位置为无人机在定位的平面上获取的最大光强点Pmax;

步骤S77,假设无人机在环绕圆形O1飞行的过程中,没有检测到任何信号光源的光强,则无人机缩小圆形O1的半径n设置圆形O2,并使无人机过渡到圆形O2的轨迹上;当无人机在沿着圆形O2飞行时,到达某个坐标点时突然探测到微弱的目标光信号光强,则无人机转为沿着该点的切向的前向方向行驶,后续操作重复步骤S72~步骤S76所述。

11.根据权利要求1至10任一所述的实现无人机在可见光通信中对准光源的方法,其特征在于,步骤S3中的无人机基于光源光强感知的动态位置调整包括:当无人机运行轨迹涉及的等边三角形、或者多边形的非运行区域的轨迹在光源发光的整个范围之外,导致无人机沿任何路径飞行都无法感知到轨迹内部包含光源辐射范围时,无人机采用基于等边三角形的位置调整法,并改变等边三角形边长a进行不同范围的光源搜索,或者,将搜索方式改为基于的等边四边形、等边五边形、等边六边形的位置调整法进行搜索,增加搜索精细度;

当无人机垂直位置定位误差过大,无人机悬停在光源上方,无论通过何种方法都感测不到光源的存在时,无人机经过多次调整后仍然无法感知到光源位置,则在垂直位置上重新定位,再开展搜索;设置垂直位置调整的步长f并改变垂直位置的定位坐标,进行尝试,如果垂直位置调整次数超过Q3次仍然无法感知到光源,则重新在垂直方向定位,设置垂直位置调整的步长‑f,即垂直方向的向反方向进行移动;若通过上述方法,无人机沿着某垂直方向移动时,避障模块感测到光源位置并发出警报,则无人机根据该运行方向,以及避障模块的感应距离,计算并调整无人机的初始定位坐标中的垂直坐标到避障模块刚刚产生警报的阈值感光位置,重新开启平面范围内无人机的动态位置调整方法;

当无人机由于垂直位置定位产生误差,无人机悬停在和光源同一平面,导致无人机水平避障模块设置的程序启动,无人机无法靠近光源附近时,无人机对初始定位坐标的垂直坐标进行向下位置的微调,即多次设置步长‑f使得垂直坐标的数值大小不断减小,直到水平避障模块没有感知到光源位置,则将该垂直坐标设定为目标位置PA的坐标点(xA,yA,zA)中的zA并重新开启该平面范围内无人机的动态位置调整方法。