多旋翼机地面站定位红外信标系统技术领域
本发明涉及测量领域，具体涉及一种多旋翼机地面站定位红外信标系统。
背景技术
在2010年之前，固定翼和直升机无论在航拍还是航模运动领域，基本上占有绝对
主流的地位。然而，在之后的几年中，因优良的操控性能，多旋翼迅速成为航拍和航模运动
领域的新星。因多旋翼机极大地降低了航拍的难度和成本，获得了广大的消费群体的喜爱，
之后短短两年间，围绕着多旋翼飞行器相关创意、技术、产品、应用和投资等新闻层出不穷。
目前，多旋翼已经成为微小型无人机或航模的主流。
对于目前多旋翼产品，一般分半自主控制方式和全自主控制方式。半自主控制方
式是指自动驾驶仪的控制算法能够保持多旋翼飞行器的姿态稳定（或定点）等，但飞行器还
是需要通过人员遥控操纵。在这种控制方式下，多旋翼属于航模。全自主控制方式是指自动
驾驶仪的控制算法能够完成多旋翼飞行器航路点到航路点的位置控制以及自动起降等。在
这种控制方式下，多旋翼属于无人机，而地面人员此时进行任务级的规划。作为无人机，多
旋翼飞行器可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和搭载各种负载任务，可以被
看作是“空中机器人”。
在2012年初，大疆公司推出精灵Phantom一体机。Phantom具备一定的抗风性能、定
位功能和载重能力，还可搭载小型相机。时至今日，利用Phantom搭载运动相机拍摄极限运
动已经成为欧美年轻人竞相追逐的时尚潮流， Phantom一体机一经推出便迅速走红。
随着小型多旋翼机的普及，越来越多的多旋翼机被用于运动跟拍。市场上出现了
许多具有自动跟拍、自动降落等功能的多旋翼机。然而这类功能都十分依赖对于地面站的
精准把握；对于定位精度、定位刷新速度都有着极大的要求。
现有的多旋翼机多是通过GPS进行定位的，GPS的定位原理是地面站通过接收来自
多个卫星的信号从而计算出当前位置的方式实现定位。但是当用户处于运动过程中时，跟
拍、定位功能由于受到GPS刷新速率、卫星信号强度等因素的影响，无法及时更新地面站位
置数据从而使得跟拍、功能并不理想，尤其是当用户在一些GPS信号较差、甚至不能搜索到
GPS信号的地方，即出现GPS缺失的情况，会出现多旋翼机的定位精度不足，甚至无法定位的
情况。
因此，现在急需一种在GPS缺失的情况下，能够让多旋翼机精确定位的多旋翼机地
面站定位红外信标系统。
发明内容
本发明针对在GPS缺失的情况下，出现的多旋翼机定位精度不足，甚至无法定位的
技术问题提供了一种多旋翼机地面站定位红外信标系统。
本方案提供的基础方案为：多旋翼机地面站定位红外信标系统，包括：多旋翼机控
制系统、地面站和安装在多旋翼机上的接收器；
地面站包括：第一处理器、I/O模块、红外发射模块；I/O模块、红外发射模块均与第一处
理器数据连接；
所述红外发射模块向外发射红外线；
所述第一处理器控制红外发射模块的工作状态；
所述I/O模块为第一处理器与外部的接口；
接收器包括：第二处理器、调节座、摄像头、电子指南针、投影模块和信标感应模块；摄
像头、电子指南针、投影模块、调节座和信标感应模块均与第二处理器数据连接，调节座上
依次固定有信标感应模块、摄像头和投影模块，信标感应模块、摄像头和投影模块同轴，信
标感应模块固定在摄像头上；
所述信标感应模块检测红外线的强度，并将检测到的红外线的强度转换成数字信号传
递给第二处理器；
所述调节座调整信标感应模块的朝向，调节座自身的朝向信息反馈到第二处理器；
所述摄像头将图像投影到投影模块；
所述投影模块将图像像素化处理后传递给第二处理器；
所述电子指南针检测方向信号并反馈到第二处理器；
所述第二处理器接收信标感应模块检测到的红外线强度的信号，第二处理器调整调节
座的朝向正对红外发射模块的方向；
第二处理器与多旋翼机控制系统数据连接。
本方案的工作原理：
测量接收站与地面站夹角：
红外发射模块向四周发射红外线，红外线是是波长介于微波与可见光之间的电磁波，
波长在760纳米（nm）至1毫米（mm）之间，比红光长的非可见光。红外线具有穿透云雾能力强
的物理性质。信标感应模块接收到红外线，由于红外线是电磁波的一种，信标感应模块在检
测红外线的强度时，信标感应模块正对红外发射模块时检测到的红外线的强度最强。
信标感应模块将检测到的红外线的强度传递给第二处理器，第二处理器会调整调
节座的朝向。调节座的朝向改变之后，会影响到信标感应模块检测到的红外线的强度。如果
检测到的红外线的强度下降，则调节座反向改变朝向；如果检测到的红外线的强度上升，则
调节座正向改变朝向。第二处理器将当前时刻接收到的红外线强度与上一时刻红外线强度
对比，每一时刻都调整调节座的朝向。当调节座在朝向改变的过程中，红外线强度下降，即
可得出上一时刻信标感应模块正对（调节座与红外发射模块之间的角度为直角）红外发射
模块。
当得出上一时刻调节座正对红外发射模块时，调节座自身的朝向也会在上一时刻
反馈到第二处理器，第二处理器就能确定上一时刻调节座的偏角（α）。偏角（α）即为多旋翼
机的俯仰角。当前时刻与上一时刻的间隔取决于信标感应模块和第二处理器的刷新频率
（即采样频率），采样频率越高，得到的角度就越精准。如采用60Hz的采样频率，那么信标感
应模块每秒钟检测60次，当前时刻与上一时刻的间隔为1/60秒。调节座的角度改变量（△α）
的越小，在一秒60次的采样中，能够得到正确的调节座偏角（α）的次数就会越多，即第二处
理器得到的有效数据的次数就越多，那么得到的多旋翼机与地面站的相对位置就越精确。
测量接收站与地面站的直线距离：
方式一：摄像头将拍摄到的图像投影到投影模块上，投影模块将图像像素化处理，图像
被处理成像素点。由于红外发射模块的大小是固定且已知的，摄像头的焦距和缩放倍数是
已知的，投影模块与摄像头的间距是固定的；因此图像中红外发射模块的大小可根据像素
点的间距得出，根据像素点的间距可得出红外发射模块与摄像头间的直线距离。随着距离
增加红外发射模块在投影模块的成像会越来越小，因此这种测距方式针对在1000米以内使
用。在调节座的朝向已知的情况下，在测距过程中，根据已知角度，对红外发射模块的大小
进行角度补偿，避免了摄像头从不同角度拍摄红外发射模块，而导致红外发射模块的大小
不确定的情况。
方式二：第一处理器控制红外发射模块的工作频率，即红外发射模块的闪烁频率，
因此第一处理器可对红外发射模块的闪烁频率进行二进制编码（点亮代表1，关闭代表0）。
对红外发射模块的闪烁频率进行编码，接收器仅识别编码之后的红外线，可见光滤光片的
使用可以避免其他光源（如太阳、人造光）的干扰。通过I/O模块向第一处理器输入编码信
息，第二传感器通过检测信标感应模块或者摄像机可接收编码后的信息，这样在第一传感
器和第二传感器之间建立了单向的数据传输。
在多旋翼机起飞前，让红外发射模块与信标感应模块靠近,然后第一处理器控制
红外发射模块传递出时钟校准的信号，使第一处理器和第二处理器的时钟同步。第一处理
器和第二处理器约定：第一处理器会间隔一个固定时间会控制红外发射模块发射出测距信
号（Flag），即脉冲信号。第二处理器会经过短暂的延迟（t）接收到测距信号（Flag）。这个延
迟（t）包括信标感应模块和第二处理器本身的工作延迟（t1）和信号在介质中传递所需的时
间（△t）。由于信标感应模块和第二处理器本身的工作延迟（t1）是一个固定的常数。
当红外发射模块与信标感应模块距离较近时，信号在介质中传递所需的时间（△
t）约等于零。多旋翼机开始起飞，信标感应模块远离红外发射模块，第一处理器控制红外发
射模块间隔一个固定时间发射测距信号，由于第一处理器和第二处理器的约定，第二处理
器会在间隔这个固定时间后做好接收测距信号的准备，但是测距信号要经过信号在介质中
传递所需的时间（△t）才能被信标感应模块识别，并且经过信标感应模块和第二处理器本
身的工作延迟（t1）之后，才能被第二处理器识别。由此可得出信号在介质中传递所需的时
间（△t），然后用信号在介质中传递所需的时间（△t）乘上信号在介质中传递的速度（约等
于光速），可得出红外发射模块与信标感应模块之间的距离。由于光速较快，这种测距方式
针对1000米以上使用。
传感器方向的测量：
由电子指南针将多旋翼机的飞行方向转换为电信号传递给第二处理器得到。
方位的计算：
以红外发射模块为原点，X轴自南向北，Y轴自东向西，Z轴竖直向上建立一个空间坐标
系，可确定红外发射模块与信标感应模块之间的距离（r）、俯仰角（α）。电子指南针测量的多
旋翼机的方向可计算出多旋翼机方位角（φ）（此处涉及简单的立体几何，不再赘述）。可用
空间极坐标系表示出信标感应模块的坐标（r，α，φ），即确定了多旋翼机的方位，实现了在
GPS缺失的情况下，多旋翼机的定位。
优选方案一：作为基础方案的优选方案，摄像头外加装了深色可见光的滤光片。该
滤光片常用于电器的红外接收口，能够有效降低其他频段的光波带来的干扰。
优选方案二：作为优选方案一的优选方案：红外发射模块包括至少两个红外阵列，
红外阵列包括至少两个红外二极管，每个红外阵列内的红外二极管紧密排列，红外阵列之
间间隔排列。红外二级管紧密排列成红外阵列能够提高发射的红外线的强度、增大发光面
积，便于信标感应模块和摄像头接收。
优选方案三：作为优选方案二的优选方案：第一处理器独立控制每个红外阵列的
工作状态，红外阵列之间互不影响。每个红外阵列能够分别向第二处理器传递不同的信息，
同时红外阵列能够传递各自的位置（或者编号）信息，由于红外阵列为位置（或者编号）固
定，摄像头接收并将其投影到投影模块上，投影模块将信息传递给第二处理器。红外阵列分
别发送信息，能够让第二处理器更好的识别接收器和地面站的方位。如：通过识别出不同的
红外阵列，然后进一步识别接收器与不同红外阵列的夹角，能够辅助达到辅助定位的效果，
在定位的过程中多一个参考量，提高定位的精确性。
优选方案四：作为方案三的优选方案：信标感应模块包括至少三个红外感应二极
管，红外感应二极管呈等多边形固定在摄像头外围，红外感应二极管与摄像头同轴并通过
降噪放大电路与第二处理器相连。至少三个红外感应二极管与单一的红外感应二极管相比
能够提高信标感应模块的精度。单一的红外感应二极管，在感应红外线的强度并反馈给第
二处理器的精度较低，上一时刻和当前时刻的红外线强度对比不够强烈，并且在调节座调
节的过程中，由于调节座调整偏角（α）的算法的误差，会导致偏角（α）出现误差，至少三个红
外感应二极管能够减小因设计缺陷带来的误差，并对下一时刻调节座的调节偏角（α）的方
向作出较为准确预测，使调节座能够更好的正对红外发射模块。降噪放大电路能够提升红
外感应二级管信噪比，使得红外感应二级管接收到的信号更加准确。
优选方案五：作为优选方案四的优选方案：还包括降噪与放大模块，降噪与放大模
块连接在投影模块和第二处理器之间，降噪模块的输入端与投影模块数据连接，降噪模块
的输出端与第二处理器数据连接。降噪模块对投影模块收集到的图像数据，进行灰度化或
者二值化等处理，降低其他频段的光线的干扰。
优选方案六：作为优选方案五的优选方案：红外发射模块的外形为冠体。红外发射
模块的外形为冠体，避免了摄像头从不同角度拍摄产生的误差。
优化方案七：作为优选方案六的优选方案：摄像机为去除了红外滤光片的红外摄
像机（Raspberry pi NOIR Camera）。这种相机具有对红外线敏感的特点且能够以最高
120fps的速率拍摄视频。
附图说明
图1是本发明多旋翼机地面站定位红外信标系统实施例的流程图；
图2是实施例中红外摄像机与红外感应二极管位置关系的示意图；
图3是实施例2中正方向标定的简要示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：红外摄像机1、红外感应二极管2、其余的红外阵列4、正
方向标定5。
实施例1
多旋翼机地面站定位红外信标系统，包括：多旋翼机控制系统、地面站和安装在多旋翼
机上的接收器；
地面站包括：MCU、I/O模块、四个红外阵列；I/O模块、红外发光二级管均与MCU数据连
接；
红外阵列为球体，由多个红外发光二级管紧密排列然后固定在一起。
MCU分别控制每个红外阵列的工作状态、闪烁频率；
所述I/O模块为MCU与外部的接口，方便用户将编码输入到MCU中，MCU用以38kHZ为载波
的以“频移键控（FSK）”信号按照特定编码驱动红外发光二级管。
接收器包括：BCM2837、调节座、滤波器（降噪模块）、红外摄像机1（Raspberry pi
NOIR Camera）、电子指南针 (HMC5883L)、CCD和五个红外感应二极管2；红外摄像机1、电子
指南针、CCD、调节座和红外感应二极管2均与第二处理器数据连接，调节座上依次固定有红
外摄像机1和CCD，五个红外感应二极管2呈圆形阵列固定在红外摄像机1的摄像头处（如图2
所示），红外摄像机1和CCD同轴；滤波器安装在CCD和BCM2837之间。
BCM2837 （搭载于Raspberry pi 3 model B）是一种采用4核1.2GHz 64位A53架构
的CPU。
电子指南针 (HMC5883L)的特点： 1、数字量输出：I2C数字量输出接口，设计使用
非常方便。 2、尺寸小: 3x3x0.9mm LCC封装，适合大规模量产使用。
CCD：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感
器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。 CCD上植入的
微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就
越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的
光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换
成数字图像信号。
调节座调整自身的朝向，调节座自身的朝向信息反馈到BCM2837；
红外摄像机1将图像投影到CCD上，红外摄像机1去除了红外滤光片，加装了深色可见光
滤光片；
CCD将图像像素化处理后传递给BCM2837；
电子指南针检测方向信号并反馈到BCM2837；
BCM2837接收红外感应二极管2检测到的红外线的强度的信号，BCM2837调整调节座的
朝向正对红外阵列的方向；
第二处理器与多旋翼机控制系统数据连接。整个工作流程如图1所示。
具体使用时：在多旋翼机起飞前，让红外发射模块与信标感应模块靠近,然后第一
处理器控制红外发射模块传递出时钟校准的信号，第一处理器和第二处理器的时钟同步。
然后通过I/O模块向MCU启动的指令，MCU将启动指令编码后，通过控制红外阵列的闪烁，将
启动指令发送给红外感应二极管2，然后BCM2837接收到启动指令，然后BCM2837控制多旋翼
机控制系统使得多旋翼机起飞。
在多旋翼机起飞的过程中，红外感应二极管2能够实时的感应红外阵列的闪烁频
率，在MCU的指令中，预存有测距指令。红外阵列会固定间隔发射脉冲信号，接收器通过识别
接收到脉冲信号的时间差得到地面站与接收器之间的距离。
BCM2837通过PID控制算法控制调节座，是调节座的朝向一直在一个小范围的移
动，保持一个红外摄像机1拍摄图像的稳定性。并且尽量保持红外阵列在图像的中心。
CCD将红外摄像机1拍摄的图像，像素化处理，然后在进行灰度化处理，然后滤波器
再对其进行降噪处理，最后图像信号被输入到BCM2837中。红外阵列的大小时固定且已知
的，红外摄像机1的焦距和缩放倍数是已知的，图像中红外发射模块的大小可根据像素点的
间距得出，因此，根据像素点的大小（或者说是数量的多少）可得出红外发射模块与摄像头
距离。
在降落过程中，多旋翼机先旋停于地面站上方一定距离，运动到调节座水平向下
状态（即对齐红外阵列）再缓缓降落并且在降落过程中通过不断调整机身位置对准红外阵
列最终完成精准的降落。
实施例2（如图3所示）
与实施例1相比，不同之处仅在于，四个红外阵列中的一个红外阵列为标定阵列，标定
阵列的方向规定为正方向。在多旋翼机需要降落时：1.先从四个红外阵列中识别出标定阵
列。第二处理器独立控制四个红外阵列，四个红外阵列可传达的信息（闪烁频率）互不相同，
因此可任意选取一个红外阵列为正方向标定5，其余的红外阵列4分别对其他方向进行标
定。
在降落过程中，多旋翼机先旋停于地面站上方一定距离，将信标传感器调整至水
平向下状态并锁定。然后在调整姿态对齐正方向标定5后保持偏航轴YAW轴（即Z轴）不动再
缓缓降落并且在降落过程中通过进行水平移动来使机身对准着陆点信标最终完成精准的
降落。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作
过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以
作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的
效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的
具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。