[0001] 本发明涉及无人机领域，尤其涉及用于辅助工作的辅助无人机，具体地，涉及一种用于辅助任务无人机获取卫星信号的辅助无人机。

[0002] 无人机是一种不承载驾驶员、可以进行遥控或自主飞行的无人驾驶航空器。近期，无人机市场蓬勃发展，无人机(尤其是小型四旋翼无人机)常被用在工程实践中进行桥梁隧道的拍摄和测量工作。

[0003] 但在实际操作过程中，桥梁隧道等地形常会阻碍卫星导向信号的传输，四旋翼在缺少卫星导航的情况下，只能根据手动指令和预先输入飞控模块的半自动控制程序完成下一步任务。

[0004] 而对于现有常用的四旋翼，其飞控程序并不具备控制无人机自主飞行、执行任务并顺利返航的优秀性能。并且人工遥控操作极易受到环境干扰，如地形起伏、视野明暗变化等，导致手动指令无法连续稳定输出。

[0005] 因此，亟需一种能稳定辅助卫星导航信号传输的装置帮助执行任务的无人机完成预定任务。

[0078] 下面通过附图对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

[0079] 本发明一方面提供了一种用于辅助任务无人机获取卫星信号的辅助无人机，当任务无人机的卫星信号丢失或较弱时，辅助无人机辅助任务无人机重新获得卫星信号，以沿既定路线继续工作或飞行。

[0080] 其中，任务无人机用于执行任务，例如桥梁隧道等，但在任务执行中，由于桥梁或隧道的影响或其它因素可能会导致任务无人机丢失卫星信号或卫星信号减弱，以致于不能继续工作，其中，所述卫星信号包括经度、纬度和高度，分别以J、W和H表示。

[0081] 本发明所述辅助无人机能够结合自身的卫星信号以及其与任务无人机之间的相对位置信息，进行信息处理，获得任务无人机的卫星信号，并将该信号传输给任务无人机，使任务无人机继续沿既定路线飞行或工作。

[0082] 根据本发明一种优选的实施方式，在地面站上设置有任务无人机操作台和辅助无人机操作台。

[0083] 其中，所述任务无人机操作台用于控制任务无人机飞行，并与任务无人机和辅助无人机操作台进行信息传输；所述辅助无人机操作台用于控制辅助无人机飞行，并与辅助无人机和任务无人机操作台进行信息传输。

[0084] 在进一步优选的实施方式中，当任务无人机丢失卫星信号或卫星信号较弱时，(a)辅助无人机辅助任务无人机重获卫星信号，(b)任务无人机接收到辅助无人机传输的卫星信号后将接收情况反馈给任务无人机操作台，再由任务无人机操作台转发至辅助无人机操作台，(c)若辅助无人机操作台收到任务无人机操作台的反馈信号，说明辅助无人机辅助任务无人机接收卫星信号成功，若未接收，则辅助无人机操作台继续调整辅助无人机的位置、姿态等状态以辅助任务无人机重获卫星信号，直至辅助无人机操作台接收到任务无人机成功获取卫星信号的接收信息。

[0085] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述辅助无人机包括供电系统121、动力系统122和导航与控制系统123。

[0086] 根据本发明一种优选的实施方式，所述供电系统121为无人机自携带的配套充电电池(机载电池)，如LiPo锂聚合物电池等。

[0087] 其中，所述供电系统为无人机的正常工作提供所需的电能。

[0088] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述动力系统122包括电机1221、桨1222和舵机1223。

[0089] 其中，动力系统根据辅助无人机操作台发出的遥控指令，实现无人机的起降、飞行，并调整转向和高度，达到配合工程任务顺利实施的目的。同时，动力系统也是无人机电源的主要消耗系统。

[0090] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述导航与控制系统123包括卫星导航模块1231和飞控模块1232。

[0091] 其中，所述飞控模块1232用于获得在以辅助无人机为原点的球坐标系中任务无人机的球坐标 也可以理解为任务无人机与辅助无人机的相对位置信息；所述卫星导航模块1231用于对辅助无人机的卫星信息(JB、WB、HB)以及飞控模块1232获得的 进行处理，得到任务无人机
的卫星信号。其中，JB表示辅助无人机的经度，JB表示辅助无人机的纬度，HB表示辅助无人机的高度。

[0092] 在本发明中：如图4所示， 是相对于以辅助无人机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’而言，其中，rA-B表示任务无人机与原点B之间的径向距离，即辅助无人机与任务无人机之间的距离；θA-B表示在B-X’Y’Z’中，任务无人机与辅助无人机的连线与Z’轴之间的夹角，亦称(90°-θA-B)为任务无人机在B-X’Y’Z’中的高低角，(90°-θA-B)也即为激光线相对于水平面的发射角度； 表示在B-X’Y’Z’中，任务无人机与辅助无人机的连线在X’Y’-面内的投影线与X’轴的夹角，亦称 为任务无人机在B-X’Y’Z’中的方位角。

[0093] 在进一步优选的实施方式中，如图2所示，所述卫星导航模块1231包括数据处理与转发装置12311、卫星信号接收机12312和环形天线12313。

[0094] 其中，所述数据处理与转发装置12311用于对辅助无人机的卫星信号(JB、WB、HB)以及任务无人机与辅助无人机之间的相对位置信息 进行处理，获得任务无人机的卫星信号，并转发至任务无人机

[0095] 在更进一步优选的实施方式中，如图2所示，所述飞控模块1232包括半自主飞控子模块12321、人工遥控装置12322、陀螺仪12323和激光发射与探测装置12324。

[0096] 其中，在半自主飞控子模块12321内设置有半自主飞控程序，用于控制辅助无人机进行半自主飞行；所述人工遥控装置12322用于接收辅助无人机操作台发出的遥控指令；所述陀螺仪12323用于获得 所述激光发射与探测装置12324用于向任务无人机发射激光，并接收任务无人机反射的激光，同时经过处理获得辅助无人机与任务无人机之间rA-B和θA-B，而(90°-θA-B)即为激光线相对于水平面的发射角度。

[0097] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述激光发射与探测装置12324包括激光发射模块123241、激光接收模块123242和数据获得模块123243。

[0098] 其中，所述激光发射模块123241用于向任务无人机发射激光；所述激光接收模块123242用于接收任务无人机反射的激光；所述数据获得模块123243用于根据激光接收模块接收的激光信号获得任务无人机与辅助无人机的相对位置信息。

[0099] 其中，在本发明中，在辅助无人机向任务无人机发射激光时，使辅助无人机接近任务无人机，以使任务无人机处于辅助无人机发射激光的有效范围内。

[0100] 在进一步优选的实施方式中，数据获得模块123243进行如下处理：

[0101]

[0102] 其中，rA-B表示任务无人机与辅助无人机之间的距离；激光发射速率为设定值；所述激光反射时间为辅助无人机发射激光时计，到辅助无人机接收到反射激光时所需要的时间。

[0103] 根据本发明一种优选的实施方式，在所述任务无人机上设置有激光反射装置。

[0104] 在进一步优选的实施方式中，所述激光反射装置为反光板。

[0105] 其中，所述激光反射装置用于接收辅助无人机发射的激光，并对所述激光进行反射。

[0106] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，所述数据处理与转发装置12311包括信息转换模块123111、坐标获得模块123112和信息转发模块123113。

[0107] 其中，所述信息转换模块123111用于球坐标与卫星信号之间的转换；所述坐标获得模块123112用于获得任务无人机在以地心为原点的球坐标系中的球坐标；所述信息转发模块123113用于将任务无人机的卫星信号转发给任务无人机，使任务无人机按既定航向继续工作。

[0108] 根据本发明一种优选的实施方式，所述信息转换模块123111根据式(1)～(3)对无人机的卫星信号(J，W，H)和球坐标 进行相互转换处理：

[0109]

[0110] W＝90°-θ   式(2)，

[0111] H＝r-R   式(3)。

[0112] 其中，J表示经度，W表示纬度，H表示高度，即，(J，W，H)表示卫星信号，R表示地球半径，而 表示无人机的球坐标，具体地，在球坐标系O-XYZ中，r表示原点与无人机之间的径向距离，θ表示原点与无人机的连线与Z轴之间的夹角，亦称(90°-θ)为无人机在球坐标系中的高低角，表示原点与无人机的连线在XY-面上的投影线与X-轴之间的夹角，亦称 为无人机在球坐标系中的方位角。因此，利用信息转换模块123111可以进行球坐标与卫星信号的相互转换，即由卫星信号可以得到其对应的球坐标，同样由球坐标也可以得到其对应的卫星信号。

[0113] 根据本发明一种优选的实施方式，所述坐标获得模块123112先进行如式(4)～(6)所示处理，以获得任务无人机在以地心为原点的笛卡尔坐标系O-XYZ中的直角坐标(xA、yA、zA)：

[0114]

[0115]

[0116] zA＝rB·cosθB+rA-B·cosθA-B   式(6)。

[0117] 其中，在式(4)～(6)中:

[0118] 如图3所示，在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中， 表示辅助无人机的球坐标，具体地：rB表示原点与辅助无人机之间的径向距离；θB表示原点与辅助无人机的连线与Z轴之间的夹角，亦称(90°-θB)为辅助无人机在O-XYZ中的高低角； 表示原点与辅助无人机的连线在XY-面的投影线，与X-轴之间的夹角，亦称 为辅助无人机在O-XYZ中方位角；

[0119] 如图4所示，在以辅助无人机为原点B的球坐标系B-X’Y’Z’中，表示任务无人机的球坐标，具体地：rA-B表示原点(辅助无人机)与
任务无人机之间的径向距离；θA-B表示原点与任务无人机的连线与Z’轴之间的夹角，亦称(90°-θA-B)为任务无人机在B-X’Y’Z’中的高低角； 表示原点与任务无人机的连线在X’Y’-面的投影线与X’-轴之间的夹角，亦称 为任务无人机在B-X’Y’Z’中的方位角。

[0120] 在进一步优选的实施方式中，所述坐标获得模块123112再进行如式(7)～(9)所示处理，以获得任务无人机在以地心为原点的球坐标系的球坐标

[0121]

[0122]

[0123]

[0124] 其中，在式(7)～(9)中，在以地心为原点O的球坐标系O-XYZ中，表示任务无人机的球坐标，具体地：rA表示原点与任务无人机之间的径
向距离；θA表示原点与任务无人机的连线与Z轴之间的夹角，亦称(90°-θA)为任务无人机在O-XYZ中的高低角； 表示原点与任务无人机的连线在XY-面的投影线与X-轴之间的夹角，亦称 为任务无人机在O-XYZ中的方位角。

[0125] 根据本发明一种优选的实施方式，在式(4)～式(5)中， θB和rB通过信息转换模块123111对辅助无人机的卫星信号(JB，WB，HB)进行转换处理而获得，所述转换处理具体如下进行：

[0126] θB＝90°-WB；rB＝HB+R。

[0127] 其中，JB表示辅助无人机的经度，WB表示辅助无人机的纬度，HB表示辅助无人机的高度，R表示地球半径。

[0128] 在进一步优选的实施方式中，在式(4)～式(5)中，rA-B为辅助无人机与任务无人机之间的距离，θA-B为以水平面为基准的激光的发射角度，rA-B和θA-B均是通过辅助无人机上的激光发射与探测装置12324获得。

[0129] 在更进一步优选的实施方式中，在式(4)～式(5)中， 由辅助无人机上的陀螺仪获得。

[0130] 根据本发明一种优选的实施方式，坐标获得模块123112获得任务无人机的球坐标后，利用信息转换模块123111将任务无人机的球坐标 转换为卫星信号(JA、WA、HA)，其中，所述数据转换具体如下进行：

[0131] WA＝90°-θA，HA＝rA-R；

[0132] 其中，R表示地球半径。这样，即使在任务无人机丢失卫星信号或卫星信号减弱后也可以在辅助无人机的协同作业下重新获得卫星信号，继续进行正常飞行并工作。

[0133] 本发明另一方面提供了一种无人机协同导航的方法，用于任务无人机丢失卫星信号或卫星信号较弱的情况下。

[0134] 在进一步优选的实施方式中，所述方法采用本发明第一方面所述辅助无人机与任务无人机协同工作。

[0135] 根据本发明一种优选的实施方式，如图5所示，所述方法如下进行：

[0136] (1)当任务无人机丢失卫星信号或卫星信号较弱时，任务无人机操作台向辅助无人机操作台发送求助信号，辅助无人机操作台接收到任务无人机操作台发送的求助信号后调控辅助无人机使其靠近任务无人机，并利用激光发射模块123241向任务无人机发射激光，任务无人机接收到辅助无人机发射的激光，并对激光进行反射；

[0137] (2)辅助无人机接收到任务无人机反射的激光信号，并利用数据获得模块123243以及陀螺仪12323进行处理，得到任务无人机与辅助无人机的在球坐标中的相对位置球坐标

[0138] (3)利用辅助无人机的数据处理与转发装置12311获得任务无人机的卫星信号，并将所述卫星信号转发至任务无人机。

[0139] 根据本发明一种优选的实施方式，在步骤(1)中，当任务无人机丢失卫星信号或卫星信号较弱时，任务无人机操作台的显示界面显示的卫星颗数较低，一般低于10颗卫星颗数视为卫星信号丢失或较弱。

[0140] 此时，任务无人机操作台即获知任务无人机的卫星信号丢失或较弱，然后向辅助无人机操作台发送求助信号。

[0141] 在进一步优选的实施方式中，在步骤(1)中，求助信号的发送可以通过任务无人机操作台和辅助无人机操作台上的工作人员口头传达，也可以在两个操作台之间通过信息传输的方式进行传达。

[0142] 在更进一步优选的实施方式中，在步骤(1)中，在辅助无人机操作台接收到求助信号后，需要调控辅助无人机飞行至任务无人机可以接收到激光的有效范围内，并调节激光的发射角度使任务无人机成功接收到激光。

[0143] 根据本发明一种优选的实施方式，在步骤(2)中，数据获得模块123243进行如下处理：

[0144]

[0145] 这样，利用激光发射与探测装置获得了任务无人机与辅助无人机在球坐标系中的径向距离rA-B。

[0146] 在进一步优选的实施方式中，θA-B为激光发射与探测装置发射出的激光与水平面的夹角，其由激光发射与探测装置即可获得。

[0147] 在更进一步优选的实施方式中，利用辅助无人机的陀螺仪获得

[0148] 根据本发明一种优选的实施方式，步骤(3)包括以下子步骤：

[0149] (3.1)利用信息转换模块123111对辅助无人机的卫星信号(JB，WB，HB)进行转换处理，得到辅助无人机在以地心为原点的球坐标系中的球坐标

[0150] (3.2)利用坐标获得模块123112对辅助无人机的球坐标 和任务无人机与辅助无人机在球坐标中的相对位置球坐标 进行处理，
获得任务无人机在笛卡尔坐标系中的直角坐标(xA，yA，zA)；

[0151] (3.3)利用坐标获得模块123112对任务无人机在笛卡尔坐标系中的直角坐标(xA，yA，zA)进行处理，得到任务无人机在以地心为原点的求坐标系中的球坐标

[0152] (3.4)利用信息转换模块123111对任务无人机的球坐标 进行处理，将球坐标转换为卫星信号，即获得任务无人机的卫星信号(JA，WA，HA)；

[0153] (3.5)利用信息转发模块123113将获得的任务无人机的卫星信号转发至任务无人机。

[0154] 根据本发明一种优选的实施方式，在步骤(3)之后进行以下步骤(4)或步骤(4’)：

[0155] (4)当任务无人机成功接收到辅助无人机发送的卫星信号后，任务无人机重新恢复正常工作，并将接收状态反馈给任务无人机操作台，任务无人机操作台又将任务无人机的反馈信息转发给辅助无人机操作台，辅助操作台停止激光发射；

[0156] (4’)若在步骤任务无人机没有成功接收到辅助无人机发送的卫星信号，则辅助无人机操作台接收不到任务无人机的反馈信息，则其继续调控辅助无人机飞向任务无人机，直至任务无人机能够成功接收到激光并获得卫星信号。

[0157] 本发明所具有的有益效果包括：

[0158] (1)本发明所提供的辅助无人机设计简便，减少了工程实际操作的难度，也降低复杂设计带来的成本投入；

[0159] (2)本发明所提供的辅助无人机可以大规模生产并投入市场；

[0160] (3)本发明所提供的辅助无人机在有障碍影响任务无人机卫星信号传输时，进行数据处理，使任务无人机重获卫星信号，保证了任务无人机的正常工作。

[0161] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0162] 以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。