CN102597801A - 能区别从另一无人驾驶飞机发出的伪回声的无人驾驶飞机的超声遥测方法 - Google Patents

Abstract

该方法包括：a)以预定复现频率重复超声猝发脉冲的发射；以及b)在每次发射后并针对分隔两次连续发射的时间帧(n-1，n，n+1，...)的时长，多个连续信号尖峰的接收出现在同一帧的进程中。这些尖峰包括源自另一无人驾驶飞机的发射机的伪尖峰(E′_n-1，E′_n，E′_n+1，...)以及与拟估算的距离对应的有用尖峰(E_n-1，E_n，E_n+1，...)。为了区分这些尖峰，执行下列步骤：c)针对两个连续帧，将当前帧的p尖峰到达瞬时与前一帧的q尖峰到达瞬时作比较，并针对p、q尖峰对中的每一个确定相应的相对时隙；d)对在步骤c)确定的p、q时隙施加一选择标准，从而能保留当前帧的仅一个尖峰；以及e)估算因变于如此保留的尖峰的到达瞬时的距离。

Description

能区别从另一无人驾驶飞机发出的伪回声的无人驾驶飞机的超声遥测方法

技术领域

本发明涉及通过由无人驾驶飞机实现的超声遥测的方法实现的距离估算，尤其是测量无人驾驶飞机飞行时的海拔高度。

背景技术

无人驾驶飞机设有电声换能器，用于发射和接收超声波。该换能器发射出几十或几百微秒的短超声猝发脉冲，并等待在地面上反射后回送的回声。从猝发脉冲发射至回声接收分隔的时间段能够估算所经过的声路程长度——声音速度是已知的——并由此评估无人驾驶飞机的海拔高度。

这种测量以很近的间隔重复，且超声猝发脉冲发射的周期与被称为“复现频率”的频率对应，一般关联于无人驾驶飞机的惯性单元的工作频率。被称为“获取周期”或“时帧”的分隔两个猝发脉冲的时间段专门用于检测与回声接收对应的声信号波峰。大体来说，这种分析是以数字方式进行的，其中从超声猝发脉冲开始经过的时间被表示为在数字电路的采样频率下计数得到的采样数。

US4845682A(全部使用相同类型超声传感器的生产线的机械手传送器之间的回避)、US6545946(具有伪回声滤除的液罐内的液位传感器)、DE4003775A1(将出现在相反方向的车辆并也配有相同类型雷达考虑在内的防冲突雷达)或US2003/112705A1(具有超声发射和接收换能器之间的非互逆补偿的直升飞机高度计)中详细地描述了在完全不同场合下使用的这些技术。

实际上，在已发出一个猝发脉冲之后，换能器接收源自多次反射或源自地面以外的其它对象上的反射的多个回声。

超声遥测具有的确不是非常依赖方向性的特性，并因此易受伪回声倍增的影响。

当若干相似的无人驾驶飞机同时彼此靠近地飞行时，会引发特殊的困难，这是因为在猝发脉冲发射之后的获取周期中，无人驾驶飞机可能不仅接收其本身信号的回声(与地面上的反射对应的有用回声，或由该相同信号的其它反射产生的伪回声)，还接收来自其它无人驾驶飞机的换能器的声信号，这因此导致测量干扰。

滤除由多个反射产生的伪回声是相当容易的，因为他们更经常地出现在实际回声到达之后。另一方面，区别从另一无人驾驶飞机发出的猝发脉冲的回声是非常困难的，尤其在具有相对相似的长度的传播路径的情形下。

发明内容

本发明旨在解决在若干相似的无人驾驶飞机同时运作时的测量干扰的特殊问题。

本发明的基本理念在于，如果为两架无人驾驶飞机提供略微不同的复现频率，对于给定的无人驾驶飞机，随着连续获取帧继续进行，它将被观察为与从另一无人驾驶飞机接收的回声对应的波峰位置漂移。

本发明提出使用这种特征以辨认和滤除来自由另一无人驾驶飞机发射的猝发脉冲的伪波峰，从而仅保留与拟从通过由所考虑的无人驾驶飞机发出的超声猝发脉冲产生的回声估算出的距离对应的有用波峰。

更准确地，本发明提出一方法，该方法以本身已知的方式包括：

a)从时间原点开始发出超声猝发脉冲，所述猝发脉冲以预定的复现频率重复；

b)在每次发射结束后并在分隔两次连续发射的时帧内，接收多个连续信号波峰，这些连续信号波峰出现在同一时帧内的各个到达时间，其中所述连续信号波峰包括伪波峰和与拟估算的距离对应的一个有用波峰。

根据本发明的方法的特征在于：

-提供预备步骤，该预备步骤将所述复现频率调整至与打算在与所考虑的无人驾驶飞机相同的时间使用的另一无人驾驶飞机的相应复现频率不同的预定值，

步骤b)包括由于来自另一无人驾驶飞机超声猝发脉冲发射造成的伪波峰的可能接收；以及

对于实现该方法的所考虑的无人驾驶飞机，该方法还包括：

c)对于两个连续帧，将当前帧的p信号波峰的到达时间与前一帧的q信号波峰的到达时间比较，并针对p、q波峰对中的每一个对来确定相应的相对时隙；

d)将至少一个选择标准应用于步骤c)确定的p、q相对时隙，使其能够保留当前帧的仅一个波峰；以及

e)针对最末一个猝发脉冲的发射时间基于在步骤d)保留的波峰到达时间估算距离。

非常有利地，调整研究中的无人驾驶飞机和另一无人驾驶飞机的相应复现频率以使这些频率之间的差应验下列关系：

abs(F₁-F₂)/max(F₁，F₂)＞2*V_max/c+W*min(F₁，F₂)/F_s

其中：

F1是所述考虑的无人驾驶飞机的复现频率，

F2是所述另一无人驾驶飞机的复现频率，

V_max是所述考虑的无人驾驶飞机沿距离估算方向的最大速度，

c是声音传播的速度，

W是猝发脉冲的时间宽度，以及

F_s是所接收信号的采样频率。

所考虑的无人驾驶飞机和另一无人驾驶飞机的复现频率之间的差有利地在3％和10％之间，优选为5％。

较为有利地，步骤d)包括作为另一选择标准的滤除，籍此仅保留当前帧的波峰，当前帧的波峰与前一帧的波峰的相对时隙小于预定阈值。

在第一实施例中，该阈值被确定为对于沿估算该距离的方向在其最大速度下的无人驾驶飞机的位移，无人驾驶飞机在两个连续的发射时间的两个位置之间的声音路径的最大变化的函数。该阈值可通过表达式特别地确定：

D＝2*V_max*F_s/(c*F_drone)

其中：

D是表达为采样数的阈值，

V_max是无人驾驶飞机沿距离估算方向的最大速度，

F_s是所接收信号的采样频率，

c是声音传播的速度，以及

F_{无人驾驶飞机}是猝发脉冲发射的复现频率。

在第二实施例中，前述阈值增加一修正项，该修正项是超声猝发脉冲的时间宽度的函数，具体地根据下面表达式确定：

D＝2*V_max*F_s/(c*F_drone)+W.F_s，

其中：

W是用采样数表达的猝发脉冲时间宽度。

在由于施加前述阈值导致的滤除之后保持多个波峰的情形下，可提供仅保留一个波峰的步骤，步骤d)，从而选择当前帧中以连续信号波峰出现顺序的第一个出现的波峰(或作为变例，选择当前帧中的最末一个)作为该单个波峰。

在一优选变例中，在将当前帧的p信号波峰的到达时间与前一帧的q信号波峰的到达时间比较并针对p、q波峰对中的每一个确定相应的相对时隙的步骤c)结束时，在检测到同一相对时隙间隔内存在两个波峰的情形下，则提供针对在步骤e)的距离估算选择前一帧的单个波峰的步骤，而不是选择当前帧的一个波峰。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的示例性实施例，在附图中相同附图标记表示相同或功能类似的要素。

图1示意地示出彼此靠近飞行的两架无人驾驶飞机，并示出易由超声换能器检测到的各个信号。

图2示出针对图1的两架无人驾驶飞机中的每一架的两个时序图，其示出超声声信号的发送和接收的各个时间。

图3示出在三个连续获取帧期间，所接收的信号波峰的时间位置以及对其作出区别的方法。

具体实施方式

在图1中，示出在高于地面S海拔高度h下飞行的无人驾驶飞机D1。无人驾驶飞机D1设有电声换能器T1，用于向地面发射/接收超声波。

一般的遥测技术包括朝向地面发射短超声猝发脉冲(例如300μs)，并对在地面反射后的回程时间进行计数以从中推导出海拔高度h。

当与无人驾驶飞机D1具有相似设计的另一无人驾驶飞机D2贴近D1飞行时，特殊困难会发生。该无人驾驶飞机也设有与T1相似的换能器T2，该换能器T2也以与换能器T1超声发射的复现频率接近的复现频率发射超声猝发脉冲。

由T1接收的声信号因此易受由T1发射并由D2(可能被误认为地面S)反射的信号回声干扰，并且在另一方面且首先，受由T2发射并由T1检测到的超声波干扰。

将D1和D2相对接近的复现频率考虑在内，后一信号可能引入高干扰，例如如果无人驾驶飞机飞行在相当的海拔高度上。在这种情形下，无人驾驶飞机D1可能不再对来自由其本身换能器T1发射的猝发脉冲的回声和来自由另一无人驾驶飞机D2的换能器T1发射的猝发脉冲的回声之间作出区分。

本发明的实质目的是克服这种困难。

预先地，调整无人驾驶飞机D1、D2的相应复现频率以使其具有微小的差异，该差异一般在3％至10％数量级，优选为5％(这种频率选择的原因和标准将在下文中描述)。

为了更好地理解复现频率的这种选择，让我们计算在两个连续帧期间干扰无人驾驶飞机的最小表观速度。如果T和T’(相应的F和F’)是两架无人驾驶飞机的复现周期(相应的复现频率)，则由无人驾驶飞机观察到的位移为d_min＝(T’-T)*c(c是声音速度)。

当无人驾驶飞机沿相反方向移动时——与表观速度v_apparente＝d_min/T对应的配置——达到该位移。通过x％的频率差(即F’＝F*(1+x/100))，该表观速度大约为v_apparente＝c*x/100。由此针对5％的差获得17米/秒数量级的表观速度，该表观速度大于拟测量的速度(1米/秒的数量级)。

两无人驾驶飞机之间的小复现频率差将在获取由D1接收的回声的连续帧内致使来自另一无人驾驶飞机D2的换能器T2的回声相对于来自其本身换能器T1的回声的微小漂移。

现在将要描述检测和分析这种现象以区别来自换能器T1的有用回声与来自另一无人驾驶飞机的换能器T2的伪回声的方式。

在图2中，在时间S_n-1、S_n、S_n+1和S_n+2的连续猝发脉冲发射之后的表示为(n-1)、(n)、(n+1)和(n+2)的四个连续获得帧被示出在时序图D1中。

响应猝发脉冲S_n-1的发射，无人驾驶飞机D1的换能器T1接收有用回声E_n-1，该有用回声E_n-1对应于地面的反射并表征无人驾驶飞机的实际海拔高度。但这种有用的回声受来自由另一无人驾驶飞机发射的猝发脉冲的例如E’、E”之类的其它回声干扰(图2中的时序图D2)。然而，由于在两架无人驾驶飞机之间的微小复现频率差——该差已在图2中突出表示以便于说明——有用波峰E_n-1、E_n、E_n+1……与伪波峰E’之间的偏差Δt_n-1、Δt_n、Δt_n+1、Δt_n+2……将在连续帧上变化。另一方面，将有用回声E_n-1、E_n、E_n+1……与由相应猝发脉冲S_n-1、S_n、S_n+1……的发射时间构成的时间原点隔开的时间周期t将是不变的或几乎不变的。

因此，在连续帧期间，一些波峰(包括有用波峰)将不改变或不大量改变，而其它波峰(由于由另一无人驾驶飞机发出的超声波引起的伪波峰)将表现出大量的漂移，这使之能被辨认并此后消除它们。

为了实现这种区别，分析算法针对每个帧将在第(n-1)帧期间接收的p波峰的出现时间存储为表T_n-1[i_1，n-1，i_2，n-1，...i_p，n-1](其中该时间表示为从猝发脉冲开始的数个采样，以表征时间刻度上的波峰位置的索引i的形式出现)。

操作针对下列帧重复：在该帧期间针对q波峰检测T_n[i_1，n，i_2，n，...i_q，n](多数时间p＝q)。

算法随后针对p、q波峰对中的每一个计算相应的相对时隙，并仅保留当前帧的q波峰之中的波峰，该相对时隙低于给定的阈值D(下面将描述确定该阈值的方法)。事实上，如果相对时隙高于该阈值，则其揭示了从一个帧至另一帧的大量漂移，这揭示了波峰的伪特征。

如果，在该滤除过程结束时，若干波峰仍然保留，通过例如仅保留帧中连续波峰出现顺序中的第一个波峰来施加附加标准(这等于假设接下来的波峰对应于多个反射，并因此是伪波峰)。

在一些配置中，也可保留出现顺序中最末一个波峰而不是保留第一个波峰，例如在与另一无人驾驶飞机上的反射而不是地面反射对应的伪回声出现时。

在实践中，在同一帧内检测到的波峰数目很少超出5，因此到达时间的比较数目不超出25，这对于要求的计算能力来说仍然是合理的。

海拔高度是因变于到达最后保留的波峰的瞬间估算的。

刚才描述的算法改进在于，在当前帧的q波峰和前一帧的p波峰之间比较结束时，如果在同一时间间隔D中存在两个波峰，则只取前一帧的波峰而不是当前帧的波峰作为高度指标。

事实上，凭经验注意到，无人驾驶飞机经常盘旋飞行并且伪波峰是更经常出现的波峰，并且任意选择在时间间隔D中的第一或第二波峰将导致更大的误差(增加D)。

现在参照图3描述确定检测阈值D的方式。

使用以下的符号：

D表达为采样数的阈值，

V_max无人驾驶飞机沿距离估算方向的最大速度，

F_s所接收信号的采样频率，

c声音传播的速度，

F_drone猝发脉冲发射的复现频率，以及

W用采样数表达的猝发脉冲时间宽度。

对于沿距离估算方向以其最大速度移动的无人驾驶飞机，两个连续猝发脉冲发射之间的声音路径差低于V_max.T_drone，即就采样数目而言：

D＝2*V_max*F_s/(c*F_drone).

然而，当如图3所示，在给定帧(图3中的第n个帧)伪波峰E’_n与有用波峰E_n交叠时，困难发生。在该图中可以观察到，在连续帧(n-1)、(n)、(n+1)中的有用波峰E_n-1、E_n、E_n+1的平移。这种平移由无人驾驶飞机沿距离估算方向的位移造成(典型为爬升位移)，但它完全低于伪波峰E’_n-1、E’_n、E’_n+1的位移，这种位移本质上由无人驾驶飞机D2和D1的复现频率之间的差造成。

为了应对有用和伪波峰E_n和E’_n交叠的场合，可构思出两种可能性。

第一种可能性在于将上面表达的值D保持作为阈值，这导致帧n不包含任何有效波峰并且针对该帧没有距离能被估算。

另一种可能性在于，将阈值增加修正项W.F_s。在这种情形下，实际针对帧n检测有效波峰，但具有与该波峰位置有关的附加误差(W)，由此具有与无人驾驶飞机的海拔高度估算有关的附加误差。

借助非限定性解说，现在将基于下列值来考虑数值例：

V_max＝1,5m/s

F_s＝150kHz

c＝340m/s

F_drone＝50Hz

W＝0,3ms.

考虑这些值，不具有修正项的阈值D为D＝26个采样，即与研究中的采样频率处的无人驾驶飞机海拔高度相关的3cm误差。

如果阈值D增加修正项W.F_s，则检测阈值增加至26+45＝71个采样，即与海拔高度相关的8cm误差。

第一技术由此提供更高的测量精度，但具有更大数量的无效帧(错误测量率可通过对1/秒作仿真来估算出)。另一方面，第二技术对几乎所有帧传递测量，但具有较低的精确度。

下面将详细描述尤其因变于确定阈值D选择无人驾驶飞机的复现频率的方式。

从一开始将两架无人驾驶飞机的频率调整至固定值，并在之后保持在该值(频率的动态变化将需要在无人驾驶飞机之间通信，这不必要地增加了过程的复杂性)。这些频率的选择是一种权衡：

-在一个方面，要求接近的频率，由此无人驾驶飞机具有相似反应性的海拔高度估算系统；

-另一方面，在该比较中使用的阈值D关联于两架无人驾驶飞机的最大相对速度，并因此与频率选择无关：因此，如果频率彼此太过接近，可能会造成无人驾驶飞机之间的相对位移低于D的情形。

为将这些约束考虑在内，无人驾驶飞机D1、D2的相应频率F₁和F₂可如下地选择。对于无人驾驶飞机D1，由于无人驾驶飞机彼此之间的相对最大速度，阈值等于：

D₁＝2*V_max*F_s/(c*F₁).

由无人驾驶飞机D1观察到的无人驾驶飞机D2最小表观速度等于(在两架无人驾驶飞机沿同一方向飞行的情形下)：

(1/F₁-1/F₂)*F_s.

因此，必须验证下面的关系：

abs(1/F₁-1/F₂)*F_s＞D₁，

并且，基于相同的原因：

abs(1/F₁-1/F₂)*F_s＞D₂

通过组合这两个方程，获得下列关系式：

abs(1/F1_-1/F₂)*F_s＞max(D₁，D₂)＝2*V_max*F_s/(c*min(F₁，F₂))，

它可以写成：

abs(F₁-F₂)/max(F₁，F₂)＞2*V_max/c.

该关系式给出了因变于无人驾驶飞机的最大速度的频率之间最小偏差。

该条件也可表达如下：“假设无人驾驶飞机D1处于频率F₁和最大相对速度V_max，则另一无人驾驶飞机D2高于F₁的最小频率F₂为：

F₂＝F₁*2*V_max/c/(1-2*V_max/c).″

可进一步将波峰的非零宽度W考虑在内而概括出相同的原因。这些阈值则为：

D₁＝2*V_max*F_s/(c*F₁)+W

以及

D₂＝2*V_max*F_s/(c*F₂)+W.

同样地，证明频率必须验证：

abs(F₁-F₂)/max(F₁，F₂)＞2*V_max/c+W*min(F₁，F₂)/F_s

也就是说：“假设无人驾驶飞机D1处于频率F₁和最大相对速度V_max，则另一无人驾驶飞机高于F₁的最小频率F₂为：

F₂＝F₁*2*V_max/c/(1-2*V_max/c)+W*F₁/F_s/(1-2*V_max/c).″

Claims (11)

1.一种通过超声遥测估算距离的方法，所述方法是由无人驾驶飞机(D1)实现的，尤其用于测量无人驾驶飞机的海拔高度(h)，所述方法包括：

a)从时间原点开始发出超声猝发脉冲，所述猝发脉冲以预定的复现频率重复；

b)在每次发射结束后并在分隔两次连续发射的时帧(n-1，n，n+1，...)期间，接收多个连续信号波峰，这些连续信号波峰出现在同一时帧期间的相应到达时间，其中所述连续信号波峰包括伪波峰(E’_n-1，E’_n，E’_n+1，...)和与拟估算的距离对应的一个有用波峰(E_n-1，E_n，E_n+1，...)；

其特征在于：

-提供预备步骤，所述预备步骤将所述复现频率调整至与打算在与所考虑的无人驾驶飞机同一时间使用的另一无人驾驶飞机(D2)的相应复现频率不同的预定值，

-步骤b)包括由于来自另一无人驾驶飞机的超声猝发脉冲发射造成的伪波峰的可能接收；以及

-对于实现所述方法的所考虑的无人驾驶飞机(D1)，所述方法还包括：

c)对于两个连续帧，将当前帧的p信号波峰的到达时间与前一帧的q信号波峰的到达时间作比较，并针对p、q波峰对中的每一个来确定相应的相对时隙；

d)将至少一个选择标准应用于步骤c)确定的p、q相对时隙，从而能够保留当前帧的仅一个波峰；以及

e)针对最末一个猝发脉冲的发射时间基于在步骤d)保留的波峰到达时间估算距离。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调整所考虑的无人驾驶飞机(D1)和另一无人驾驶飞机(D2)的相应复现频率以使这些频率之间的差应验下列关系式：

abs(F₁-F₂)/max(F₁，F₂)＞2*V_max/c+W*min(F₁，F₂)/F_s

其中：

F1是所述考虑的无人驾驶飞机的复现频率，

F2是所述另一无人驾驶飞机的复现频率，

V_max是所述考虑的无人驾驶飞机沿距离估算方向的最大速度，

c是声音传播的速度，

W是猝发脉冲的时间宽度，以及

F_s是所接收信号的采样频率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所考虑的无人驾驶飞机(D1)和另一无人驾驶飞机(D2)的复现频率之间的差有利地在3％和10％之间，优选为5％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)包括作为另一选择标准的滤除，籍此仅保留当前帧的波峰，当前帧的波峰与前一帧的波峰的相对时隙低于预定阈值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阈值被确定为对于沿估算所述距离的方向在其最大速度下的无人驾驶飞机的位移，无人驾驶飞机在两个连续的发射时间的两个位置之间的声音路径的最大变化的函数。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阈值可特别地通过下列表达式确定：

D＝2*V_max*F_s/(c*F_{无人驾驶飞机})

其中：

D是表达为采样数的阈值，

V_max是无人驾驶飞机沿距离估算方向的最大速度，

F_s是所接收信号的采样频率，

c是声音传播的速度，以及

F_{无人驾驶飞机}是猝发脉冲发射的复现频率。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阈值增加因变于超声猝发脉冲的时间宽度的修正项。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阈值通过下列表达式确定：

D＝2*V_max*F_s/(c*F_{无人驾驶飞机})+W.F_s，

D是表达为采样数的阈值，

V_max是无人驾驶飞机沿距离估算方向的最大速度，

F_s是所接收信号的采样频率，

c是声音传播的速度，

F_{无人驾驶飞机}是猝发脉冲发射的复现频率，以及

W是用采样数表达的猝发脉冲时间宽度。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤d)还包括：在滤除后保持多个波峰的情形下选择连续信号波峰的出现顺序中的当前帧内的第一个波峰，作为附加的选择标准。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤d)还包括：在滤除后保持多个波峰的情形下选择连续信号波峰的出现顺序中的当前帧内的最后一个波峰，作为附加的选择标准。

11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在将当前帧的p信号波峰的到达时间与前一帧的q信号波峰的到达时间作比较并针对p、q波峰对中的每一个确定相应的相对时隙的步骤c)结束时，在检测到同一相对时隙间隔内存在两个波峰的情形下，则提供针对在步骤e)的距离估算选择前一帧的单个波峰的步骤，而不是选择当前帧的一个波峰。

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