头戴式超声波三维定位跟随无人机系统-TDOA头随-V1.0

头戴式超声波三维定位跟随无人机系统-TDOA头随-V1.0

正式项目方案文档（标准交付版）

封面

项目名称：头戴式超声波三维定位跟随无人机系统
功能简称：TDOA头随
版 本：V1.0
文档编号：DRONE-FOLLOW-TDOA-20260529
编制日期：2026年05月29日
密 级：内部使用
适用平台：ESP32 + 40kHz 超声波收发 + 6面红外避障

目录

1. 项目概述
2. 系统总体架构
3. 核心技术指标
4. 硬件系统设计（完整接线）
5. 时间同步与TDOA定位原理
6. 三维定位与飞行控制算法
7. 六面全域避障系统
8. 完整可编译代码
9. 系统调试步骤（0→试飞）
10. 风险分析与解决方案
11. 交付物清单

1 项目概述

1.1 项目名称

头戴式超声波三维定位跟随无人机系统-TDOA头随-V1.0

1.2 项目目标

实现无人机对人体头部轻量化、厘米级、抗干扰、防误跟随的三维自主跟随。
解决传统无人机挂载传感器带来的增重、功耗高、电机噪声干扰大等问题，适用于室内/无GPS环境、巡检跟随、场景拍摄、特殊作业跟随。

1.3 核心创新点

• 反向架构：头戴超声发射 + 无人机三路接收，无人机几乎不增重
• WiFi微秒级时间同步，实现稳定TDOA三维定位
• 六面全向红外避障，保障飞行安全
• 身份ID绑定，天然防路人、防干扰、防误跟随

2 系统总体架构

系统由三部分组成：

1. 头戴端：40kHz超声波发射器 + ESP32（帽子）
2. 手环端：ESP32（WiFi同步、触发、身份ID）
3. 无人机端：ESP32主控 + 3路超声接收 + 6路避障 + 飞控接口

2.1 工作流程

1. 手环定时通过WiFi发送同步触发包
2. 无人机记录基准时间T0
3. 无人机指令帽子发射超声波
4. 无人机三路接收记录到达时间t1/t2/t3
5. 计算时间差→距离→三维坐标
6. 输出俯仰/横滚/油门控制量
7. 避障优先，保障安全

3 核心技术指标

• 定位方式：TDOA超声波时差定位
• 工作距离：50–120cm
• 目标跟随距离：80cm
• 目标高度差：50cm
• 定位精度：±3–4cm
• 时间同步误差：<100μs
• 定位刷新率：20Hz
• 避障方向：前/后/左/右/上/下
• 供电：3.7V锂电池
• 无人机增重：<15g
• 响应延迟：<50ms

4 硬件系统设计（完整接线）

4.1 头戴+手环端（同一ESP32）

• 超声发射器 VCC → 3.3V
• 超声发射器 GND → GND
• 超声发射器 IN → GPIO10
• 供电：3.7V锂电池

4.2 无人机端：3路超声波接收

• R1左接收 OUT → GPIO2
• R2右接收 OUT → GPIO3
• R3下接收 OUT → GPIO4
• 全部 VCC→3.3V，GND→GND

4.3 无人机端：6面红外避障

• 前避障 → GPIO12
• 后避障 → GPIO13
• 左避障 → GPIO14
• 右避障 → GPIO15
• 上避障 → GPIO16
• 下避障 → GPIO17

4.4 飞控控制接口

• 俯仰（前后）→ GPIO25
• 横滚（左右）→ GPIO26
• 油门（高度）→ GPIO27

5 时间同步与TDOA定位原理

5.1 同步步骤

1. 无人机开启1μs精度定时器
2. 手环每50ms发WiFi：TRIGGER
3. 无人机收到→记录T0=micros()
4. 无人机回复：TX_NOW
5. 帽子发射40kHz脉冲
6. R1/R2/R3收到→记录t1/t2/t3
7. 时间差：dt1=t1-T0；dt2=t2-T0；dt3=t3-T0
8. 距离：d=dt×0.034 cm/μs

5.2 精度说明

• 同步误差<100μs → 距离误差<3.4cm
• 总定位误差<4cm，满足头部跟随

6 三维定位与飞行控制算法

• 左右偏差：leftRightErr = d1 - d2
• 前后距离：frontBackDist = (d1+d2)/2
• 高度差：heightErr = d3
• 控制逻辑：阈值式简易PD控制
• 目标距离80cm，目标高度差50cm

7 六面全域避障系统

• 任意一路避障触发 → 立即悬停
• 障碍消失 → 自动恢复跟随
• 避障优先级 > 跟随控制

8 完整可编译代码

8.1 无人机端代码（主控制器）

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