CN106444829A - 一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法。包括无人机设置为待机状态，地面控制站确定威胁目标，控制光电探测设备对所述威胁目标进行动态跟踪，地面控制站获取所述威胁目标位置，并对无人机发出飞行指令，无人机进入机动飞行模式，到达目标附近区域。当无人机与目标的距离小于第一阈值时，通过视觉引导装置和测距装置控制无人机精确逼近目标，当无人机与目标之间的距离小于第二阈值时，抛网装置自动触发，发射拦截网将目标缠绕坠落，最后无人机返航。采用本发明实施例的方法，根据无人机与目标之间的相对位置信息自动触发抛网装置对目标实施拦截，可有效提高拦截精度与自动化程度。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法。
背景技术
“低慢小”目标是指飞行高度低、飞行速度慢、特征信号小的飞行器，如航空模型(固定翼、多旋翼、直升机)、空飘气球、动力三角翼、滑翔机等，具有成本低廉、操控简单、起降方便的特点。在某些大型运动会、会议等重要场合，或者在战争情况下，容易被不法分子或者敌对势力利用，作为运载爆炸物品、投放生化毒剂、散播传单等行为的工具。如何有效防御“低慢小”目标的干扰、破坏行为，已成为日常维护空中飞行秩序和安全的世界性难题。
国内外对于“低慢小”目标的处置方式主要包括硬杀伤方式、微波干扰、激光毁伤、柔性绳网拦截等方法。
直接击中飞行器的硬杀伤方式，如用导弹、炮弹等对飞行器进行精确打击，命中率较低，且攻击完成后产生的大量破片容易误伤无关人员，对周围环境的安全性构成重大威胁。如果采用激光武器或无线电干扰武器拦截飞行器，一方面整个拦截系统非常复杂、庞大，造价昂贵，使用及维护困难，另一方面这样的系统易遭受外来干扰及侵害，可靠性较低。另外，无线电干扰武器能够对环境造成严重的电磁污染.
柔性绳网拦截方式是一种针对“低慢小”目标的有效的无附带损伤拦截技术，目前对于“低慢小”目标的柔性绳网拦截方式主要以网弹发射拦截和手控无人机抛网拦截方式为主。但网弹发射拦截方式存在有效拦截距离较短、使用成本高的不足，手控无人机抛网拦截方式存在拦截精度及自动化程度低的不足。
因此，迫切需要提出一种可以有效提高针对“低慢小”目标的拦截距离远、拦截精度及自动化程度高的“低慢小”目标拦截方法。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，用以解决现有技术中命中率低、可靠性差、造价昂贵以及维护困难等问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
步骤S1、地面控制站将无人机设置为待机状态；
步骤S2、地面控制站确定威胁目标，控制光电探测设备对威胁目标进行动态跟踪；
步骤S3、地面控制站获取所述威胁目标实时位置信息，并对无人机发出飞行指令；
步骤S4、无人机进入机动飞行模式，根据从地面控制站接收到的目标实时位置信息和无人机GPS导航装置测得的自身位置信息到达威胁目标附近区域；
步骤S5、当无人机与威胁目标的距离小于第一阈值时，通过视觉引导装置和测距装置控制无人机精确逼近所述威胁目标；
步骤S6、当无人机与威胁目标之间的距离小于第二阈值时，抛网装置自动触发，发射拦截网将威胁目标缠绕坠落；
步骤S7、地面控制站控制无人机返航。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S1进一步包括：无人机在待机状态下，保持系留悬停状态，通过系留缆与地面升空回收装置连接，由地面供电装置供电，进行长时间留空值守；
系留缆内部为供电线，外部为抗拉材料，系留缆与无人机之间通过滑环连接装置连接，可实现无人机360°转动以及与系留缆的自动分离。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S2进一步包括，地面控制站通过光电测距装置实时测量所述威胁目标在光电探测装置坐标系下的方位、俯仰、斜距坐标，将目标的位置信息实时传给地面控制站；
在基于本发明的另一个实施例中，地面控制站对光电探测装置测得的目标在光电探测装置坐标系下的坐标转换为大地坐标系下的经度、纬度和高度坐标。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S5进一步包括，视觉导引装置通过视觉跟踪算法控制云台光轴对准目标，同时测距装置对目标进行测距；无人机将光轴方向及与目标之间的测距值输出给飞行控制装置，飞行控制装置控制无人机的运动方向与光轴方向一致。
在基于本发明的另一个实施例中，光电探测装置和地面控制站置于地面，通过电缆或无线网络连接；
无人机与所述地面控制站通过无线链路进行通讯，并响应于地面控制站的控制指令。
在基于本发明的另一个实施例中，测距装置为超声波测距装置、激光测距装置、双目视觉测距装置中的一种或多种。
在基于本发明的另一个实施例中，第一阈值为30m。
在基于本发明的另一个实施例中，第二阈值为8m。
在基于本发明的另一个实施例中，抛网装置安装于无人机下方，由电动触发装置、小气瓶、拦截网、导向锥、牵引头、主体等部分组成，以高压气体为动力抛射拦截网。
在基于本发明的另一个实施例中，无人机上的视觉导引装置、测距装置、GPS导航装置、抛网装置均由无人机电池供电。
本发明有益效果如下：
本发明提供了一种新的针对“低慢小”目标的拦截方法，以无人机为平台，搭载抛网装置对“低慢小”目标实施拦截，可有效提高拦截斜距，拦截斜距仅受地面探测距离、无人机飞行参数及通信距离影响，系统各个组成均可反复使用，降低成本。采用地面光电跟踪装置跟踪目标，地面控制站根据目标位置信息发出飞行控制指令，采用无人机GPS导航飞行与末段视觉导引飞行相结合的的复合制导方式，根据无人机与目标之间的相对位置信息自动触发抛网装置对目标实施拦截，可有效提高拦截精度与自动化程度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为制导无人机抛网拦截方法示意图；
图2为GPS导航坐标转换示意图；
图3为视觉导引坐标转换示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
根据本发明的一个具体实施例，公开了一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，具体包括以下步骤：
步骤一：地面控制站将无人机设置为待机状态。
具体地，待机状态下，无人机可以保持系留悬停状态，通过系留缆与地面升空回收装置连接，由地面供电装置供电，进行长时间留空值守，连续留空时间可达24h。
无人机与地面控制站通过无线链路进行通讯，并响应于地面控制站的控制指令，可在系留悬停状态和机动飞行状态下切换。
具体地，系留缆内部为供电线，外部为抗拉材料。系留缆通过地面升空回收装置可实现无人机的自动升空与回收。系留缆与无人机之间通过滑环连接装置连接，可实现无人机360°转动以及与系留缆的自动分离。
步骤二：地面控制站确定威胁目标，控制光电探测设备对所述威胁目标进行动态跟踪。
地面控制站通过对光电探测装置传回的对目标空域的搜索数据确定威胁目标，控制光电探测设备对威胁目标进行动态跟踪；
光电探测装置响应于地面控制站确认的威胁目标，对威胁目标进行动态跟踪，并通过激光测距的方式实时测量目标在光电探测装置坐标系下的方位、俯仰、斜距坐标，将目标的位置信息实时传给地面控制站。
具体地，光电探测装置和地面控制站置于地面，通过电缆或无线网络连接。
步骤三：地面控制站获取所述威胁目标实时位置信息，并对无人机发出飞行指令。
地面控制站对光电探测装置测得的目标位置进行实时解算，通过坐标变换的方法将目标在光电探测装置坐标系下的坐标转换为目标在大地坐标系下的经度、纬度和高度坐标。
其中，GPS导航坐标转换示意图如图2所示，其中，L系为目标坐标系(Xl、Yl、Zl为Ol三维坐标轴)，B系为光电探测装置坐标系(Xb、Yb、Zb为Ob三维坐标轴)，V系为地面控制站坐标系(Xv、Yv、Zv为Ov三维坐标轴)，T系为地理坐标系(Xt、Yt、Zt为Ot三维坐标轴)，I系为大地坐标系(Xi、Yi、Zi为Oi三维坐标轴)。
解算过程如下：
(1)目标在B系下的直角坐标为:
式中，为L系到B系的齐次坐标变换矩阵；d为激光测距测输出值；α和β分别为光电探测系统的方位和俯仰指向角，其中，α和β的正负号为逆时针转动为正，顺时针转动为负，Rot(z,α)称为Z轴上的旋转算子、Rot(y,β)称为Y轴上的旋转算子、Trans(d,0,0)称为平移算子(以下相同)。
(2)目标在V系下的直角坐标为:
式中，为B系到V系的齐次坐标变换矩阵；Δψα、Δθα和Δφα分别为光电探测系统与地面控制站之间的方位对准角、俯仰和滚动调平角。在理想装配情况下，这些角度值均为0。Δx1,Δy1,Δz1为光电探测装置与地面控制站之间的距离分量。
(3)目标在T系下的直角坐标为：
式中，为V系到T系的齐次坐标变换矩阵；ψm、θm和φm分别为地面控制站对于地理坐标系安装的方位对准角、俯仰和滚动调平角，在理想装配情况下，这些角度值均为0。
(4)目标在I系下的直角坐标为:
式中，为T系到I系的齐次坐标变换矩阵；Lv、Bv和Hv分别为载体的大地坐标信息，即经度、纬度和高度。为椭球卯酉圈曲率半径；a＝6378137m为椭球长半轴；b＝6356752m为椭球短半轴，a＝0.08182为椭球第一偏心率。
综上所述可得大地直角坐标系下目标定位方程：
由目标在大地坐标系下的直角坐标xi,yi,zi，可以计算出目标在大地坐标系下的大地坐标(经度Lt,纬度Bt和高程Ht)：
式中，第二偏心率e'＝0.0820944379469。
步骤四：根据地面控制站发出的飞行控制指令，无人机与系留缆分离，由机载电池供电，转变为机动飞行模式；无人机上的飞行控制装置根据从地面控制站接收到的目标实时位置信息和GPS导航装置测得的无人机自身位置信息，不断进行位置反馈控制，直至到达目标附近区域。
具体地，无人机与地面控制站通过无线链路进行通信。
步骤五：当无人机与所述威胁目标的距离小于第一阈值时，通过视觉引导装置和测距装置控制无人机精确逼近所述威胁目标。
当无人机与目标的距离小于第一阈值时，进入无人机视觉导引飞行阶段，无人机上的视觉导引装置通过视觉跟踪算法控制云台光轴对准目标，同时无人机上的测距装置对目标进行测距。无人机将光轴方向及与目标之间的测距值输出给飞行控制装置，使无人机的运动方向与光轴方向一致，控制引导无人机精确逼近目标。
其中视觉跟踪算法包括视觉导引坐标变换，示意图如图3所示。
目标相对位置解算过程：
其中，H系为云台坐标系(Xh、Yh、Zh为Oh三维坐标轴),P系为无人机坐标系(Xp、Yp、Zp为Op三维坐标轴)
(1)目标在H系下的直角坐标为:
式中，为L系到H系的齐次坐标变换矩阵；l为超声测距测输出值；γ和δ分别为云台光轴的方位和俯仰指向角，其中，γ和δ的正负号为逆时针转动为正，顺时针转动为负。
(2)目标在P系下的直角坐标为:
式中，为H系到P系的齐次坐标变换矩阵；Δψβ、Δθβ和Δφβ分别为云台基准点与无人机基准点之间的方位对准角、俯仰和滚动调平角。在理想装配情况下，这些角度值均为0。Δx2,Δy2,Δz2为云台基准点与无人机基准点之间的距离分量。
综上所述可得,无人机坐标系下目标定位方程：
所述测距装置为利用超声波测距、激光测距、双目视觉测距等原理的测距装置。测距装置与云台、相机同轴安装。
在一个优选实施例中，距离传感器为超声波测距装置，采用URM05型大功率静电超声波测距传感器。该传感器测量距离可达10米，对障碍物的吸收率具有低敏感性。URM05型传感器具有较高的超声波测量角度分辨率。具有单回声模式和多回声模式两种工作状态。探头方向角为15°。
在另一个优选实施例中，距离传感器为激光测距装置，采用激光相位法测量技术，有效测量距离30m，测量精度1m。
进一步，无人机上的视觉导引装置、超声测距装置、GPS导航装置、抛网装置和云台电机由无人机电池供电。
具体地，第一阈值＝30m。
步骤六：当无人机与目标之间的距离小于第二阈值时，触发抛网装置，发射拦截网将目标缠绕坠落。
拦截网的大小可以视情况选择。
具体地，抛网装置安装于无人机下方，由电动触发装置、小气瓶、拦截网、导向锥、牵引头、主体等部分组成，采用气动发射原理，以高压气体为动力抛射拦截网，安全、高效、环保。抛网装置的直径为73mm，有效距离为10m。拦截网可以是编织网绳和米字绊马索编织而成。
例如：拦截网：由3m×3m的15目编织绳编织而成。
具体地，第二阈值＝8m。
步骤七：无人机返航。
有益效果：本发明提供了一种新的针对“低慢小”目标的拦截方法，以无人机为平台，搭载抛网装置对“低慢小”目标实施拦截，可有效提高拦截斜距，拦截斜距仅受地面探测距离、无人机飞行参数及通信距离影响，系统各个组成均可反复使用，降低成本。采用地面光电跟踪装置跟踪目标，地面控制站根据目标位置信息发出飞行控制指令，采用无人机GPS导航飞行与末段视觉导引飞行相结合的的复合制导方式，根据无人机与目标之间的相对位置信息自动触发抛网装置对目标实施拦截，可有效提高拦截精度与自动化程度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、地面控制站将无人机设置为待机状态；
步骤S2、地面控制站确定威胁目标，控制光电探测设备对所述威胁目标进行动态跟踪；
步骤S3、地面控制站获取所述威胁目标实时位置信息，并对无人机发出飞行指令；
步骤S4、无人机进入机动飞行模式，根据从地面控制站接收到的目标实时位置信息和无人机GPS导航装置测得的自身位置信息到达所述威胁目标附近区域；
步骤S5、当无人机与所述威胁目标的距离小于第一阈值时，通过视觉引导装置和测距装置控制无人机精确逼近所述威胁目标；
步骤S6、当无人机与所述威胁目标之间的距离小于第二阈值时，抛网装置自动触发，发射拦截网将所述威胁目标缠绕坠落；
步骤S7、地面控制站控制无人机返航。
2.如权利要求1所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：无人机在所述待机状态下，保持系留悬停状态，通过系留缆与地面升空回收装置连接，由地面供电装置供电，进行长时间留空值守；
所述系留缆内部为供电线，外部为抗拉材料，系留缆与无人机之间通过滑环连接装置连接，可实现无人机360°转动以及与系留缆的自动分离。
3.如权利要求1或2所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，
所述步骤S2进一步包括，所述地面控制站通过光电测距装置实时测量所述威胁目标在光电探测装置坐标系下的方位、俯仰、斜距坐标，将目标的位置信息实时传给地面控制站；
所述步骤S3进一步包括，地面控制站对光电探测装置测得的目标在光电探测装置坐标系下的坐标转换为大地坐标系下的经度、纬度和高度坐标。
4.如权利要求1所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括，
所述视觉导引装置通过视觉跟踪算法控制云台光轴对准目标，同时所述测距装置对目标进行测距；
无人机将光轴方向及与目标之间的测距值输出给飞行控制装置，
飞行控制装置控制无人机的运动方向与光轴方向一致。
5.如权利要求1所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，
所述光电探测装置和地面控制站置于地面，通过电缆或无线网络连接；
所述无人机与所述地面控制站通过无线链路进行通讯，并响应于地面控制站的控制指令。
6.如权利要求1所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，
所述测距装置为超声波测距装置、激光测距装置、双目视觉测距装置中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，所述第一阈值为30m。
8.如权利要求1所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，所述第二阈值为8m。
9.如权利要求1或2所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，
所述抛网装置安装于无人机下方，由电动触发装置、小气瓶、拦截网、导向锥、牵引头、主体等部分组成，以高压气体为动力抛射拦截网。
10.如权利要求1所述的一种针对“低慢小”目标的制导无人机抛网拦截方法，其特征在于，
所述无人机上的视觉导引装置、测距装置、GPS导航装置、抛网装置均由无人机电池供电。
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