CN115285370B - 一种轮式装甲车车载无人机系统及其联动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮式装甲车车载无人机系统，包括轮式装甲车、控制器、弹射单元、升降俯仰单元、无人机，本发明的轮式装甲车可搭载固定翼无人机的弹射单元，相对于现有技术中单独设置无人机弹射架的方式，本发明的系统更加方便灵活，有利于协同作战，无人机向轮式装甲车提供前方目标的具体位置信息，便于轮式装甲车精准打击，提高了轮式装甲车的防护能力，减少车辆辎重的损失，无人机弹射单元采用电磁驱动，其弹射速度比电机或橡皮筋弹射的方式更大，进而可以获得更大的弹射初速度和飞行高度，升降俯仰单元可带动弹射单元的高度和俯仰角度的调节，整个系统可以实现收纳。

Description

一种轮式装甲车车载无人机系统及其联动控制方法

技术领域

本发明涉及装甲车技术领域，具体涉及一种轮式装甲车车载无人机系统及其联动控制方法。

背景技术

轮式装甲车，由于其速度快、机动能力强，因而在军事领域用途广泛，多用于运送兵源、反恐突击和进行战时指挥，但轮式装甲车的防御能力普遍不足，很容易成为坦克火炮、榴弹炮等袭击的目标，这是因为轮式装甲车无法及时获取行进前方的敌方目标信息所致，虽然具有侦察能力的固定翼无人机在军事领域应用较多，但是，鲜有将无人机与轮式装甲车进行结合的方案，现有技术中，轮式装甲车和无人机均是各自运行，这种模式在实际应用中暴露出不少问题。

固定翼无人机，也被称作固定翼飞行器，较之于多旋翼无人机，具有飞行速度快、噪音较低、经济性好、航程较远、运载能力大等特点，因而被广泛用于公/铁路巡查、高空侦察和针对特定军事目标袭击中。

然而，目前固定翼无人机多用于航模测试中，其控制系统、发射系统还不完善，虽然在军事用途中有一定程度应用，但是，固定翼无人机多为单独使用，很少与其他辎重设备进行结合，在起飞时，固定翼无人机需要倾斜设置的滑轨进行助跑起飞。通常而言，为了保证起飞顺畅，滑轨要有足够的长度，当滑轨长度较长时，在收纳方面存在诸多不便；此外，固定翼无人机多采用电机或者橡皮筋发射，其发射速度较低，进而使无人机发射高度大打折扣，超低空飞行过程中，容易遭受导弹、榴弹炮等袭击，而且在动力不足时不能及时返回补充能量，因而其飞行时间也受到限制。

因此，如何使轮式装甲车与固定翼无人机有效协同，既能提高轮式装甲车的防御作战能力，也能提高固定翼无人机的飞行高度和飞行时间，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

为解决上述背景技术中的技术难题，本发明提出了一种轮式装甲车车载无人机系统及其联动控制方法：

一种轮式装甲车车载无人机系统，包括轮式装甲车、控制器、弹射单元、升降俯仰单元、无人机。其中，所述轮式装甲车包括车体、轮胎、火炮和基座，轮胎设置在车体的底部两侧，所述车体的顶部前侧设置观察窗，基座与火炮连接，基座还可作为战斗人员的观察窗；所述轮式装甲车的车体的顶部后侧开设有天窗，所述天窗内设置有盖板，所述盖板用于密封上述天窗，所述天窗内容纳有弹射单元和升降俯仰单元，所述弹射单元与升降俯仰单元相互铰接，所述升降俯仰单元用于托举并调节无人机弹射时的俯仰角，所述弹射单元用于弹射无人机；控制器用于控制轮式装甲车和无人机的运行，同时，根据无人机反馈的信息控制轮式装甲车的对潜在军事目标进行打击。

所述弹射单元包括无人机弹射架、滑轨与滑套，无人机弹射架上固定连接滑轨，滑轨与滑套连接，所述滑套为磁性材料制作，所述滑轨内设置有线缆，滑套上部为支撑梁，所述支撑梁与无人机滑动连接。在所述线缆在通电后，滑轨与滑套之间产生行波磁场，滑套在行波磁场切割下，产生感应出电动势并产生感应电流，感应电流与行波磁场相互作用产生电磁推力，所述滑套在在电磁推力作用下沿滑轨快速滑动，进而，在支撑梁的带动下，所述无人机脱离轮式装甲车发射升空。

所述无人机下方设置滑动座，所述滑动座内部铰接滚珠，所述滚珠与支撑梁滑动连接，所述滑套的后端固定连接后座，所述后座上连接弹簧，所述弹簧与无人机的尾部相抵触。在所述滑套加速移动时，所述无人机将紧紧抵靠在弹簧上。所述滑轨的末端止挡部，当所述滑套到达止挡部时，线缆断电，滑套的动能绝大部分转化为弹簧的弹性势能，无人机在弹性势能作用下，发射升空。

所述升降俯仰单元包括第一伸缩杆、上部支撑平台、连杆、第二伸缩杆、下部支撑平台和顶脚。其中，所述第一伸缩杆一端通过铰接座与无人机弹射架的一端铰接，另一端与上部支撑平台铰接，所述铰接座固定设置在无人机弹射架的底部，上部支撑平台尾部形成有腿状凸起，所述腿状凸起与无人机弹射架的另一端铰接；上部支撑平台通过多根相互铰接的连杆与下部支撑平台连接，所述下部支撑平台上设置铰接第二伸缩杆的一端，所述第二伸缩杆的另一端铰接在连杆上。

当第二伸缩杆伸长时，相邻连杆之间的夹角逐渐增大，进而推动上部支撑平台实现顶升；在此基础上，当第一伸缩杆伸长时，无人机弹射架的俯仰角逐渐增大，进而实现了对无人机弹射角度的控制。

当无人机需要发射时，首先通过控制器控制盖板向两侧移动，使天窗打开，其次控制升降俯仰单元升高，使上部支撑平台露出天窗，接着，控制升降俯仰单元俯仰转动，调节至预设的弹射角度，最后，将无人机搭载在弹射单元上，控制器控制线缆通电，所述无人机在电磁推力的推动作用下发射升空。

基于上述轮式装甲车车载无人机系统，进一步提出了一种轮式装甲车车载无人机联动控制方法，所述控制方法包含如下步骤：

步骤S1：轮式装甲车的控制器控制升降俯仰单元顶升，并使升降俯仰单元调整到预设的俯仰角，接着，通过弹射单元将无人机弹射升空；

步骤S2：无人机达到预定高度后，控制器控制无人机的涡轮启动运行；

步骤S3：无人机将夜视仪采集的红外图像或摄像机拍摄的图像通过无线通信方式发送给控制器，所述控制器在接收到图像信息后对图像进行预处理；

步骤S4：在步骤S3的基础上，从预处理的后图像中提取颜色、灰度和纹理特征；

步骤S5：采用模糊C均值算法对步骤S4中获得的纹理特征，进行特征聚类；

步骤S6：图像分割处理：通过灰度、边缘检测对特征聚类后的图像数据进行分割，形成图像数据集信息；

步骤S7：数据融合，无人机将GIS信息通过无线方式传送给控制器，控制器将GIS信息与图像集信息进行数据融合，使得图像集信息与相应的GIS信息进行对应；

步骤S8：在步骤S7的基础上，得到自然背景和潜在军事目标区域两部分，控制器调整火炮的偏航角、俯仰角，使得火炮目标对准潜在军事目标区域，对潜在军事目标区域进行精准打击。

综上所述，本发明的一种轮式装甲车车载无人机系统及其联动控制方法，与现有技术相比，其区别在于：

1)轮式装甲车可搭载固定翼无人机的弹射单元，相对于现有技术中单独设置无人机弹射架的方式，本发明的系统更加方便灵活，使轮式装甲车成了无人机的“航空母舰”，而无人机成了轮式装甲车的“舰载机”，进而跟有利于协同作战；

2)无人机向轮式装甲车提供前方目标的具体位置信息，便于轮式装甲车精准打击，提高了轮式装甲车的防护能力；

3)本发明的无人机弹射单元采用电磁驱动，其弹射速度比电机或橡皮筋弹射的方式更大，进而可以获得更大的弹射初速度和飞行高度，升降俯仰单元可带动弹射单元的高度和俯仰角度的调节，整个系统可以实现收纳，防止弹射单元暴露在外被破坏；

4)本发明将地理信息与图像信息结合，对侦察的目标进行精准定位，有助于轮式装甲车快速应对，减少车辆辎重的损失。

附图说明

图1为本发明的一种轮式装甲车车载无人机系统整体结构示意图；

图2为本发明的滑轨-滑套结构剖面图；

图3为本发明的滑轨-滑套结构侧视图；

图4为本发明第一实施例顶升平台示意图；

图5为本发明第一实施例车载无人机系统俯视图；

图6为本发明第二实施例顶升平台示意图；

图7为本发明的控制系统流程图；

图中，1-车体；2-轮胎；3-控制器；4-火炮；5-基座；6-盖板；7-第一伸缩杆；8-无人机弹射架；9-无人机；10-连接架；11-滑轨；12-滑套；13-线缆；14-滑动座；15-滚珠；16-后座；17-弹簧；18-铰接座；19-上部支撑平台；20-连杆；21-第二伸缩杆；22-下部支撑平台；23-顶脚；24-止挡部；25-第三伸缩杆；26-拉簧；

8-1-第一弹射架；8-2-第二弹射架；

9-1-机身；9-2-机翼；

12-1-支撑梁；

19-1-腿状凸起。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、完整，且使本领域技术人员能够实现，下面结合具体实施例做进一步详细描述。

实施例1

请考察图1-4，一种轮式装甲车车载无人机系统，包括轮式装甲车、控制器3、弹射单元、升降俯仰单元、无人机9，其中，轮式装甲车包括车体1、轮胎2、火炮4和基座5，轮胎2设置在车体1的底部两侧，车体1的顶部前侧设置观察窗5，基座5与火炮4连接，基座5还可作为战斗人员的观察窗，车体1的顶部后侧开设有天窗，天窗内设置有盖板6，盖板6用于密封上述天窗，天窗内容纳有弹射单元和升降俯仰单元，弹射单元与升降俯仰单元相互铰接，升降俯仰单元用于托举并调节无人机弹射时的俯仰角，弹射单元用于弹射无人机9，无人机9采用固定翼式无人机；控制器用于控制轮式装甲车和无人机9，同时，根据无人机9反馈的信息控制轮式装甲车对潜在军事目标进行打击。

进一步考察图2、图3和图5，弹射单元包括无人机弹射架8、滑轨11与滑套12，无人机弹射架8上固定连接滑轨11，滑轨11与滑套12连接，滑套12为磁性材料制作，滑轨11内设置有线缆13，滑套12上部为支撑梁12-1，支撑梁12-1与无人机9滑动连接，线缆13在通电后，滑轨11与滑套12之间产生行波磁场，滑套12在行波磁场切割下，产生感应出电动势并产生感应电流，感应电流与行波磁场相互作用产生电磁推力，滑套12在在电磁推力作用下沿滑轨11快速滑动，进而，在支撑梁12-1的带动下，无人机9脱离轮式装甲车发射升空。

无人机9下方设置有滑动座14，滑动座14内部铰接滚珠15，滚珠15与支撑梁12-1滑动连接，滑套12的后端固定连接后座16，后座16上连接弹簧17，弹簧17与无人机9的尾部相抵触。在滑套12加速移动时，无人机9将紧紧抵靠在弹簧17上，滑轨11的末端止挡部24，当滑套12到达止挡部24时，线缆13断电，滑套12的动能绝大部分转化为弹簧17的弹性势能，无人机9在弹性势能作用下，发射升空。

进一步考察图4，升降俯仰单元包括第一伸缩杆7、上部支撑平台19、连杆20、第二伸缩杆21、下部支撑平台22和顶脚23，其中，第一伸缩杆7一端通过铰接座18与无人机弹射架8的一端铰接，另一端与上部支撑平台19铰接，铰接座18固定设置在无人机弹射架8的底部，上部支撑平台19尾部形成有腿状凸起19-1，腿状凸起19-1与无人机弹射架8的另一端铰接；上部支撑平台19通过多根相互铰接的连杆20与下部支撑平台22连接，下部支撑平台22上设置铰接第二伸缩杆21的一端，第二伸缩杆21的另一端铰接在连杆20上，当第二伸缩杆21伸长时，相邻连杆20之间的夹角逐渐增大，进而推动上部支撑平台19实现顶升；在此基础上，当第一伸缩杆7伸长时，无人机弹射架8的俯仰角逐渐增大，进而实现了对无人机弹射角度的控制。

请考察图5，当无人机需要发射时，首先通过控制器3控制盖板6移动，使天窗打开，其次控制升降俯仰单元升高，使上部支撑平台19露出天窗，接着，控制升降俯仰单元俯仰转动，调节至预设的弹射角度，最后，将无人机9搭载在弹射单元上，控制器3控制线缆13通电，无人机9在电磁推力的作用下发射升空。

实施例2

滑套12相对于滑轨11直线运行过程中，加速度a为4.5L/t²，最大弹射速度V_max为at/3，因此，V_max＝1.5L/t，其中，L为轨道长度，t为无人机在轨道上的运行时间。

当轨道长度L增加ΔL时，运行时间t也增加了Δt，因此，V_max＝1.5*(L+ΔL)/(t+Δt)，而时间增量Δt/t相较于长度增量ΔL/L，其值极小，即Δt/t<<ΔL/L，因此，当轨道长度L增加时，末速度将大幅度增加，进而有利于提高最大弹射速度V_max；此外，还可以通过提高线缆13两端的电压提高最大弹射速度，两者结合，Δt更小，这将大大增强无人机的弹射速度。

请考察图6，对实施例1中的弹射单元做了进一步改进，在实施例中，弹射单元的无人机弹射架8包括相互铰接的两个部分，即第一弹射架8-1和第二弹射架8-2，第一弹射架8-1和第二弹射架8-2上均设置有滑轨11，第一弹射架8-1与第二弹射架8-2的均铰接在腿状凸起19-1上，第二弹射架8-2的另一端通过铰接座18与第三伸缩杆25的一端铰接，第三伸缩杆25的另一端铰接在下部支撑平台22上，第一弹射架8-1与第二弹射架8-2相互铰接的部位通过拉簧26连接；当第三伸缩杆25伸长到极限位置时，第一弹射架8-1和第二弹射架8-2将在同一直线上，此时拉簧26伸长，第一弹射架8-1与第二弹射架8-2的轨道实现对接；而当第三伸缩杆25收缩时，在拉簧26拉力作用下，第二弹射架8-2相对于第一弹射架8-1向下弯折，进而实现了无人机弹射架的折叠收纳，在无需发射无人机时有利于节省轮式装甲车车厢内的空间。

轮式装甲车内设置有蓄电池或军用航空燃油油箱，当无人机9的油量或电量不足时，通过向控制器3发送指令，控制器3控制无人机9返航，无人机返航后通过天窗进行拿取，对无人机充电或航空燃油。

进而，轮式装甲车相当于陆路的“航空母舰”，可以对参与巡航、执行任务的无人机进行泊机并补充能量，通过无人机与轮式装甲车的协同，无人机通过传送拍摄的图像信息和地理坐标信息，控制器控制轮式装甲车对行进前方潜在的军事目标进行精准打击，防止轮式装甲车被打击偷袭，极大地降低了车辆辎重的损失。

实施例3

请考察图7，无人机上搭载有夜视仪和摄像机，同时，具有GIS信息获取模块，GIS信息获取模块用于无人机拍摄的图像区域的地理坐标以及无人机的飞行高度等信息，GIS信息与多帧处理后的图像信息进行数据融合后，可区分出哪些是潜在军事目标，哪些是背景区域，进而，使控制器调整火炮的偏航角和俯仰角，对潜在的军事目标进行打击摧毁，提前规避风险。

基于此，本实施例进一步提出了一种轮式装甲车车载无人机控制方法，该控制方法基于实施例1或实施例2所述的一种轮式装甲车车载无人机系统，所述控制方法包含如下步骤：

步骤S1：轮式装甲车的控制器3控制升降俯仰单元顶升，并使升降俯仰单元调整到预设的俯仰角，接着，通过弹射单元将无人机9弹射升空；

步骤S2：无人机9达到预定高度H后，控制器3控制无人机9的涡轮启动运行；

步骤S3：无人机将夜视仪采集的红外图像或摄像机拍摄的图像通过无线通信方式发送给控制器3，控制器3接收到图像信息后对图像进行预处理，预处理包括降噪和图像增强，其中，降噪采用中值滤波法；

夜视仪和摄像机分别安装在无人机的正下方左、右两侧，夜视仪采用红外夜视仪。

步骤S4：在步骤S3的基础上，从预处理的后图像中提取颜色、灰度和纹理特征，其中，纹理特征包括图像的粗糙度、对比度、线性度、规整度和粗略度，纹理特征采用纹理对比度I和相关度指标W进行表示。

纹理对比度I由下式确定：

对于较粗的纹理，P_ij的数值主要集中在主对角线附近，此时|i-j|的值较小，此时纹理的对比度较小；而对于较细的纹理，P_ij的数值分布比较均匀，此时|i-j|的值较大，此时纹理的对比度较小；

灰度单元之间的相似度采用相关度指标W进行表述，W的计算式如下：

μ_x和σ_x分别是P_x(i)的均值和方差，μ_y和σ_y分别是P_y(j)的均值和方差，P_x(i)、P_y(j)分别与p(i，j)的关系为：

步骤S5：采用模糊C均值算法(即FCM聚类算法)对步骤S4中获得的纹理特征，进行特征聚类，具体方法如下：

步骤S51：FCM聚类算法的目标函数为：

式中，U为模糊分类矩阵，U＝(u_ij)_c×N，V＝{v₁，v₂，…，v_c}，d_ij为欧氏距离。

步骤S52：分别计算U(s)和V(s)，计算方式如下：

步骤S53：迭代计算，控制条件为：||U^(s)-U^(s+1)||＜ε，ε为设定值，当计算满足控制条件时，停止计算。

步骤S6：图像分割处理：通过灰度、边缘检测对特征聚类后的图像数据进行分割，形成图像数据集信息T_a；

步骤S7：数据融合，无人机将GIS信息通过无线方式传送给控制器，控制器将GIS信息与图像集信息T_as进行数据融合，使得图像集信息与相应的GIS信息进行对应。

其中，GIS信息包括无人机的高度、图像采集范围的位置坐标矩阵[x11*y11，x11*y12，...x1n*y1n；x21*y21，x22*y22，...x2n*y2n；...，xm1*ym1，xm2*ym2，...xmn*ymn]。

步骤S8：在步骤S7的基础上，得到自然背景和潜在军事目标区域两部分，控制器3调整火炮的偏航角、俯仰角。使得火炮目标对准潜在军事目标区域，对潜在军事目标区域进行精准打击。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种轮式装甲车车载固定翼无人机系统，包括轮式装甲车、控制器、弹射单元、升降俯仰单元、固定翼无人机，其特征在于：所述轮式装甲车的车体的顶部后侧开设有天窗，所述天窗内设置有盖板，所述盖板用于密封上述天窗，所述天窗内容纳有弹射单元和升降俯仰单元，所述弹射单元与升降俯仰单元相互铰接，所述升降俯仰单元用于托举并调节固定翼无人机弹射时的俯仰角，所述弹射单元用于弹射固定翼无人机；控制器用于控制轮式装甲车和固定翼无人机的运行，同时，根据固定翼无人机反馈的信息控制轮式装甲车的对潜在军事目标进行打击；

所述升降俯仰单元包括第一伸缩杆、上部支撑平台、连杆、第二伸缩杆、下部支撑平台和顶脚，其中，所述第一伸缩杆一端通过铰接座与固定翼无人机弹射架的一端铰接，另一端与上部支撑平台铰接，所述铰接座固定设置在固定翼无人机弹射架的底部，所述上部支撑平台通过多根相互铰接的连杆与下部支撑平台连接，所述下部支撑平台上设置铰接第二伸缩杆的一端，所述第二伸缩杆的另一端铰接在连杆上；

当固定翼无人机需要发射时，首先通过所述控制器控制盖板向两侧移动，使所述天窗打开，其次控制所述升降俯仰单元升高，使上部支撑平台露出天窗，接着，控制所述升降俯仰单元俯仰转动，调节至预设的弹射角度，最后，将固定翼无人机搭载在弹射单元上发射升空。

2.根据权利要求1所述的轮式装甲车车载固定翼无人机系统，其特征在于：所述轮式装甲车包括车体、轮胎、火炮和基座，轮胎设置在车体的底部两侧，所述车体的顶部前侧设置观察窗，基座与火炮连接，基座可作为战斗人员的观察窗。

3.根据权利要求2所述的轮式装甲车车载固定翼无人机系统，其特征在于：所述弹射单元包括固定翼无人机弹射架、滑轨与滑套，固定翼无人机弹射架上固定连接滑轨，滑轨与滑套连接，所述滑套为磁性材料制作，所述滑轨内设置有线缆，滑套上部为支撑梁，所述支撑梁与固定翼无人机滑动连接。

4.根据权利要求3所述的轮式装甲车车载固定翼无人机系统，其特征在于：所述固定翼无人机下方设置滑动座，所述滑动座内部铰接滚珠，所述滚珠与支撑梁滑动连接，所述滑套的后端固定连接后座，所述后座上连接弹簧，所述弹簧与固定翼无人机的尾部相抵触。

5.根据权利要求1所述的轮式装甲车车载固定翼无人机系统，其特征在于：所述上部支撑平台尾部形成有腿状凸起 ，所述腿状凸起与固定翼无人机弹射架的另一端铰接。

6.根据权利要求1-2任一项所述的轮式装甲车车载固定翼无人机系统，其特征在于：所述弹射单元包括固定翼无人机弹射架、滑轨与滑套，固定翼无人机弹射架上固定连接滑轨，滑轨与滑套连接，所述滑套为磁性材料制作，所述弹射架包括相互铰接的两个部分，即第一弹射架和第二弹射架，所述第一弹射架和第二弹射架上均设置有滑轨，所述滑轨内设置有线缆，所述滑套上部为支撑梁，所述支撑梁与固定翼无人机滑动连接。

7.一种轮式装甲车车载固定翼无人机联动控制方法，基于权利要求1所述的一种轮式装甲车车载固定翼无人机系统，所述控制方法包含如下步骤：

步骤S1：轮式装甲车的控制器控制升降俯仰单元顶升，并使升降俯仰单元调整到预设的俯仰角，接着，通过弹射单元将固定翼无人机弹射升空；

步骤S2：固定翼无人机达到预定高度后，控制器控制固定翼无人机的涡轮启动运行；

步骤S3：固定翼无人机将夜视仪采集的红外图像或摄像机拍摄的图像通过无线通信方式发送给控制器，所述控制器在接收到图像信息后对图像进行预处理；

步骤S4：在步骤S3的基础上，从预处理的后图像中提取颜色、灰度和纹理特征；

步骤S5：采用模糊C均值算法对步骤S4中获得的纹理特征，进行特征聚类；

步骤S6：图像分割处理：通过灰度、边缘检测对特征聚类后的图像数据进行分割，形成图像数据集信息；

步骤S7：数据融合，固定翼无人机将GIS信息通过无线方式传送给控制器，控制器将GIS信息与图像集信息进行数据融合，使得图像集信息与相应的GIS信息进行对应；

步骤S8：在步骤S7的基础上，得到自然背景和潜在军事目标区域两部分，控制器调整火炮的偏航角、俯仰角，使得火炮目标对准潜在军事目标区域，对潜在军事目标区域进行精准打击。