基于激光的无人机回收引导系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于激光的无人机回收引导系统，包括机载端和地面端。地面端包括由两轴稳定跟踪转台、二维振镜、测距激光发射模块、测距激光接收模块、引导/通信激光发射单元、CCD相机和I/O接口组成的PAT(Pointing,Acquisition,Tracking)控制单元，具备图像处理及控制功能的总控电脑。PAT控制单元实现无人机目标的瞄准、捕获、跟踪。机载端包括角反镜/指示灯组成的合作目标和光电探测器。角反镜/指示灯用于反馈信号给地面端，光电探测器工作在单工模式下，用于激光通信接收。本发明专利技术能在不依赖无线电通信的情况下将回收引导位置等信息可靠上传到无人机上，具备位置测量与通讯同步传输的能力，能满足在卫星与无线电通讯拒止条件下无人机自主精确回收要求。

【技术实现步骤摘要】
基于激光的无人机回收引导系统
本专利技术涉及激光应用
，特别涉及一种基于激光的无人机回收引导系统。
技术介绍
目前国外对无人机回收引导测量系统已有一些公开报道和成熟研究成果，大致有雷达测量，GPS与惯性器件测量，光电测量这几种方式或其组合，比较典型的系统例如：美国SierraNevada公司基于雷达技术开发了UCARS-V2无人机战术回收系统，以解决舰上雷达测量系统近距离定位精度较低，跟踪性能差且容易遭到干扰的问题，但是提高雷达测量精度和抗干扰性的成本也较为昂贵。美国Raytheon公司采用了基于GPS技术的JPALS(JointPreciseApproachandLandingSystem，联合精密进近和着陆系统)系统，于2013年7月10日成功完成了X-47B隐身无人机的自主着舰试验，但由于众所周知的原因，GPS不作为我国无人机引导的主要手段。惯性器件具有较强的抗干扰能力，但是其误差随时间增加逐步积累，不适宜作为无人机末端引导的主要手段。瑞士Ruag公司开发了基于激光的OPATS(ObjectPositionandTrackingSystem，目标定位跟踪系统)系统，在无人机通过雷达或者GPS引导入降落窗口后可以对无人机进行精密姿态测量，为着陆提供可靠保障。该系统成本较低，证明了激光测量跟踪技术在无人机引导上的可行性，但是该系统仅针对陆地降落设计，缺乏抑制舰船摇摆的必要手段，同时引导信息上传链路也不是激光通信链路。目前，几乎所有无人机引导系统的通信方式仍然依赖无线电，考虑到舰船上现有的雷达与射频通信造成的电磁兼容性问题越来越复杂，使用传统的射频方式与无人机进行数据通信，势必会对数据的可靠性与实时性产生影响。为了解决复杂电磁对抗环境下卫星拒止与无线电通信不可用等问题，利用大气激光传输波束定向精准、通信传输速率高、通信容量大、传输不易受干扰、保密性高等优点，提出一种面向陆基中小型无人机着陆/回收引导需求的激光引导系统有着极其重要的实际意义。
技术实现思路
卫星定位系统容易受到外界干扰，为保障无人机高精度、高可靠性以及复杂环境下的精确回收，本专利技术提出了一种基于激光的无人机回收引导系统，具备位置测量与通讯同步传输的能力，能满足在卫星与无线电通讯拒止条件下无人机自主精确回收要求。本专利技术采用如下技术方案实现：一种基于激光的无人机回收引导系统，包括机载端和地面端，地面端包括由两轴稳定跟踪转台、二维快速振镜、引导/通信激光发射单元、CCD相机和安装有图像处理与控制程序的总控电脑组成的PAT单元，测距激光发射模块，测距激光接收模块，以及I/O接口；PAT单元实现对无人机的瞄准、捕获、跟踪；二维快速振镜、引导/通信激光发射单元、CCD相机、测距激光发射模块，测距激光接收模块，以及I/O接口均设置在两轴稳定跟踪转台上，CCD相机、测距激光接收模块、二维快速振镜、引导/通信激光发射单元分别通过I/O接口与总控电脑连接，测距激光发射模块与二维快速振镜连接；机载端包括由角反镜和指示灯构成的合作目标以及光电探测器；角反镜/指示灯用于反馈信号给地面端的CCD相机和测距激光接收模块，光电探测器工作在单工模式下，用于实现无人机的方位、俯仰、距离信息的激光通信接收；合作目标、光电探测器分别与机载飞控单元连接；在无人机通过引导方式进入降落窗口后，引导/通信激光发射单元发射引导激光，激光束经由二维快速振镜对降落窗口区域进行扫描，回波激光或者机载指示灯会在CCD相机光敏面上成像，由I/O接口进入总控电脑，经图像处理程序获取无人机的相对角位置信息，图像处理及控制程序利用该角信息来控制二维快速振镜的扫描动作，将引导/通信激光激光束稳定跟踪照射到无人机上，实现对无人机的主动跟踪；此时，测距激光发射模块发射的测距激光也会稳定照射到无人机上，机载端的角反镜反射的测距激光的回波信号会被测距激光接收模块接收到，解算出无人机的相对距离信息；无人机的方位、俯仰、距离三维位置信息通过I/O接口输出，以电信号的形式经过调制电路调制通信激光光束，再由引导/通信激光发射单元经二维快速振镜上行发射向无人机；这样，无人机就可基于收到的不断刷新的三维位置信息控制飞行航向与降落，在不依赖无线电通信的情况下完成激光引导降落过程；本系统通过对激光进行信息调制，使系统在完成测距、测角等信息测量的同时，兼具高速信息通信的能力，实现在无线电拒止条件下对无人机精确回收引导。所述地面端PAT单元中的两轴稳定跟踪转台和二维快速振镜，两者形成了一种复合轴结构，从二维快速振镜的出射反射镜射出激光束扫描到机载端角反镜后，回波激光或者机载指示灯会在CCD相机光敏面上成像，经图像处理程序获取无人机的相对角位置信息，图像处理及控制程序利用该角信息来控制二维快速振镜的扫描动作，将引导/通信激光激光束稳定跟踪照射到无人机上；其中，两轴稳定跟踪转台采用U-O结构设计，实现运动目标的粗跟踪；二维快速振镜执行激光高速扫描功能，实现运动目标的精跟踪；二维快速振镜包括入射反射镜、出射反射镜、扫描电机和控制电路，反射镜固定在扫描电机轴上，通过电机转动控制反射镜的偏转角度；扫描电机内集成有转角位置传感器；二维快速振镜通过驱动器和I/O接口与总控电脑进行数据交换，把转角位置信息传递给图像处理及控制程序，接收总控电脑输出的位置电压信号，驱动扫描电机转到指定转角位置。所述激光束经由二维快速振镜对降落窗口区域进行扫描时采用螺旋光栅复合扫描，从捕获概率高的区域向捕获概率低的区域扫描，易于实现。本专利技术在继承传统激光测量技术的基础上，借鉴激光通信原理，通过对发射激光进行信息调制，使激光系统在完成测距、测角等信息测量的同时，兼具高速信息传输的能力，实现了在无线电拒止条件下对无人机精确回收引导。附图说明图1为无人机回收激光引导系统组成图。图2为无人机回收激光引导系统工作示意图。图3为PAT工作原理框图。图4为两轴稳定跟踪转台原理图。图5为二维快速振镜原理图。图6为螺旋光栅扫描原理与捕获时间示意图。图7为脉冲测距原理图。图8为副载波工作示意图。图9为PAT单元组成图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。本专利技术为一种基于激光的无人机回收引导系统，系统采用地面激光主动扫描实现对无人机目标的捕获、跟踪、测量，可提供飞机相对位置信息。同时，本专利技术中采用激光引导与激光通信模块一体化融合设计，可提供无线电拒止下的引导信息上传通讯能力。系统由机载端和地面端两部分构成，如图1所示。地面端主要包括：由两轴稳定跟踪转台、二维振镜、测距激光发射模块、测距激光接收模块、引导/通信激光发射单元、CCD相机和I/O接口组成的PAT(瞄准-Pointing,捕获-Acquisition,跟踪-Tracking)控制单元，以及具备图像处理及控制功能的总控电脑。PAT控制单元实现无人机目标的瞄准、捕获、跟踪。机载端则包括角反镜/指示灯组成的合作目标和光电探测器。角反镜/指示灯用于反馈信号给地面端的CCD相机和测距激光接收模块，光电探测器工作在单工模式下，用于实现无人机的方位、俯仰、距离信息的激光通信接收。本专利技术的主要工作原理为：在无人机通过雷达或GPS等其他导航方式引导进入降落窗口后，激光引导系统开启激光器和激光快速扫描器，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光的无人机回收引导系统，其特征在于：包括机载端和地面端，地面端包括由两轴稳定跟踪转台、二维快速振镜、引导/通信激光发射单元、CCD相机和安装有图像处理与控制程序的总控电脑组成的PAT单元，测距激光发射模块，测距激光接收模块，以及I/O接口；PAT单元实现对无人机的瞄准、捕获、跟踪；二维快速振镜、引导/通信激光发射单元、CCD相机、测距激光发射模块，测距激光接收模块，以及I/O接口均设置在两轴稳定跟踪转台上，CCD相机、测距激光接收模块、二维快速振镜、引导/通信激光发射单元分别通过I/O接口与总控电脑连接，测距激光发射模块与二维快速振镜连接；机载端包括由角反镜和指示灯构成的合作目标以及光电探测器；角反镜/指示灯用于反馈信号给地面端的CCD相机和测距激光接收模块，光电探测器工作在单工模式下，用于实现无人机的方位、俯仰、距离信息的激光通信接收；合作目标、光电探测器分别与机载飞控单元连接；在无人机通过引导方式进入降落窗口后，引导/通信激光发射单元发射引导激光，激光束经由二维快速振镜对降落窗口区域进行扫描，回波激光或者机载指示灯会在CCD相机光敏面上成像，由I/O接口进入总控电脑，经图像处理程序获取无人机的相对角位置信息，图像处理及控制程序利用该角信息来控制二维快速振镜的扫描动作，将引导/通信激光激光束稳定跟踪照射到无人机上，实现对无人机的主动跟踪；此时，测距激光发射模块发射的测距激光也会稳定照射到无人机上，机载端的角反镜反射的测距激光的回波信号会被测距激光接收模块接收到，解算出无人机的相对距离信息；无人机的方位、俯仰、距离三维位置信息通过I/O接口输出，以电信号的形式经过调制电路调制通信激光光束，再由引导/通信激光发射单元经二维快速振镜上行发射向无人机；这样，无人机就可基于收到的不断刷新的三维位置信息控制飞行航向与降落，在不依赖无线电通信的情况下完成激光引导降落过程；本系统通过对激光进行信息调制，使系统在完成测距、测角等信息测量的同时，兼具高速信息通信的能力，实现在无线电拒止条件下对无人机精确回收引导。...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光的无人机回收引导系统，其特征在于：包括机载端和地面端，地面端包括由两轴稳定跟踪转台、二维快速振镜、引导/通信激光发射单元、CCD相机和安装有图像处理与控制程序的总控电脑组成的PAT单元，测距激光发射模块，测距激光接收模块，以及I/O接口；PAT单元实现对无人机的瞄准、捕获、跟踪；二维快速振镜、引导/通信激光发射单元、CCD相机、测距激光发射模块，测距激光接收模块，以及I/O接口均设置在两轴稳定跟踪转台上，CCD相机、测距激光接收模块、二维快速振镜、引导/通信激光发射单元分别通过I/O接口与总控电脑连接，测距激光发射模块与二维快速振镜连接；机载端包括由角反镜和指示灯构成的合作目标以及光电探测器；角反镜/指示灯用于反馈信号给地面端的CCD相机和测距激光接收模块，光电探测器工作在单工模式下，用于实现无人机的方位、俯仰、距离信息的激光通信接收；合作目标、光电探测器分别与机载飞控单元连接；在无人机通过引导方式进入降落窗口后，引导/通信激光发射单元发射引导激光，激光束经由二维快速振镜对降落窗口区域进行扫描，回波激光或者机载指示灯会在CCD相机光敏面上成像，由I/O接口进入总控电脑，经图像处理程序获取无人机的相对角位置信息，图像处理及控制程序利用该角信息来控制二维快速振镜的扫描动作，将引导/通信激光激光束稳定跟踪照射到无人机上，实现对无人机的主动跟踪；此时，测距激光发射模块发射的测距激光也会稳定照射到无人机上，机载端的角反镜反射的测距激光的回波信号会被测距激光接收模块接收到，解算出无人机的相对距离信息；无人机的方位、俯仰、距离三维位置信息通过I/O接口输出，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡国元，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42