基于瞳孔跟踪的分布可穿戴式低空目标探测技术制造技术

本发明专利技术公开了一种基于瞳孔跟踪的分布可穿戴式低空目标探测技术，依靠人的高度智能和有别于机器的思考能力的人眼识别技术，即利用人眼瞳孔追踪目标的原理、智能眼镜摄像机、陀螺、磁敏感计、水平仪和GPS对无人机等低空目标进行探测定位，并将所需装备组合到一个智能头盔中，观察者带上头盔依靠人眼进行低空目标的寻找，头盔依据所测得的人眼数据和人的位置信息，计算得到低空目标的具体位置。该低空目标探测技术使用成本低廉，计算量少，计算难度低，计算速度快，精度高，数据更新速度快，通过依靠和结合人的高度智能和灵活性的优点，能够迅速并准确判定低空目标的具体位置，在军事、民用、反恐及安保等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于瞳孔跟踪的分布可穿戴式低空目标探测技术
本专利技术涉及一种对无人机等低空目标的探测技术，特别是基于瞳孔跟踪的分布可穿戴式低空目标探测技术。
技术介绍
无人机等低空飞行器技术的发展十分迅速，目前它正快速地从尖端的军用设备转入大众民用市场，成为市民手中的普通消费品。然而，随着无人机等低空飞行器市场的快速增长和技术泛滥，功能越来越先进的无人机等低空飞行器的不断涌现，也带来了安全和隐私方面的忧患，如无人机偷窥侵犯市民隐私权；肆意在不安全的地方黑飞，给社会造成了极大的危险；在国家机关和军队驻地等敏感区域飞行危害国家安全以及无人机操作不当引发安全事故等等。美国曾发生过业余无人机操作员操作无人机飞入白宫引发恐慌；英国曾有不法分子通过无人机为监狱内的囚犯运送毒品、枪支等事件。无人机的低价格、操作简单等特点，任何人都可以购买改装使用，如果被不法分子用于走私、贩毒、实施暴力恐怖活动等将给社会稳定及安保工作带来严重的安全隐患和挑战。由于无人机等低空飞行器的负面影响逐渐显现，相应的反无人机等低空飞行器产业正在悄然兴起。当前，各国反无人机等低空飞行器技术主要分为三类。一是干扰阻断类，主要通过信号干扰、声波干扰等技术来实现。二是直接摧毁类，包括使用激光武器、用无人机反制无人机等。三是监测控制类，主要通过劫持无线电控制等方式实现。但是，无论何种反无人机等技术，都要建立在探测到无人机等低空目标的基础上方可实行阻断、爆破或毁伤处理。所以，对无人机等低空目标进行探测的技术才是最为关键的部分。目前国内外关于探测无人机等低空目标的技术主要包括：雷达探测、光学探测、传感器探测、声波探测、摄像机探测等。美国的黑睿技术公司利用小型监视雷达可对500m范围内的中型无人机进行探测，记录下数百个雷达反射的数据样本，同时系统会将数据样本与数据库中数千种常见无人机进行对比才能确定是否探测到无人机；英国15年6月研发的最新反无人机防御系统中根据雷达和光学来探测定位无人机；以色列的反无人机探测技术也一直处于领先水平，目前以色列最先进的反无人机系统阿波罗盾通过声、光以及无线传感器探测无人机和低空目标；德国DedroneGmbH公司研制的无人机探测系统无人机跟踪者(DroneTracker)，主要由光电/红外传感器、声波和超声波设备及摄像机组成；法国推出了一套反无人机系统由声像探测器、雷达、视频定位器和射频来探测定位；日本为了探测非法闯入重要建筑物上空的无人机，由Alsok公司研发了一种新的无人驾驶探测器，该设备装有一个可以监听150m范围内任意方向声音的音频识别设备辨识无人机的声音；国内最新研究的反无人机雷达和“蜘蛛网“雷达也专治黑飞。但是，雷达越小的，精度越高，探测相对更准确，与此同时技术难度将大幅度提升；光学卫星成像清晰，分辨率高，容易识别伪装较差的目标，但是会受到天气影响；传感器探测耗资大，对比计算样本数据较为复杂，数千数据进行对比寻找计算量太大；摄像探测不容易识别伪装目标；多种探测相互搭配的探测耗资较大，不适合广泛应用，且资本耗费很大。
技术实现思路
为了解决目前探测无人机等低空目标技术存在技术复杂，成本高，不够灵活的问题，本专利技术依靠人的高度智能和有别于机器的思考能力的人眼识别技术，即利用人眼瞳孔追踪目标的原理、智能眼镜摄像机、陀螺、磁敏感计、水平仪和GPS对无人机等低空目标进行探测定位，并将所需装备组合到一个智能头盔中，观察者只需带上头盔依靠人眼进行低空中无人机的寻找即可，头盔便可依据所测得的人眼数据和人的位置信息，计算得到无人机的具体位置。本专利技术的技术方案，其特点是包括下述步骤：(1)采用惯性坐标系、头盔坐标系和瞳孔坐标系分别作为观测人员瞳孔位置、头盔的姿态角度和人眼角度测量的参考坐标系；(2)将由陀螺、磁敏感计、水平仪和GPS模块组合的导航系统安装到头盔中，由GPS模块测出观测人员瞳孔在惯性坐标系下的坐标位置，由陀螺、磁敏感计和水平仪组合测出头盔相对惯性坐标系的俯仰角和头盔正前方朝向的偏角，由智能眼镜摄像机测出瞳孔相对头盔的高度角和偏角；(3)采用坐标变换矩阵将瞳孔坐标系转化到惯性坐标系，计算得到瞳孔在惯性坐标系下高度角和偏角；(4)重复步骤(3)步骤(4),测得不同位置观测人员的观测数据(同一目标至少有两个观测人员看到)，根据每个观测人员瞳孔的坐标位置和瞳孔在惯性坐标系下的高度角和偏角建立每个观测人员瞳孔到低空目标的直线方程；(5)联立求解直线方程组得到交点，若出现误差导致计算时直线并无交点，则依据最小二乘法原理求得一个最优解的具体位置，该最优解满足该点到三条直线的垂线的平方和最短的条件，该交点最优位置即为惯性坐标系下低空目标的具体位置。通过以上5个步骤，便可求得惯性坐标系下低空目标的具体位置信息。随着低空目标位置的变化，头盔中的系统做出相应的数据采集、数据计算求得变化的低空目标的位置进行跟踪捕捉。本专利技术的有益效果是：该种具有测量数据功能的头盔方便携带，成本低廉适合广泛应用，而且计算量少，计算难度低，计算速度快，精度高，数据更新速度快，通过依靠和结合人的高度智能和灵活性的优点，能够迅速并准确判定低空目标的具体位置。在军事、民用、反恐及安保等领域，本专利技术将整套计算和检测装置安装于头盔之中，低成本高效率的便携头盔为市场的需求提供了高效可行的解决方案，同时也具有非常广阔的军用和民用的应用前景。附图说明图1是本专利技术地面观测人员瞳孔与低空目标在惯性坐标系下的位置示意图；图2是本专利技术惯性坐标系和头盔坐标系的相对位置关系示意图；图3是本专利技术头盔坐标系和瞳孔坐标系的相对位置关系示意图；图4是本专利技术瞳孔坐标系和惯性坐标系的相对位置关系示意图；图5是本专利技术实施方式流程图。具体实施方式参照附图1，各个观察者处于有利于观测目标的合适位置，建立惯性参考坐标系，利用GPS模块对多个观察者瞳孔(以三个观察者为例，实际观测目标时只需两个观察者即可获得无人机等低空目标的具体定位)实现定位，得到惯性坐标系Oxyz中观察者1瞳孔的位置为A(以观察者1为例)。三位观察者分别带上设计的头盔，依靠人眼来识别寻找低空目标。1.惯性坐标系Oxyz和头盔坐标系Ox1y1z1的变换矩阵参照附图2，过头盔所在位置作与惯性坐标系中x轴平行的参考线x1，通过陀螺仪和磁敏感器测量头盔指向在水平面内投影相对直线x1的偏角ψ，通过陀螺仪和水平仪测量出头盔相对惯性坐标系水平面的高度角θ。惯性坐标系Oxyz和头盔坐标系Ox1y1z1之间的变换矩阵为：2.瞳孔坐标系Ox2y2z2和头盔坐标系Ox1y1z1间的变换矩阵由于瞳孔相对头部的位置变化是独立的，所以基于瞳孔跟踪算法的原理通过人的瞳孔对无人机实现精确定位和跟踪。参照附图3，过瞳孔所在位置作与头盔坐标系中x1轴平行的参考线x2，通过智能眼镜摄像机测出瞳孔指向在水平面内投影相对直线x2的偏角ψ'，和瞳孔相对头盔坐标系水平面的高度角θ'。瞳孔坐标系Ox2y2z2和头盔坐标系Ox1y1z1之间的变换矩阵为：根据坐标变换原理，可得惯性坐标系Oxyz和瞳孔坐标系Ox2y2z2的之间变换矩阵为：L(ψ``,θ``)＝L(ψ`,θ`)L(ψ,θ)(3)3.惯性坐标系Oxyz和瞳孔坐标系Ox2y2z2的变换矩阵参照附图4，过瞳孔所在位置作与惯性坐标系中x轴平行的参考线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术涉及提供一种基于瞳孔跟踪的分布可穿戴式低空目标探测技术,其特征在于包括下述步骤：(1)采用惯性坐标系、头盔坐标系和瞳孔坐标系分别作为观测人员瞳孔位置、头盔的姿态角度和人眼角度测量的参考坐标系；(2)将由陀螺、磁敏感计、水平仪和GPS模块组合成的导航系统安装到头盔中，由GPS模块测出观测人员瞳孔在惯性坐标系下的坐标位置，由陀螺、磁敏感计和水平仪组合测出头盔相对惯性坐标系的俯仰角和头盔正前方朝向的偏角，由智能眼镜摄像机测出瞳孔相对头盔的高度角和偏角；(3)采用坐标变换矩阵将瞳孔坐标系转化到惯性坐标系，计算得到瞳孔在惯性坐标系下高度角和偏角；(4)重复步骤(3)步骤(4),测得不同位置观测人员的观测数据，根据观测人员瞳孔的坐标位置和瞳孔在惯性坐标系下的高度角和偏角建立每个观测人员瞳孔到低空目标的直线方程；(5)联立求解直线方程组得到交点，若出现误差导致计算时直线并无交点，则依据最小二乘法原理求得一个最优解的具体位置。

【技术特征摘要】
1.本发明涉及提供一种基于瞳孔跟踪的分布可穿戴式低空目标探测技术,其特征在于包括下述步骤：(1)采用惯性坐标系、头盔坐标系和瞳孔坐标系分别作为观测人员瞳孔位置、头盔的姿态角度和人眼角度测量的参考坐标系；(2)将由陀螺、磁敏感计、水平仪和GPS模块组合成的导航系统安装到头盔中，由GPS模块测出观测人员瞳孔在惯性坐标系下的坐标位置，由陀螺、磁敏感计和水平仪组合测出头盔相对惯性坐标系的俯仰角和头盔正前方朝向的偏角，由智能眼镜摄像机测出瞳孔相对头盔的高度角和偏角；(3)采用坐标变换矩阵将瞳孔坐标系转化到惯性坐标系，计算得到瞳孔在惯性坐标系下高度角和偏角；(4)重复步骤(3)步骤(4),测得不同位置观测人员的观测数据，根据观测人员瞳孔的坐标位置和瞳孔在惯性坐标系下的高度角和偏角建立每个观测人员瞳孔到低空目标的直线方程；(5)联立求解直线方程组得到交点，若出现误差导致计算时直线并无交点，则依据最小二乘法原理求得一个最优解的具体位置。2.根据权利要求1所述的基于瞳孔跟踪的分布可穿戴式低空目标探测技术，其特征是：头盔坐标系的建...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛致磊，侯佳宝，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61