一种无人机截击网捕控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机截击网捕控制系统，包括目标搜索跟踪模块、截击控制模块和射网火控模块：该截击网捕控制系统可搭载于无人机上，在发现目标无人机后自主导引、接近目标并发射网弹，捕获目标无人机后拖带飞行回基地。该系统通过一对激光雷达作为搜索传感设备，具有搜索范围广、精度高等优点，不易受地面回波和目标运动、静止的干扰，利用本发明专利技术中的截击控制模块能够根据目标无人机的位置，自主生成截击航线、自主导引接近目标无人机，当目标飞入网弹的覆盖面时，即可自动火控、发射网弹，准确性好且不会造成附带杀伤。

A control system and method of intercepting and catching net for UAV

【技术实现步骤摘要】
一种无人机截击网捕控制系统及控制方法
本专利技术涉及一种控制系统及控制方法，具体涉及一种无人机截击网捕控制系统及控制方法，属于无人机控制系统

技术介绍
随着无人机产业的发展，多旋翼无人机日趋小型化、便携化、简单化，使得无人机保有量迅速上升。然而，巨大的无人机保有量带来了日益艰巨的无人机管理难题，航拍无人机擅闯禁飞区、入侵机场跑道的新闻时有发生；更有境内、境外不法分子使用消费型无人机作为价格低廉的侦查工具甚至武器入侵保密重地、军事禁区，非法窃取情报、破坏军事设备，因而反制无人机的技术开发需求十分迫切。目前，对非法无人机的搜索手段通常为使用无线电雷达搜索，而打击非法无人机的技术手段通常有以下两种：1、通过无线电、雷达或光电手段发现非法无人机的大致位置，再以区域无线电干扰的形式驱逐；2、使用机炮、导弹等杀伤性武器，直接击毁目标无人机；以上第一种方法的局限主要在于无线电搜索雷达只能探测接近或远离的运动目标，无法发现悬停和横向移动的非法无人机，且探测精度有限，通常只能精确到十米左右；而无线电干扰属于区域覆盖干扰，目标周边范围内的所有设备都会受到影响，且目标无人机处于自主导引飞行而非遥控模式时，无线电干扰效果不佳，目标仍可自主飞行。而第二种方法中，使用杀伤性武器需要出动有人驾驶的武装直升机、战斗机，成本极其高昂，且杀伤性武器击落会产生大量的破片、残骸坠落，不适合在有人居住的地区使用。申请号为201710166611.7的专利技术专利公布了一种无人机机载网枪装置，属于网捕硬件装置，能够在现场安全的情况下及时有效地捕捉非法无人机，辅助瞄准系统能够大大增强对非法无人机的抓捕能力。但是，这类装置无法灵活应对目标位置的移动，容易受到地面回波等因素的干扰，无法实现自动抓捕。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种无人机截击网捕控制系统及控制方法，能够实现自动截击网捕，具有搜索范围广、精度高且抗干扰能力强等优点。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种无人机截击网捕控制系统，包括：目标搜索跟踪模块：包括三轴增稳云台、上视激光雷达、下视激光雷达、变焦相机、姿态传感器和数据交换机，所述变焦相机、上视激光雷达、下视激光雷达和姿态传感器的数据均输出至数据交换机；所述目标搜索跟踪模块首先对上视激光雷达和下视激光雷达的输出点云数据进行拼合与运动补正，然后在点云数据中寻找目标点云集合，判定目标位置后持续跟踪，输出相对位置并将目标位置信息发送至截击控制模块；截击控制模块：根据接收到的目标位置信息进行截击航线计算，实时更新理想截击位置，引导我机不断接近目标机，实现截击控制；射网火控模块：包括网弹发射器和网弹弹道计算子模块，所述网弹弹道计算子模块根据目标搜索跟踪模块输出的目标相对位置和目标飞行速度，判断出目标在一定时间内的预测位置是否会飞入射网火控模块的覆盖面，若目标处于覆盖面内，即瞄准完成，自动触发网弹发射，完成截击网捕。优选地，前述变焦相机与姿态传感器固定连接，安装于三轴增稳云台的平视轴线上；所述上视激光雷达、下视激光雷达各与增稳云台平视轴线成一个安装角α上下交错安装，这样能够扩展垂直扫描范围，提高目标搜索跟踪的有效性。优选地，前述三轴增稳云台的偏航、俯仰角可控，横滚角自动补偿为水平。再优选地，前述目标搜索跟踪模块的具体过程为：（1）对上视激光雷达、下视激光雷达的输出点云数据进行拼合与运动补正：记安装角为α、云台俯仰角为pitch、偏航角为yaw；将上视激光雷达输出的相对于自身轴线的点云坐标变换到东北天坐标系，记上视激光雷达输出的点云经上述变换后的集合为S1；将下视激光雷达输出的相对于自身轴线的点云坐标变换到东北天坐标系，记下视激光雷达输出的点云经上述变换后的集合为S2；将两个雷达变换后的点云数据合成为总点云集合S：；（2）在点云数据中寻找目标点云集合：设总点云集合中点的数量为m，按下述方法将其划分为多个凸包：对每个点p，若存在一个凸包K使得p到K的最近距离小于距离阈值，则将点p加入凸包K；若不存在任何凸包K使得p到K的最近距离小于距离阈值，则将点p独立生成一个新的凸包；通过以上步骤，将点云划分为一个个互相之间距离大于的凸包；对每个划分完的凸包，求凸包点集内部之间任意两个点的距离，若其大于，则将该凸包舍弃；（3）判定目标后持续跟踪，并输出相对位置：对剩余的目标凸包，逐个引导云台平视轴线对准目标，使用变焦相机拍摄影像传回地面进行人工识别，若人工识别确实需要捕获该目标，则控制云台平视轴线持续对准这一目标凸包，取其凸包重心坐标记为该目标的坐标为。再优选地，前述截击控制模块根据以下算法过程得到理想截击位置及截击时间，此位置为截击时间最短的位置：式中，为我机的巡航速度，为我机所在的实际位置，为目标相对我机位置（东北天坐标系），目标运动速度，即目标运动速度等于目标位置对时间的微分。再优选地，前述射网火控模块包括网弹弹道计算子模块和网弹发射器，所述网弹弹道计算子模块生成网弹发射后一定时间内的理想覆盖面，若目标处于这一覆盖面内，则网弹发射器出发网弹发射。更优选地，前述网弹发射器安装于无人机下部，发射轴线指向无人机航向方向，并具有一个向下的固定安装角β。进一步优选地，前述理想覆盖面的计算方法如下：（1）发射网弹的重心运动轨迹为抛物线,参数方程为：式中V为网弹射出的初速度；式中V为网弹射出的初速度，θ是网弹发射器轴线和水平面的夹角，y和z表示坐标系，y轴沿发射器轴线水平指向前，原点位于发射器出口处，z轴垂直指向上方，原点位于发射器出口处，t为轨迹方程参数，即网弹发射后飞行的时间；下面还会提到的x轴与两者垂直水平指向右，坐标原点位于我方无人机中心位置；（2）网弹的覆盖范围假设为一时刻垂直于网弹重心运动轨迹的圆形，其圆心为网弹重心所在位置，半径按照下式变化：式中，为网弹完全展开的时间，为网弹完全展开的半径，为网弹展开的速率，。本专利技术还公开了采用如前所述的无人机截击网捕控制系统实现网捕控制的方法，包括如下步骤：S1、目标搜索控制模块的变焦相机、上视激光雷达、下视激光雷达和姿态传感器将采集到的数据传输至数据交换机，进入处理器计算，计算方法为：S1-1、对上视激光雷达、下视激光雷达的输出点云数据进行拼合与运动补正：将上视激光雷达输出的相对于自身轴线的点云坐标变换到东北天坐标系，记上视激光雷达输出的点云经上述变换后的集合为S1；将下视激光雷达输出的相对于自身轴线的点云坐标变换到东北天坐标系，记下视激光雷达输出的点云经上述变换后的集合为S2；将两个雷达变换后的点云数据合成为总点云集合S：；S1-2、在点云数据中寻找目标点云集合：设总点云集合中点的数量为m，则按照下述方法将其划分为多个凸包：对每个点p，若存在一个凸包K使得p到K的最近距本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，包括：/n目标搜索跟踪模块：包括三轴增稳云台、上视激光雷达、下视激光雷达、变焦相机、姿态传感器和数据交换机，所述变焦相机、上视激光雷达、下视激光雷达和姿态传感器均将采集到的数据输出至数据交换机；所述目标搜索跟踪模块首先对上视激光雷达和下视激光雷达的输出点云数据进行拼合与运动补正，然后在点云数据中寻找目标点云集合，判定目标位置后持续跟踪，输出相对位置并将目标位置信息发送至截击控制模块；/n截击控制模块：根据接收到的目标位置信息生成截击航线，实时更新理想截击位置，引导我机不断接近目标机，实现截击控制；/n射网火控模块：包括网弹发射器和网弹弹道计算子模块，所述网弹弹道计算子模块根据目标搜索跟踪模块输出的目标相对位置和目标飞行速度，判断出目标在一定时间内的预测位置是否会飞入射网火控模块的覆盖面，若目标处于覆盖面内，即瞄准完成，自动触发网弹发射，完成截击网捕。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，包括：
目标搜索跟踪模块：包括三轴增稳云台、上视激光雷达、下视激光雷达、变焦相机、姿态传感器和数据交换机，所述变焦相机、上视激光雷达、下视激光雷达和姿态传感器均将采集到的数据输出至数据交换机；所述目标搜索跟踪模块首先对上视激光雷达和下视激光雷达的输出点云数据进行拼合与运动补正，然后在点云数据中寻找目标点云集合，判定目标位置后持续跟踪，输出相对位置并将目标位置信息发送至截击控制模块；
截击控制模块：根据接收到的目标位置信息生成截击航线，实时更新理想截击位置，引导我机不断接近目标机，实现截击控制；
射网火控模块：包括网弹发射器和网弹弹道计算子模块，所述网弹弹道计算子模块根据目标搜索跟踪模块输出的目标相对位置和目标飞行速度，判断出目标在一定时间内的预测位置是否会飞入射网火控模块的覆盖面，若目标处于覆盖面内，即瞄准完成，自动触发网弹发射，完成截击网捕。


2.根据权利要求1所述的一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，所述变焦相机与姿态传感器固定连接，安装于三轴增稳云台的平视轴线上；所述上视激光雷达、下视激光雷达各与增稳云台平视轴线成一个安装角α上下交错安装。


3.根据权利要求1所述的一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，所述三轴增稳云台的偏航、俯仰角可控，横滚角自动补偿为水平。


4.根据权利要求1所述的一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，所述目标搜索跟踪模块的具体搜索跟踪过程为：
（1）对上视激光雷达、下视激光雷达的输出点云数据进行拼合与运动补正：
将上视激光雷达输出的相对于自身轴线的点云坐标变换到东北天坐标系，记上视激光雷达输出的点云经上述变换后的集合为S1；
将下视激光雷达输出的相对于自身轴线的点云坐标变换到东北天坐标系，记下视激光雷达输出的点云经上述变换后的集合为S2；将两个雷达变换后的点云数据合成为总点云集合S：；
（2）在点云数据中寻找目标点云集合：
设总点云集合中点的数量为m，按下述方法将其划分为多个凸包：对每个点p，若存在一个凸包K使得p到K的最近距离小于距离阈值，则将点p加入凸包K；若不存在任何凸包K使得p到K的最近距离小于距离阈值，则将点p独立生成一个新的凸包；通过以上步骤，将点云划分为一个个互相之间距离大于的凸包；
对每个划分完的凸包，求凸包点集内部之间任意两个点的距离，若其大于，则将该凸包舍弃；
（3）判定目标后持续跟踪，并输出相对位置：
对剩余的目标凸包，逐个引导云台平视轴线对准目标，使用变焦相机拍摄影像传回地面进行人工识别，若人工识别确实需要捕获该目标，则控制云台平视轴线持续对准跟踪这一目标凸包，取其凸包重心坐标记为该目标的坐标。


5.根据权利要求1所述的一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，所述截击控制模块计算得到理想截击位置及截击时间：



式中，为我机的巡航速度，为我机所在的实际位置，为目标相对我机位置，目标运动速度，即目标运动速度等于目标位置对时间的微分。


6.根据权利要求1所述的一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，所述射网火控模块包括网弹弹道计算子模块和网弹发射器，所述网弹弹道计算子模块生成网弹发射后一定时间内的理想覆盖面，若目标处于这一覆盖面内，则网弹发射器触发网弹发射。


7.根据权利要求6所述的一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，所述网弹发射器安装于无人机下部，发射轴线指向无人机航向方向，并具有一个向下的固定安装角β。


8.根据权利要求6所述的一种无人机截击网捕控制系统，其特征在于，所述理想覆盖面的计算方法如下：
（1）发射网弹的重心运动轨迹为抛物线,参数方程为：



式中V为网弹射出的初速度，θ是网弹发射器轴线和水平面的夹角，y和z表示坐标系，y轴沿发射器轴线水平指向前，原点位于发射器出口处，z轴垂直...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹彦卿，王昂，罗伟，
申请(专利权)人：中航金城无人系统有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32