CN104118559B - 侦察用虚拟桅杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在侦察中使用的虚拟桅杆，其结构是由旋翼式电动飞行器、小型光电载荷和地面控制单元组成，所述旋翼式电动飞行器包括有自动驾驶仪和动力装置；所述小型光电载荷包括有CCD像机、激光测距机和红外热像仪；所述CCD像机、所述激光测距机和所述红外热像仪采用共光路设计，三者封装在一个壳体中，所述壳体连接在所述旋翼式电动飞行器的底部；所述小型光电载荷对侦察目标或侦察区域进行光电监测，所述地面控制单元通过信号电缆对所获取的光电信号进行采集和处理。本发明采用旋翼式电动飞行器负载侦察装置，以系留方式解决旋翼式电动飞行器的能源补给问题，实现了侦察装置的长时间滞空和侦察，具有广泛的应用前景。

Description

侦察用虚拟桅杆

技术领域

本发明涉及一种监控系统，具体地说是一种侦察用虚拟桅杆。

背景技术

现代战争中，实时、准确地掌握战场信息是决定战争胜负的关键，尽管卫星、雷达等远距离侦察设备在战争中的作用日益凸现，但以光电传感器为主体的现场勘察手段仍占有不可或缺的地位。目前以可见光、微光、红外热成像等多波段光电传感器的侦察装备常常是直接安装在固定平台或三脚架上，为便于在崎岖地形、林地或有障碍物处进行侦察工作，增大光电传感器的作用距离，扩大侦察覆盖地域，实现以少量光电传感器共同监视较大的作战区域，光电传感器还常安装在可升降的长、中、短各种桅杆上。

升降式桅杆一定程度上提高了光电传感器在崎岖地形、林地或有障碍物处的工作效率，但也受到桅杆所能达到的高度的限制，侦察载荷难以发挥其侦察潜力。归纳起来，利用升降式桅杆作为光电传感器的支撑平台存在有以下缺点：

一、重量大。为保持升降式桅杆机构的稳定性，通常是采用金属材料制作，桅杆的直径较粗，这就造成桅杆的重量大，运输不便，影响了光电传感器性能的发挥。

二、高度受限。受桅杆本身重量、体积、架设难度及风载荷等条件的限制，桅杆不可能过长，这也就限制了光电传感器等侦察载荷的观察范围。

三、架设难度大，撤收不便。桅杆高度越高，架设难度就越大。地面固定升降式桅杆需打地钉固定，架设和撤收都耗时费力。

四、易受扰动，稳定性差。桅杆随车体发动机的运转会产生较大的振动或线性扰动，风载荷也会对桅杆产生较大影响。这些扰动均会导致光电传感器发生抖动，从而使光电传感器的图像质量变差。

发明内容

本发明的目的就是提供一种侦察用虚拟桅杆，以解决升降式桅杆架设难度大、高度受限和因扰动而影响图像质量的问题。

本发明是这样实现的：一种侦察用虚拟桅杆，由旋翼式电动飞行器、小型光电载荷和地面控制单元组成；所述旋翼式电动飞行器包括有自动驾驶仪和动力装置；所述小型光电载荷包括有CCD像机、激光测距机和红外热像仪；所述CCD像机、所述激光测距机和所述红外热像仪采用共光路设计，三者封装在一个壳体中，所述壳体连接在所述旋翼式电动飞行器的底部；

所述旋翼式电动飞行器、所述小型光电载荷与所述地面控制单元之间通过线缆连接，在所述线缆内设置有电源电缆和信号电缆，所述地面控制单元通过所述电源电缆向所述旋翼式电动飞行器的所述动力装置中的机载电池进行充电，以使所述旋翼式电动飞行器能够长时间在空中滞留；所述地面控制单元通过所述信号电缆向所述旋翼式电动飞行器的自动驾驶仪发送位姿控制指令，以实现所述旋翼式电动飞行器飞行姿态的变换；

所述小型光电载荷对侦察目标或侦察区域进行光电监测，所述地面控制单元通过信号电缆对所获取的光电信号进行采集和处理。

本发明中的旋翼式电动飞行器为多轴垂直起降飞行器，这是一种非共轴式的碟形飞行器，与常规的旋翼飞行器相比，这种非共轴式碟形飞行器的结构更为紧凑，能够产生更大的升力，并且旋翼间可相互抵消反扭力矩，不需要专门的反扭矩桨的设置。

本发明中的小型光电载荷为小型稳定机载平台，可根据任务需要进行灵活配置，包括CCD像机、激光测距机、红外热像仪等光电传感器。

本发明中的地面控制单元为旋翼式电动飞行器提供电源与控制信号，控制小型光电载荷采集各种光电信号，同时控制旋翼式电动飞行器进行飞行姿态的调整。

在所述旋翼式电动飞行器的圆盘式机体上开有四个均布的圆孔，在圆盘式机体的底面固定有支架，在每个圆孔中设有一对旋翼和控制所述旋翼转动的微型直流电机；在圆盘式机体中安装有自动驾驶仪和为所述微型直流电机供电的机载电池；

所述旋翼、所述微型直流电机和所述机载电池构成所述旋翼式电动飞行器的动力装置。旋翼式电动飞行器的能量消耗由机载电池提供。

在所述旋翼式电动飞行器的圆盘式机体上设置的四个所述旋翼具有相同的结构和旋转半径，并且处于机体上的同一高度平面上。

所述自动驾驶仪由高度计、GPS模块、姿态测量模块、主控制器和四个电调模块组成；每个所述电调模块用于控制一个所述微型直流电机；

所述姿态测量模块由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成，用于测量所述旋翼式电动飞行器的姿态角速度，并将姿态信号送至主控制器；

所述主控制器根据所接收的姿态信号、位置信息和姿态控制指令，向所述电调模块发出PWM信号，实现所述旋翼式电动飞行器飞行位姿的自动调整和控制。

自动驾驶仪的主要作用是保持旋翼式电动飞行器的飞行姿态，稳定旋翼式电动飞行器的俯仰角、倾斜角、航向角、飞行高度和飞行速度，还可操纵旋翼式电动飞行器的升降和转弯，实现自主导航、自动起飞和自动着陆。主控制器内置姿态解算算法和控制算法；电调模块包括电子调速器和和编码器。所述姿态测量模块用于测量旋翼式电动飞行器的姿态角速度并将姿态信号送至主控制器，所述主控制器将姿态信号数据进行解算，结合高度计输出的高度信号、GPS模块输出的定位信息以及人工输入的姿态控制指令，一起作为主控制器的输入数据信息，主控制器通过内置的控制算法的解算，输出相应的PWM信号，分别驱动四个电子调速器，进而改变四个微型直流电机的转速，实现旋翼式电动飞行器的姿态控制，从而得到旋翼式电动飞行器当前的飞行姿态，实现旋翼式电动飞行器飞行位姿的自动调整和控制。

所述地面控制单元包括有：

线缆缠绕控制单元，包括压力传感器和线架，所述压力传感器用于实时获取所述旋翼式电动飞行器拖拽所述线缆的压力，当压力超过阈值时，所述线架受控自动放线，当需要降低观测高度或回收装置时，在人机控制接口的控制下进行收线；

电源管理单元，在人机控制接口控制下，通过所述线缆向所述动力装置的机载电池提供24V电源；以及

人机控制接口，包括视频信号显示模块、线缆收放模块和电源管理模块，用于对所述线缆缠绕控制单元和所述电源管理单元进行控制，并通过视频信号显示模块对所述小型光电载荷所采集的信息进行显示。

本发明结合垂直起降飞行器的技术优势，采用低成本的旋翼无人飞行器负载光电传感器，以系留方式解决低成本旋翼无人飞行器的能源补给问题，实现光电传感器的长时间滞空和侦察，可满足多点探测、重点区域安防与远程监控，具有响应快、易隐蔽、悬停高、全天候、全自动等特点，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是旋翼式电动飞行器中旋翼平台的结构示意图。

图3是自动驾驶仪的原理框图。

图中：1、旋翼，2、小型光电载荷，3、地面控制单元，4、线架，5、线缆，6、旋翼式电动飞行器，7、支架，8、微型直流电机，9、自动驾驶仪。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明侦察用虚拟桅杆是由旋翼式电动飞行器6、小型光电载荷2和地面控制单元3三部分所组成。旋翼式电动飞行器6、小型光电载荷2与地面控制单元3之间通过线缆5连接，在线缆5内设置有电源电缆和信号电缆，地面控制单元3通过电源电缆向旋翼式电动飞行器6的动力装置中的机载电池进行充电，以使旋翼式电动飞行器6能够长时间在空中滞留。地面控制单元3通过信号电缆向旋翼式电动飞行器6的自动驾驶仪9发送位姿控制指令，以实现旋翼式电动飞行器飞行姿态的变换。

旋翼式电动飞行器6包括有自动驾驶仪9和动力装置。自动驾驶仪9的主要作用是保持旋翼式电动飞行器6的飞行姿态，稳定旋翼式电动飞行器6的俯仰角、倾斜角、航向角、飞行高度和飞行速度，还可操纵旋翼式电动飞行器6的升降和转弯，以实现自主导航、自动起飞和自动着陆。

旋翼式电动飞行器6可以采用多轴垂直起降飞行器，该多轴垂直起降飞行器是一种电动的、能垂直起降（VTOL）的多旋翼式遥控自主飞行器，属于非共轴式飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，非共轴式飞行器结构更为紧凑，能够产生更大的升力，并且旋翼1间可相互抵消反扭力矩，不需要专门的反扭矩桨。

图1中，在旋翼式电动飞行器6的圆盘式机体上开有四个均布的圆孔，在圆盘式机体的底面固定有十字形支架7，支架7的每个端头位于机体上的一个圆孔的底部。在每个圆孔中设有一对旋翼1和控制所述旋翼转动的微型直流电机8。微型直流电机8固定在支架7的端头，旋翼1安装在微型直流电机8的轴头上。在圆盘式机体中安装有自动驾驶仪9和机载电池，机载电池为四个微型直流电机8供电。旋翼1、微型直流电机8和机载电池构成旋翼式电动飞行器6的动力装置。

设置在旋翼式电动飞行器6的圆盘式机体上的四个旋翼1，具有相同的结构和相同的旋转半径，并且处于机体上的同一高度平面上。图2中，旋翼式电动飞行器6采用四个旋翼1作为飞行的直接动力源，四个旋翼1对称分布在机体的前后左右四个方向，前后方向的两个旋翼逆时针旋转，左右方向的两个旋翼顺时针旋转，四个微型直流电机8对称地安装在十字形支架7的四个端部。

如图3所示，自动驾驶仪9由高度计、GPS模块、姿态测量模块、主控制器和四个电调模块组成。每个电调模块包括一个电子调速器和一个编码器。每个电调模块与一个微型直流电机相接，用以调整和控制该电机的转速。所述姿态测量模块由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成，用于测量旋翼式电动飞行器6的姿态角速度，并将姿态信号送至主控制器。

主控制器内置姿态解算算法和控制算法。主控制器根据所接收的姿态信号、高度信号、GPS定位信息和人工输入的姿态控制指令，通过控制算法向四个电调模块输出相应的PWM信号，实现旋翼式电动飞行器飞行位姿的自动调整和控制。

小型光电载荷2包括有CCD像机、激光测距机和红外热像仪等光电传感器，CCD像机、激光测距机和红外热像仪三者采用共光路设计，并设置于一个铝制封闭壳体内，所述壳体连接在旋翼式电动飞行器6的底部（图1）。CCD像机负责采集高质量的彩色视频信号，红外热像仪负责采集低照度条件下的红外热图像信号，激光测距机负责对感兴趣目标进行目标测距。小型光电载荷2对侦察目标或侦察区域进行光电监测，地面控制单元3通过信号电缆对所获取的光电信号进行采集和处理，实现重点目标或重点区域的观测。

地面控制单元3包括线缆缠绕控制单元、电源管理单元和人机控制接口三部分。其中，线缆缠绕控制单元是包括压力传感器和线架4（图1）；所述压力传感器用于实时获取旋翼式电动飞行器6拖拽线缆5的压力，当压力超过阈值时，线架4受控自动放线；当需要降低观测高度或回收装置时，在人机控制接口的控制下进行收线。电源管理单元是在人机控制接口的控制下，通过线缆5向动力装置的机载电池提供24V电源；人机控制接口包括视频信号显示模块、线缆收放模块和电源管理模块三个组成部分，用于对所述线缆缠绕控制单元和所述电源管理单元进行控制，并通过视频信号显示模块对小型光电载荷2所采集的信息进行显示。

本发明的工作流程是：启动地面控制单元3上的电源开关，线缆5中的电源电缆向旋翼式电动飞行器6的机载电池进行供电，当满足旋翼式电动飞行器6所需能源后，旋翼式电动飞行器6的四个旋翼1在微型直流电机8的驱动下开始工作，当产生足够升力后，旋翼式电动飞行器6带动小型光电载荷2上升，这时地面控制单元3中的自动缠绕控制单元中的压力传感器感应到线缆5的拖拽压力，当压力超过阈值时，线架4在电机控制下自动放线。当旋翼式电动飞行器6到达观测位置高度后，由地面控制单元3通过信号电缆控制小型光电载荷2中的CCD像机、激光测距机与红外热像仪等光电传感器开机工作，CCD像机负责采集高质量的彩色视频信号，红外热像仪负责采集低照度条件下的红外热图像信号，激光测距机负责对感兴趣目标进行目标测距。

当受到风载荷影响，或者需要调整观察位置或高度时，由地面控制单元3通过信号电缆向旋翼式电动飞行器6的自动驾驶仪9发出控制指令，改变姿态测量模块输出参量，结合高度计和GPS模块输出参量，由主控制器内的姿态解算算法和控制算法操纵旋翼式电动飞行器6的升降和转弯，实现旋翼式电动飞行器6的位姿改变。

Claims (4)

1.一种侦察用虚拟桅杆，由旋翼式电动飞行器、小型光电载荷和地面控制单元组成，其特征是，所述旋翼式电动飞行器包括有自动驾驶仪和动力装置；所述小型光电载荷包括有CCD像机、激光测距机和红外热像仪；所述CCD像机、所述激光测距机和所述红外热像仪采用共光路设计，三者封装在一个壳体中，所述壳体连接在所述旋翼式电动飞行器的底部；

所述旋翼式电动飞行器、所述小型光电载荷与所述地面控制单元之间通过线缆连接，在所述线缆内设置有电源电缆和信号电缆，所述地面控制单元通过所述电源电缆向所述旋翼式电动飞行器的所述动力装置中的机载电池进行充电，以使所述旋翼式电动飞行器能够长时间在空中滞留；所述地面控制单元通过所述信号电缆向所述旋翼式电动飞行器的自动驾驶仪发送位姿控制指令，以实现所述旋翼式电动飞行器飞行姿态的变换；

所述小型光电载荷对侦察目标或侦察区域进行光电监测，所述地面控制单元通过信号电缆对所获取的光电信号进行采集和处理；

在所述旋翼式电动飞行器的圆盘式机体上开有四个均布的圆孔，在圆盘式机体的底面固定有支架，所述支架的每个端头位于机体上的一个圆孔的底部，在每个圆孔中设有一对旋翼和控制所述旋翼转动的微型直流电机，所述微型直流电机固定在所述支架的端头，所述旋翼安装在所述微型直流电机的轴头上；在圆盘式机体中安装有自动驾驶仪和为所述微型直流电机供电的机载电池；

所述旋翼、所述微型直流电机和所述机载电池构成所述旋翼式电动飞行器的动力装置。

2.根据权利要求1所述的侦察用虚拟桅杆，其特征是，在所述旋翼式电动飞行器的圆盘式机体上设置的四个所述旋翼具有相同的结构和旋转半径，并且处于机体上的同一高度平面上。

3.根据权利要求2所述的侦察用虚拟桅杆，其特征是，所述自动驾驶仪由高度计、GPS模块、姿态测量模块、主控制器和四个电调模块组成；每个所述电调模块用于控制一个所述微型直流电机；

所述姿态测量模块由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成，用于测量所述旋翼式电动飞行器的姿态角速度，并将姿态信号送至主控制器；

所述主控制器根据所接收的姿态信号、位置信息和姿态控制指令，向所述电调模块发出PWM信号，实现所述旋翼式电动飞行器飞行位姿的自动调整和控制。

4.根据权利要求1所述的侦察用虚拟桅杆，其特征是，所述地面控制单元包括有：

线缆缠绕控制单元，包括压力传感器和线架，所述压力传感器用于实时获取所述旋翼式电动飞行器拖拽所述线缆的压力，当压力超过阈值时，所述线架受控自动放线，当需要降低观测高度或回收装置时，在人机控制接口的控制下进行收线；

电源管理单元，在人机控制接口控制下，通过所述线缆向所述动力装置的机载电池提供24V电源；以及

人机控制接口，包括视频信号显示模块、线缆收放模块和电源管理模块，用于对所述线缆缠绕控制单元和所述电源管理单元进行控制，并通过视频信号显示模块对所述小型光电载荷所采集的信息进行显示。