CN106403900A - 飞行物追踪定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞行物追踪定位系统及方法，包括：二自由度角度测量单元，用于实现在水平和俯仰方向上扫描拍摄，当图像中出现飞行物目标后停止扫描，由地面站指挥二自由度测量单元，使目标飞行物始终处于图像的中心；地面站，当目标飞行物在两个二自由度测量单元拍摄到的图像中均处于中心位置时，地面站开始分析并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂，和两个测量点之间的距离L，地面站上在其坐标系中，根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂确定出飞行物的空间坐标x,y,z，并可计算出飞行物的高度H，实现对目标飞行物的跟踪定位。本发明利用两个二自由度测量单元来进行跟踪定位，无需设置额外的标记，对场景依赖小，实现飞行物追踪的同时，还能实现飞行物的定位。

Description

飞行物追踪定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种飞行物，具体地，涉及一种飞行物追踪定位系统及方法。

背景技术

近年来，随着飞行物技术的普及，越来越多的飞行物出现在人们的日常生活中。然而由于飞行物缺乏有效的监管措施，经常出现在未经允许的情况下，飞行物飞入相关区域的情况，给有关部门的工作或者人们的日常生活带来了影响。这样就需要有一种方法能够对飞行物进行追踪定位，然后根据飞行物的空间位置使用一种捕获方法将其捕获。另外，随着飞行物应用的普及，对飞行物的精确着落也提出了越来越高的要求。

经检索，申请号为CN201510805386.8的中国发明专利，公开了一种多目标主动识别跟踪监控方法，通过第一摄像机采集监控区域内的全景图像，锁定被跟踪目标后，计算出被跟踪目标在全景图像中的实时坐标信息，第二摄像机利用此信息对目标进行定位与采集特写图像。该发明虽然解决了跟踪问题，然而没有提供空间定位方法，不知道目标的具体空间位置。

又如，申请号为CN201510818326.X的中国发明专利，公开了一种飞行物自主着陆视觉定位方法及系统，首先采用GPS定位系统确定目标方位范围，在范围内划分了大小两个区域，区域内有不同的标记图案，利用嵌入式图像计算机根据已知的标记图案的坐标和图像中飞行物相对标记图案的位置来换算飞行物的空间三维坐标。该方法需设置额外的标记，对场景依赖大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种飞行物追踪定位系统及方法，利用两个二自由度测量单元来进行跟踪定位，无需设置额外的标记，对场景依赖小，实现飞行物追踪的同时，还能实现飞行物的定位。

根据本发明的一个方面，提供一种飞行物追踪定位系统，包括：

二自由度测量单元，用于实现在水平和俯仰方向上扫描拍摄，当图像中出现飞行物目标后停止扫描，由地面站指挥二自由度测量单元，使目标飞行物始终处于图像的中心；

地面站，当目标飞行物在两个二自由度测量单元拍摄到的图像中均处于中心位置，地面站分析并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂和两个测量点之间的距离L，计算飞行物的高度H及空间坐标x,y,z，实现对目标飞行物的跟踪定位，其中：α₁，β₁为二自由度测量单元的俯仰角，即摄像机拍摄方向与水平地面的夹角，α₂，β₂为二自由度测量单元的横滚角，即摄像机拍摄方向在水平地面的投影与两个二自由度测量单元连线的夹角。

优选地，所述二自由度测量单元包括：

扫描机构，用于实现在水平和俯仰方向上扫描，并将拍摄到的图像实时传递给地面站；

角度测量部件，测量角度α₁，α₂，β₁，β₂，并将测量结果传递给地面站；

距离测量部件，测量两个二自由度测量单元之间的距离，测量结果传递给地面站。

更优选地，所述扫描机构包括：

图像采集部件，用于拍摄图像，并将拍摄到的图像实时传递给地面站；

驱动部件，用于驱动图像采集部件在水平和俯仰方向扫描。

更优选地，所述图像采集部件可以采用摄像机或其他图像采集的工具。

更优选地，所述角度测量部件可以采用测角编码器或其他测量角度的工具。

更优选地，所述距离测量部件可以采用量尺或其他的测量距离的工具。

更优选地，所述图像采集部件采用固定焦镜头或变焦镜头对飞行物成像。

所述系统进一步设置激光照射装置，该装置并跟随所述二自由度测量单元一起转动，所述飞行物上粘贴有激光反光部件，激光射到激光反光部件上被原路反射回来，反射光斑为被测图像，将光斑中心放在成像图像中心，实现光斑的精确跟踪。此种方案能够使目标飞行物更方便且精确地处于图像中心。

根据本发明的第二方面，提供一种飞行物追踪定位方法，包括：

步骤1：驱动二自由度测量单元在水平和俯仰方向上扫描，图像中出现飞行物目标后停止扫描，二自由度测量单元驱动控制完全由地面站接管指挥，使得飞行物处于图像中心；

步骤2：当目标飞行物在两个二自由度测量单元拍摄到的图像中均处于中心位置时，地面站开始分析并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂和两个测量点之间的距离L，计算飞行物的高度H；

步骤3：地面站上任意绘制坐标系并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂、两个测量点之间的距离L以及飞行物的高度H确定飞行物的空间坐标。

所述二自由度测量单元利用压电电机高精度驱动跟踪系统，但不局限于利用压电电机。

所述二自由度测量单元利用光电编码器测量转角，但不局限于利用光电编码器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用两个有一定距离的地面/舰载的二自由度测量单元对飞行物进行追踪定位，确定飞行物的空间位置，可以配合传统的十分成熟的测量手段，具有精度高、响应快、成本低且携带布置方便的优点。本发明无需设置额外的标记，对场景依赖小，实现飞行物追踪的同时，还能实现飞行物的定位。该系统既可以用于合作飞行物的速度、方位测量，对其进行空间坐标定位，对飞行物进行着陆辅助或其他监测，也可以用作非合作飞行物的速度、方位测量及空间坐标定位，用于对其进行监管和控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中系统结构原理图；

图2为本发明一实施例中二自由度测量单元结构原理图；

图中：1为二自由度测量单元，2为目标飞行物，3为地面站；

101为图像采集部件，102为驱动部件，103为角度测量部件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，一种飞行物追踪定位系统，由二自由度测量单元1和地面站3组成。

二自由度测量单元1，用于实现在水平和俯仰方向上扫描拍摄，当图像中出现飞行物目标后停止扫描，由地面站指挥二自由度测量单元，使目标飞行物2始终处于图像的中心；

地面站3，当目标飞行物2在两个二自由度测量单元拍摄到的图像中均处于中心位置时，地面站开始分析并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂和距离L计算飞行物的高度H，地面站上任意绘制坐标系并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂、距离L以及高度H确定出飞行物的空间坐标，实现对目标飞行物的跟踪定位。其中：α₁，β₁为二自由度测量单元的俯仰角，即摄像机拍摄方向与水平地面的夹角，α₂，β₂为二自由度测量单元的横滚角，即摄像机拍摄方向在水平地面的投影与两个二自由度测量单元连线的夹角。

所述二自由度测量单元1包括：

扫描机构，用于实现在水平和俯仰方向上扫描，并将拍摄到的图像实时传递给地面站；所述扫描机构包括：

图像采集部件101，用于拍摄图像，并将拍摄到的图像实时传递给地面站；

驱动部件102，用于驱动图像采集部件在水平和俯仰方向扫描；

角度测量部件103，测量角度α₁，α₂，β₁，β₂，并将测量结果传递给地面站；

距离测量部件，测量两个二自由度测量单元之间的距离L，测量结果传递给地面站。

本发明中，每一个飞行物的图像跟踪采用扫描机构实现，利用两个高精度电机实现对目标的随动跟踪，电机主轴上装有高精度编码器，实现对移动角度的测量，比如，一个电机实现仰俯方向的目标跟踪，编码器的测量角度为仰俯方向的转角α₁，另一个电机实现水平方向目标跟踪，编码器的测量角度为水平方向的转角α₂。第二个图像跟踪单元中，一个电机跟踪测量仰俯β₁，另一个电机跟踪测量水平转角β₂。两个测量单元之间的中心距为L，可以利用两个测量单元的GPS坐标得到，也可以事先测量得到。

如图2所示，在一具体实施例中，针对空中的“低慢小”目标飞行物，所述二自由度测量单元中，图像采集部件采用摄像机，驱动部件采用电机，角度测量部件采用测角编码器，电机驱动摄像机旋转，实现所需角度的扫描。

在本实施例中，摄像机通过电机驱动在水平和俯仰方向上扫描，两个二自由度测量单元将拍摄到的图像实时传递给地面站，当图像中出现飞行物目标2后停止扫描，由地面站3指挥两个二自由度测量单元，使目标飞行物2始终处于图像的中心。二自由度测量单元通过各自携带的编码器测量出角度α₁，α₂，β₁，β₂。辅助以两测量单元之间的距离L，利用空间几何关系即可确定目标飞行物2的高度H。

特别地，当α₁和β₁相等时，目标飞行物2位于两个二自由度测量单元中间，式(3)(4)分母为0不可使用，此时使用式(1)(2)。

当α₂和β₂相等时，目标飞行物2和两个二自由度测量单元处于同一平面，且α₂＝β₂＝0，式(1)(2)分母为0不可使用，此时使用式(3)(4)，可简化为式(5)

由目标飞行物2的高度H及四个角度α₁，α₂，β₁，β₂即可确定目标飞行物2的空间坐标。

实施例二

结合上述实施例一的系统结构，以下提供飞行物追踪定位方法的实施例：

所述方法包括以下步骤：

步骤1：安装布置好二自由度测量单元和地面站，测量两个测量单元的间距输入地面站。

步骤2：二自由度测量单元通过电机驱动在水平和俯仰方向上扫描。

步骤3：图像中出现飞行物目标后停止扫描。电机驱动完全由地面站接管指挥，使得飞行物处于图像中心。

步骤4：当目标飞行物在两个摄像机拍摄到的图像中均处于中心位置时，地面站开始分析并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂和距离L计算飞行物的高度H。

步骤5：地面站上任意绘制坐标系并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂和距离L以及计算结果H定出飞行物的空间坐标，实现对目标飞行物的跟踪定位。

其中，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：判断α₁和β₁是否相等以及α₂和β₂是否相等

步骤4.2：如果α₁和β₁相等，使用式(1)(2)分别计算高度H后取平均值；如果α₂和β₂相等且为0，使用式(5)计算高度H；如果α₁和β₁不相等并且α₂和β₂也不相等，使用式(1)(2)(3)(4)分别计算高度H后取平均值；不存在α₁和β₁相等并且α₂和β₂也相等的情况。

所述方法中，对两个测量单元之间的距离L的测量方法不限于尺子测量，可以使用带有具体长度刻度的轨道，在轨道上安装测量单元读取距离值。为了安装方便，优选方案为用尺子测量。任何其他可以测量两个测量单元间距的方法均包括在内。

所述方法中，对角度的测量不限于编码器，可以使用任何可以测量角度的测量装置。由于光电编码器精度高，响应快，输出电子信号便于处理，故作为优选方案。

所述方法中，确定目标空间坐标需建立坐标系，坐标系可以任意建立，优选方案为以其中一个二自由度测量单元为原点，两个测量单元的连线为Y轴，竖直向上的方向为Z轴，与Y轴和Z轴组成的平面相垂直的方向作为X轴，根据数学上的通用习惯，建立右手空间直角坐标系。

固定焦镜头不能兼顾远处的飞行物，不易得到清晰的飞行物图像，在屏幕上的成像位置过小，成像比例不理想，也不易将其置于屏幕中心。本实施例中改用变焦镜头成像，将改善所追踪的飞行物的成像位置，提高成像质量，从而提高目标位置跟踪和测量精度。

以上是空中的“低慢小”目标飞行物的实施例，在其他实施例中，只要各部件的精度达到要求，也可以实现对于快速移动的高空飞行目标的追踪定位，其原理与上述实施例一样，不再赘述。

实施例三

结构和原理同实施例一所述类似，所测量目标为合作目标。在飞行物上粘贴激光反光片，地面跟踪装置上增加激光照射装置，并跟随相机一起转动。激光打到反光片上被原路反射回来，反射光斑为被测图像，将光斑中心放在成像图像的中心，实现光斑的精确跟踪。若该合作目标为进场着陆的无人机时，利用上述的两台压电电机驱动的精密光学跟踪装置对其跟踪测量，利用测量得到的角度数据、两台光学跟踪装置的距离，再根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)进行解算，得到进场着陆的无人机的位置信息，进而解算无人机的飞行速度、方向等信息，通过数据链传导到无人机上，对其本身的飞控数据进行修正，实现无人机的进场着陆辅助。

所述二自由度测量单元利用压电电机高精度驱动跟踪系统，但不局限于利用压电电机。所述二自由度测量单元利用光电编码器测量转角，但不局限于利用光电编码器。

本发明应用场合不限于飞行物捕获和辅助精确着陆，所有需要对飞行物追踪定位的场合且可以布置本发明中提到装置的，均可以应用本发明方法。

本发明包括但不限于利用多套装置使用本发明方法实现对多个飞行物目标的追踪定位以及提高飞行物目标的定位精度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种飞行物追踪定位系统，其特征在于，包括：

二自由度测量单元，用于实现在水平和俯仰方向上扫描拍摄，当图像中出现飞行物目标后停止扫描，由地面站指挥二自由度测量单元，使目标飞行物始终处于图像的中心；

地面站，当目标飞行物在两个二自由度测量单元拍摄到的图像中均处于中心位置，地面站分析并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂和两个测量点之间的距离L，计算飞行物的高度H及空间坐标x,y,z，实现对目标飞行物的跟踪定位，其中：α₁，β₁为二自由度测量单元的俯仰角，即摄像机拍摄方向与水平地面的夹角，α₂，β₂为二自由度测量单元的横滚角，即摄像机拍摄方向在水平地面的投影与两个二自由度测量单元连线的夹角，两个测量点之间的距离L指两个二自由度测量单元间的距离。

2.根据权利要求1所述的飞行物追踪定位系统，其特征在于，所述二自由度测量单元包括：

扫描机构，用于实现在水平和俯仰方向上扫描，并将拍摄到的图像实时传递给地面站；

角度测量部件，测量角度α₁，α₂，β₁，β₂，并将测量结果传递给地面站；

距离测量部件，测量两个测量点之间的距离L，即两个二自由度测量单元之间的距离，测量结果传递给地面站。

3.根据权利要求2所述的飞行物追踪定位系统，其特征在于，所述扫描机构包括：

图像采集部件，用于拍摄图像，并将拍摄到的图像实时传递给地面站；

驱动部件，用于驱动图像采集部件在水平和俯仰方向扫描。

4.根据权利要求3所述的飞行物追踪定位系统，其特征在于，所述图像采集部件采用固定焦镜头或变焦镜头对飞行物成像。

5.根据权利要求1-4任一项所述的飞行物追踪定位系统，其特征在于，所述系统进一步设置激光照射装置，该装置并跟随所述二自由度测量单元一起转动，所述飞行物上粘贴有激光反光部件，激光射到激光反光部件上被原路反射回来，反射光斑为被测图像，将光斑中心放在成像图像中心，实现光斑的精确跟踪。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述系统的飞行物追踪定位方法，其特征在于包括：

步骤1：驱动二自由度测量单元在水平和俯仰方向上扫描，图像中出现飞行物目标后停止扫描，二自由度测量单元驱动控制完全由地面站接管指挥，使得飞行物处于图像中心；

步骤2：当目标飞行物在两个二自由度测量单元拍摄到的图像中均处于中心位置时，地面站开始分析并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂和两个测量点之间的距离L，计算飞行物的高度H；

步骤3：地面站上任意绘制坐标系并根据测量的角度α₁，α₂，β₁，β₂、两个测量点之间的距离L以及飞行物的高度H确定飞行物的空间坐标。

7.根据权利要求6所述的飞行物追踪定位方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：判断α₁和β₁是否相等以及α₂和β₂是否相等

步骤3.2：如果α₁和β₁相等，使用式(1)、(2)分别计算飞行物的高度H后取平均值；如果α₂和β₂相等且为0，使用式(5)计算飞行物的高度H；如果α₁和β₁不相等并且α₂和β₂也不相等，使用式(1)、(2)、(3)、(4)分别计算飞行物的高度H后取平均值；不存在α₁和β₁相等并且α₂和β₂也相等的情况；

其中：

$H=\frac{L\·{\mathrm{sin\β}}_2}{{\mathrm{cot\α}}_1\·sin({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\β}}_2)}---\left(1\right)$

$H=\frac{L\·{\mathrm{sin\α}}_2}{{\mathrm{cot\β}}_1\·sin({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\β}}_2)}---\left(2\right)$

$H=\frac{{\mathrm{Lcot\α}}_1{\mathrm{cos\α}}_2+L\sqrt{{\cot }^2{\mathrm{\β}}_1-{\cot }^2{\mathrm{\α}}_1{\sin }^2{\mathrm{\α}}_2}}{{\cot }^2{\mathrm{\β}}_1-{\cot }^2{\mathrm{\α}}_1}---\left(3\right)$

$H=\frac{{\mathrm{Lcot\β}}_1{\mathrm{cos\β}}_2+L\sqrt{{\cot }^2{\mathrm{\α}}_1-{\cot }^2{\mathrm{\β}}_1{\sin }^2{\mathrm{\β}}_2}}{{\cot }^2{\mathrm{\β}}_1-{\cot }^2{\mathrm{\α}}_1}---\left(4\right)$

$H=\frac{L}{{\mathrm{cot\β}}_1-{\mathrm{cot\α}}_1}---\left(5\right).$