CN107054679A - 一种高机动主动捕获式反无人机系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高机动主动捕获式反无人机系统和方法，包括无人机、捕捉框、末端制导装置、飞控和电磁干扰系统、传感器装置和捕网，其中：捕捉框安装在无人机的上方，捕捉框内安装捕网，起到捕捉低小慢和其它空中小型飞行目标(如小鸟等)适用目标时缓冲的作用，末端制导装置、飞控和电磁干扰系统、传感器装置安装于无人机的中心位置。本发明利用地面站系统控制兼具垂直起降能力和高速巡航能力的新型倾转机身式无人机，并通过采用多种制导方式去高精度、高机动地捕捉“低慢小”和其它空中小型飞行目标；所述系统利用具有高机动性的新型倾转机身式无人机和多种制导方式对目标进行捕获，可进行二次捕捉且成本低。

Description

一种高机动主动捕获式反无人机系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体地，涉及一种高机动主动捕获式反无人机系统及方法。

背景技术

近几年，各种民用消费级无人机的应用越来越广泛，给生产生活带来了便利。这些飞行器飞行高度低、速度慢，雷达反射面积小(所谓“低慢小”航空器)，在地面难以发现、难以管控，对重点目标、重点区域和重大活动产生的严重威胁也日益突出。如何对违规无人机进行管控/拒止已成为一个热点问题。反“低慢小”的首选目标是在其侵入敏感空域之前对其进行有效拦截。

经检索：

中国专利申请：一种固定式反无人机拦截网系统”(201610062946.X)，其由拦截网体、牵引网体火箭装置、碰撞空气发泡冲击装置和电磁引导装置构成。当无人机来袭，牵引网体火箭装置携带拦截网体上升，到达最高点，网体在空中悬浮，通过电磁引导装置实现对网体的收拢，形成网兜，达到捕获无人机功能。该发明的缺点在于可机动性差，只能在一个固定位置捕获“低小慢”目标。

中国专利申请：“一种网弹式反无人机智能拦截系统”(201610062940.2)，其通过探测预警系统对来袭入侵无人机进行预警，由地面或空中控制发射系统接受雷达信号并发出拦截指令，通过发射智能拦截网弹对目标进行抓捕，智能拦截网弹通过释放发射由高强高模聚乙烯和智能导电纤维编织而成的网具，在电磁感应形成的定向牵引作用下拦截抓捕无人机。该发明的缺点在于无法对“低小慢”目标进行二次捕获。

中国专利申请：“一种无人机飞行控制干扰系统”(201620549621.X)，该实用新型通过释放比无人机控制信号更宽的频段的电磁波，采用增加噪声或者强信号压制技术，以定向或者全向干扰方式使无人机控制失效，从而使无人机失去控制，达到限制其飞行的目的。

以上三种反无人机系统主要通过一个固定平台对“低小慢”目标进行拦截捕获，机动性差，不能进行二次捕获并且捕获的过程成本较高。

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高机动主动捕获式反无人机系统及方法，本发明利用地面站系统去控制兼具垂直起降能力和高速巡航能力的新型倾转机身式无人机，并通过采用多种制导方式去高精度、高机动地捕捉目标。

根据本发明的一个方面，提供一种高机动主动捕获式反无人机系统，包括：

地面站系统，包括第一光学雷达，所述第一光学雷达用于对设定区域进行全方位监控，一旦发现目标飞行器进入该设定区域，即向所述反无人机系统发送所述目标飞行器的位置信息；

无人机系统，包括无人机、捕捉部件、第二光学雷达、末端制导装置、传感器装置和飞控和电磁干扰系统，其中：所述捕捉部件安装于所述无人机上，所述第二光学雷达设置于地面上，所述末端制导装置、所述传感器装置均安装于所述无人机的中心位置，所述捕捉部件用于捕获所述目标飞行器；所述末端制导装置用于感知所述目标飞行器并探知所述目标飞行器的精确位置以进行制导捕捉；所述传感器装置用于获取所述无人机的速度和高度；所述飞控和电磁干扰系统安装于所述无人机的中心位置，所述飞控和电磁干扰系统包括飞控系统和电磁干扰系统，飞控系统用于控制所述无人机的稳定飞行，电磁干扰系统用于干扰所述目标飞行器的控制信号，使其失去控制以便于捕捉；

所述无人机系统接收到所述地面站系统发送的所述目标飞行器的位置信息，结合所述传感器装置、所述末端制导装置的信息，由所述无人机对所述目标飞行器进行追击，并利用所述捕捉部件进行第一次捕捉；

若第一次捕捉失败，则由所述第二光学雷达对所述无人机采用制导控制进行二次捕捉；在二次捕捉过程中，所述第二光学雷达用于使所述无人机的飞行受所述地面站系统控制，所述地面站系统根据实时跟踪测得所述目标飞行器及其相对位置和运动参数，形成制导指令发送给所述无人机，从而控制所述无人机对所述目标飞行器进行定位追击。

优选地，所述无人机在接近所述目标飞行器的最后阶段采用复合制导方式，即：

当所述无人机正面追击所述目标飞行器时，所述末端制导装置感知到所述目标飞行器，即采用所述末端制导装置探知目标飞行器的精确位置，并且通过所述电磁干扰系统向所述目标飞行器发射电磁干扰信号，使所述目标飞行器失去控制并实现捕获；

当所述无人机第一次没有捕捉到所述目标飞行器并背向远离所述目标飞行器、所述末端制导装置无法感知到所述目标飞行器时，则所述无人机通过第二光学雷达遥控式制导重新对目标飞行器进行定位追击，进行二次捕捉。

优选地，所述无人机为倾转机身式无人机，所述倾转机身式无人机的机身包括平行对称放置的两固定机翼及中间的支撑架，两固定机翼上共安装有大于2的偶数套旋翼，倾转机身式无人机在接收到关于目标飞行器的位置信息后，以多旋翼模式起飞；在进行目标飞行器跟踪追击捕捉时，以固定翼模式飞行。

优选地，所述捕捉部件包括捕捉框和捕网，其中：所述捕捉框安装于所述无人机的顶部，所述捕捉框内放置所述捕网，所述捕网一方面用于捕获目标飞行器，另一方面减缓捕获到目标飞行器时对所述无人机系统的冲击；

或者，所述捕捉部件采用抛网或发射带有制导的网弹，对目标飞行器进行捕捉。

优选地，所述末端制导装置采集所述目标飞行器图像，再对采集到的图像预处理、特征提取、与模板图像的特征参数进行相似性度量完成识别任务，同时计算出所述目标飞行器在图像坐标系中的坐标及角度，再将图像数据传入所述飞控系统，用于检测所述目标飞行器的位置。

更优选地，所述末端制导装置采用摄像头，或红外传感器，或超声波传感器，或图像传感器。

优选地，所述传感器装置包括超声波传感器和光流传感器，超声波传感器和光流传感器均安装在于所述无人机的底部的中心位置；其中：

所述超声波传感器用于测量所述无人机的高度；

所述光流传感器用于测量所述无人机的速度。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于高机动主动捕获式反无人机系统的方法，包括：

地面站系统通过第一光学雷达对设定区域进行全方位监控，一旦发现目标飞行器进入该设定区域，即向反无人机系统发送目标飞行器的位置信息；反无人机系统接收到关于目标飞行器的位置信息后对目标飞行器进行追击并进行捕获，地面站系统在无人机进行追击捕获过程中用于传输信号，以控制无人机对目标飞行器进行定位追击；

所述无人机在接近目标飞行器的最后阶段，采用复合制导方式，具体是：

当无人机正面追击目标飞行器时，通过末端制导装置探知目标飞行器的精确位置，并且通过电磁干扰系统向目标飞行器发射电磁干扰信号，使目标飞行器失去控制并快速的对其进行捕获；

若无人机第一次没有捕捉到目标飞行器并背向远离目标飞行器、所述末端制导装置无法感知到目标飞行器时，则所述无人机通过地面站系统的第二光学雷达遥控式制导重新对目标飞行器进行定位追击，进行二次捕捉。

所述无人机通过地面站系统对设定区域进行实时监控，一旦有目标飞行器进入该区域，地面站系统向所述无人机系统发送信号，无人机接收到信号以多旋翼模式起飞；在进行目标跟踪时以固定翼模式飞行。

本发明中，所述无人机接收到信号时以多旋翼模式起飞，该种起飞方式具有对无人机起飞条件要求低的优势，所以能够垂直起降和悬停；在进行目标跟踪时以固定翼模式飞行，所以巡航速度快，能够很快的跟上目标飞行器，为网捕目标提供条件；

当所述无人机进行末端制导，并利用电磁干扰系统使目标飞行器失去控制，从而快速地将目标飞行器捕获至捕捉部件中，捕捉部件内部可以设置一张柔性捕网，用来减缓捕获到目标飞行器时对所述无人机系统的冲击；

本发明采用上述复合制导方式时，电磁干扰系统对自身没有干扰影响。

本发明中，所述无人机的机身材料具有多种选型，可以优选碳纤维杆，该材料具有轻便、机械强度大的特点。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过地面站系统控制无人机，在不同捕捉阶段使用不同的制导方式，能够很好的提高捕捉的精确性和机动性。本发明的电磁干扰系统可以提高对目标的捕捉效率。相比于其他的捕获系统，本发明成本比较低，可重复使用，更具有灵活性、高效性、高机动性。

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为本发明一实施例的整体结构示意图；

图中：倾转机身式无人机1，捕捉框2，摄像头或红外传感器3，飞控和电磁干扰系统以及各种传感器装置4，捕网5；

图2为本发明一实施例的捕捉过程的系统图；

图中：第一光学雷达6，第二光学雷达7，目标飞行器8。

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1

如图1所示，一种高机动主动捕获式反无人机系统，包括：

无人机系统，由倾转机身式无人机1、捕捉框2、摄像头或红外传感器3、飞控和电磁干扰系统以及各种传感器装置4、捕网5和第二光学雷达7组成，其中：

所述捕捉框2安装在所述倾转机身式无人机1的一对固定机翼之间，并位于所述倾转机身式无人机1的上方；所述捕捉框2固定在所述倾转机身式无人机1上，不会破坏机身的气动外形；

所述摄像头或者红外传感器3安装在所述倾转机身式无人机1的中心处，用于末端制导：当目标飞行器8进入倾转机身式无人机1的末端制导区(即摄像头或者红外传感器3能够清楚探测到目标飞行器8的区域)，倾转机身式无人机1利用摄像头或者红外传感器3探知目标飞行器8的精确位置进行制导追捕；具体的：摄像头或者红外传感器3采集目标飞行器8图像，再对图像预处理、特征提取、与模板图像的特征参数进行相似性度量完成识别任务，同时计算出目标飞行器8在图像坐标系中的坐标及角度，再将图像数据传入飞控系统，飞控系统处理摄像头或者红外传感器3接收到的信息，从而检测目标飞行器8的位置；

所述飞控和电磁干扰系统以及各种传感器装置4集中安装在所述倾转机身式无人机1的中心位置，其中：飞控系统是所述反无人机系统的核心部分，用于控制所述倾转机身式无人机1的稳定飞行；电磁干扰系统用于干扰目标飞行器8的控制信号，使其失去控制以便于捕捉；

所述捕网5安装于所述捕捉框2内，在捕捉目标飞行器8时起缓冲的作用；

所述第二光学雷达7设置于地面上，用于所述倾转机身式无人机1采用制导控制对目标飞行器8进行二次捕捉；

地面站系统，包括第一光学雷达6，所述第一光学雷达6对设定区域进行全方位监控，一旦发现目标飞行器8进入该区域，即向所述反无人机系统发送目标飞行器8位置信息，所述倾转机身式无人机1接收到关于目标飞行器8位置信息后对目标飞行器8进行追击，并利用捕捉部件(即捕网5)进行捕获；所述第一光学雷达6在所述倾转机身式无人机1进行追击捕获过程中用于传输信号，遥控式制导控制所述倾转机身式无人机1对目标飞行器8进行定位追击。

作为优选的实施方式，所述倾转机身式无人机1的机身包括平行对称放置的两固定机翼及中间的支撑架，两固定机翼上共安装有大于2的偶数套旋翼，倾转机身式无人机在接收到关于目标飞行器8的位置信息后，以多旋翼模式起飞；在进行目标飞行器8跟踪时，以固定翼模式飞行。因此所述倾转机身式无人机1为一种既拥有多旋翼无人机可以垂直起降和空中悬停的优点，又具有固定翼无人机利用机翼产生的气动升力进行低能耗、长航时巡航的优势，其克服了多旋翼无人机续航时间短、载荷小的缺点和固定翼无人机需要起降要求苛刻的难题；

在一具体优选实施例中：所述倾转机身式无人机1的机身包括平行对称放置的两固定机翼及中间的支撑架，两固定机翼上共安装有四套旋翼，为留出足够空间安装捕捉框2和提供充足的动力，四套旋翼放置在倾转机身式无人机1的下方；固定机翼在中部对称位置各安装两套电机，电机上安装螺旋桨，且相邻螺旋桨的旋转方向相反。

如图2所示，所述反无人机系统通过地面站系统中的第一光学雷达6对防卫区(即雷达监控区域)进行实时监控，一旦有目标飞行器8进入防卫区，所述倾转机身式无人机1接收到信号并以多旋翼模式起飞，所以能够垂直起降和悬停；在进行目标飞行器8跟踪时，所述倾转机身式无人机1以固定翼模式飞行，所以巡航速度快，能够很快的跟上目标飞行器8，为网捕目标飞行器8提供条件；

当所述倾转机身式无人机1进行末端制导时，利用电磁干扰系统使目标飞行器8失去控制，从而快速地将目标飞行器8捕获至捕捉框2中；捕捉框2里放置一个捕网5用来减缓捕获到目标飞行器8时对所述无人机系统的冲击；所述反无人机系统拥有特殊的制导方式，电磁干扰系统对自身没有干扰影响。

进一步的，所述的系统捕捉目标飞行器分为两个阶段，即第一阶段和第二阶段，其中：

第一阶段：所述地面站系统通过第一光学雷达6对一较大范围空间进行全天实时监控，一旦有目标飞行器8进入监控范围内，第一光学雷达6感知到目标飞行器8的位置，立即向所述无人机系统发送目标飞行器8的位置信息，倾转机身式无人机1由地面站系统进行制导控制追击目标飞行器8；

第二阶段：当无人机追击到目标飞行器8附近，末端制导装置感知到目标飞行器8时，为更加精准的控制倾转机身式无人机1，地面站系统采用末端制导的方式控制倾转机身式无人机1对目标飞行器8进行第一次捕捉；

若第一次捕捉失败，倾转机身式无人机1背向远离目标飞行器8、末端制导装置无法感知到目标飞行器8时，第二光学雷达7对倾转机身式无人机1采用制导控制进行二次捕捉。

作为优选的实施方式，所述反无人机系统包括但不限于利用倾转机身式无人机1实现对其他无人机进行捕获，任何反无人机飞行器的设计，均可应用于所述系统。

作为优选的实施方式，所述反无人机系统除了利用内置捕网5的捕捉框2进行捕获无人机外，还可以利用抛网、发射带有制导的网弹等作为捕获部件进行目标捕捉。

本发明所述反无人机系统最重要的技术改进在于整个捕捉过程和不同阶段的制导方式。在不同的捕捉阶段利用不同的制导方式，能够很好的提高捕捉的精确性和机动性。另外，螺旋桨安装在无人机的底部，能够提高无人机的机动性；捕捉框安装在无人机顶部，能够更加高机动，高精度的捕捉目标。

实施例2

一种高机动主动捕获式反无人机系统，与实施例1不同之处在于末端制导使用图像传感器或者超声波传感器。

所述图像传感器或超声波传感器安装于倾转机身式无人机1的顶部，图像传感器或超声波传感器用于倾转机身式无人机1的末端制导，检测目标飞行器8的位置并予以追击；其中：

所述图像传感器用于采集目标飞行器8的图像并将采集到的图像数据进行打包处理，具体包括对图像预处理、进行特征提取、与模板图像的特征参数进行相似性度量完成识别任务，同时计算出目标飞行器8在图像坐标系中的坐标及角度，再将图像数据传入设置在飞控系统，飞控系统处理图像传感器或超声波传感器接收到的信息并进行处理，并得到采集到的图像，用于检测目标飞行器8的位置；

所述超声波传感器通过发送超声波并接受超声波来对目标飞行器8进行检测。

另外，搭载任意用于目标飞行器8捕获的传感器均可以应用于所述系统中。

实施例3

基于上述实施例1、2所述系统，一种高机动主动捕获式反无人机方法，包括：

首先，地面站系统通过第一光学雷达对设定区域进行全方位监控，一旦发现目标飞行器进入该设定区域，即向反无人机系统发送目标飞行器的位置信息；反无人机系统接收到关于目标飞行器的位置信息后对目标飞行器进行追击并进行捕获，地面站系统在无人机进行追击捕获过程中用于传输信号，控制无人机对目标飞行器进行定位追击；

无人机在接近目标飞行器的最后阶段，采用复合制导方式，具体是：

当无人机正面追击目标飞行器时，通过末端制导装置探知目标飞行器的精确位置，并且通过电磁干扰系统向目标飞行器发射电磁干扰信号，使目标飞行器失去控制并快速的对其进行捕获；

若无人机第一次没有捕捉到目标飞行器并背向远离目标飞行器、末端制导装置无法感知到目标飞行器时，则无人机通过地面站系统的第二光学雷达遥控式制导重新对目标飞行器进行定位追击，进行二次捕捉；

无人机通过地面站系统对设定区域进行实时监控，一旦有目标飞行器进入该设定区域，地面站系统向无人机发送信号，无人机接收到信号以多旋翼模式起飞，在对目标飞行器进行追击时以固定翼模式飞行。

本发明解决了目标捕获技术中所存在的缺点：捕获平台飞行速度慢和不能复用，不能够进行二次捕获。本发明的高机动主动捕获式反无人机系统能够大大提高对目标无人机的捕获率和可靠性。

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 (10)

1.一种高机动主动捕获式反无人机系统，其特征在于，包括：

地面站系统，包括第一光学雷达，所述第一光学雷达用于对设定区域进行全方位监控，一旦发现目标飞行器进入该设定区域，即向所述反无人机系统发送所述目标飞行器的位置信息；

无人机系统，包括无人机、捕捉部件、第二光学雷达、末端制导装置、传感器装置和飞控和电磁干扰系统，其中：述捕捉部件安装于所述无人机上，所述第二光学雷达设置于地面上，所述末端制导装置、所述传感器装置均安装于所述无人机的中心位置，所述捕捉部件用于捕获所述目标飞行器；所述末端制导装置用于感知所述目标飞行器并探知所述目标飞行器的精确位置以进行制导捕捉；所述传感器装置用于获取所述无人机的速度和高度；所述飞控和电磁干扰系统安装于所述无人机的中心位置，所述飞控和电磁干扰系统包括飞控系统和电磁干扰系统，飞控系统用于控制所述无人机的稳定飞行，电磁干扰系统用于干扰所述目标飞行器的控制信号，使其失去控制以便于捕捉；

所述无人机系统接收到所述地面站系统发送的所述目标飞行器的位置信息，结合所述传感器装置、所述末端制导装置的信息，由所述无人机对所述目标飞行器进行追击，并利用所述捕捉部件进行第一次捕捉；

若第一次捕捉失败，则由所述第二光学雷达对所述无人机采用制导控制进行二次捕捉；在二次捕捉过程中，所述第二光学雷达用于使所述无人机的飞行受所述地面站系统控制，所述地面站系统根据实时跟踪测得所述目标飞行器及其相对位置和运动参数，形成制导指令发送给所述无人机，从而控制所述无人机对所述目标飞行器进行定位追击。

2.根据权利要求1所述的一种高机动主动捕获式反无人机系统，其特征在于，所述无人机在接近所述目标飞行器的最后阶段采用复合制导方式，即：

当所述无人机正面追击所述目标飞行器时，所述末端制导装置感知到所述目标飞行器，即采用所述末端制导装置探知目标飞行器的精确位置，并且通过所述电磁干扰系统向所述目标飞行器发射电磁干扰信号，使所述目标飞行器失去控制并实现捕获；

当所述无人机第一次没有捕捉到所述目标飞行器并背向远离所述目标飞行器、所述末端制导装置无法感知到所述目标飞行器时，则所述无人机通过第二光学雷达遥控式制导重新对目标飞行器进行定位追击，进行二次捕捉。

3.根据权利要求1所述的一种高机动主动捕获式反无人机系统，其特征在于，所述无人机为倾转机身式无人机，所述倾转机身式无人机的机身包括平行对称放置的两固定机翼及中间的支撑架，两固定机翼上共安装有大于2的偶数套旋翼，倾转机身式无人机在接收到关于目标飞行器的位置信息后，以多旋翼模式起飞；在进行目标飞行器跟踪追击捕捉时，以固定翼模式飞行。

4.根据权利要求1所述的一种高机动主动捕获式反无人机系统，其特征在于，所述捕捉部件包括捕捉框和捕网，其中：所述捕捉框安装于所述无人机的顶部，所述捕捉框内放置所述捕网，所述捕网一方面用于捕获目标飞行器，另一方面减缓捕获到目标飞行器时对所述无人机系统的冲击。

5.根据权利要求1所述的一种高机动主动捕获式反无人机系统，其特征在于，所述捕捉部件采用抛网或发射带有制导的网弹，对目标飞行器进行捕捉。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种高机动主动捕获式反无人机系统，其特征在于，所述末端制导装置采集所述目标飞行器图像，再对采集到的图像预处理、特征提取、与模板图像的特征参数进行相似性度量，完成识别任务，同时计算出所述目标飞行器在图像坐标系中的坐标及角度，再将数据传入所述飞控系统，用于检测所述目标飞行器的位置。

7.根据权利要求6所述的一种高机动主动捕获式反无人机系统，其特征在于，所述末端制导装置中采用摄像头，或红外传感器，或超声波传感器，或图像传感器。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种高机动主动捕获式反无人机系统，其特征在于，所述传感器装置包括超声波传感器和光流传感器，超声波传感器和光流传感器均安装在于所述无人机的底部的中心位置；其中：

所述超声波传感器用于测量所述无人机的高度；

所述光流传感器用于测量所述无人机的速度。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述系统的高机动主动捕获式反无人机方法，其特征在于，包括：

地面站系统通过第一光学雷达对设定区域进行全方位监控，一旦发现目标飞行器进入该设定区域，即向反无人机系统发送目标飞行器的位置信息；反无人机系统接收到关于目标飞行器的位置信息后对目标飞行器进行追击并进行捕获，地面站系统在无人机进行追击捕获过程中用于传输信号，控制无人机对目标飞行器进行定位追击；

所述无人机在接近目标飞行器的最后阶段，采用复合制导方式，具体是：

当无人机正面追击目标飞行器时，通过末端制导装置探知目标飞行器的精确位置，并且通过电磁干扰系统向目标飞行器发射电磁干扰信号，使目标飞行器失去控制并快速的对其进行捕获；

若无人机第一次没有捕捉到目标飞行器并背向远离目标飞行器、所述末端制导装置无法感知到目标飞行器时，则所述无人机通过地面站系统的第二光学雷达遥控式制导重新对目标飞行器进行定位追击，进行二次捕捉。

10.根据权利要求9所述的一种高机动主动捕获式反无人机方法，其特征在于，所述无人机通过地面站系统对设定区域进行实时监控，一旦有所述目标飞行器进入该设定区域，所述地面站系统向所述无人机发送信号，所述无人机接收到信号以多旋翼模式起飞，在对所述目标飞行器进行追击时以固定翼模式飞行。