CN107140209A - 一种无人机靶向系统 - Google Patents

Abstract

一种无人机靶向系统，其包括：多旋翼无人机；云台摄像装置，其安装在多旋翼无人机底部，用于获取探测区域的大视角视频信息；打靶装置，其安装在云台摄像装置上并随着云台摄像装置转动；机载光学瞄准装置，其安装在打靶装置上，用于获取打靶装置所指方向上的图像信息。该系统利用多旋翼无人机执行快速反应的空中侦察、图像传输以及靶标打击，这样也就把任务执行人员从不利境地解放出来，并且降低己方损耗。

Description

一种无人机靶向系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体地说，涉及一种无人机靶向系统。

背景技术

无人机(UAV)是指无人在机上驾驶、可自主控制或遥控的飞机武器系统，它可执行对空、对地(海)作战任务，并具有可回收、可重复使用的特征。

无人机与常规飞机既有联系又有区别，相较于常规分析，无人机没有驾驶舱以及相关的环控救生设备。因此除了能够降低飞机的重量和成本外，无人机还大大放宽了飞机设计的一些限制，例如飞机发动机的位置可以更加合理、飞机的机动过载可以更高等。

基于无人机的诸多特点，无人机开始在越来越多的领域得到应用。然而，现有的无人机多应用于军事领域，其往往搭载有大型的武器系统。而对于侦查和追捕打击恐怖分析和要犯等特殊警务任务，这种无人机显然无法适用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种无人机靶向系统，所述系统包括：

多旋翼无人机；

云台摄像装置，其安装在所述多旋翼无人机底部，用于获取探测区域的大视角视频信息；

打靶装置，其安装在所述云台摄像装置上并随着所述云台摄像装置转动；

机载光学瞄准装置，其安装在所述打靶装置上，用于获取所述打靶装置所指方向上的图像信息。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：

地面控制装置，其与所述多旋翼无人机的无人机通信装置通信连接，用于通过所述无人机通信装置接收所述多旋翼无人机发送来的飞行状态信息、云台摄像装置发送来的大视角视频信息和/或所述机载光学瞄准装置发送来的图像信息，还用于向所述多旋翼无人机发送相应的飞行控制指令、向所述云台摄像装置发送转动指令、向所述打靶装置发送打靶指令。

根据本发明的一个实施例，所述地面控制装置包括：

地面通信模块，其用于与所述无人机通信装置进行数据通信；

显示模块，其用于对所述地面通信模块传输来的图像数据进行可视化显示；

地面站控制模块，其与所述地面通信模块连接，用于根据所述地面通信模块发送来的数据生成相应的控制指令并将所述控制指令发送至所述地面通信模块。

根据本发明的一个实施例，所述地面站控制模块根据所述打靶装置所指方向上的图像信息提取有效图像信息，并根据目标图像信息和所述有效图像信息生成视轴偏差角信息，根据所述视轴偏差角信息生成云台控制指令，并将所述云台控制指令通过所述地面通信模块发送至所述云台摄像装置，以控制云台摄像装置转动从而实现对目标的锁定与跟踪。

根据本发明的一个实施例，所述地面站控制模块包括：

控制按键，其用于在用户按下指定按键后从预设指令库中调取该按键所对应的控制指令，并将该控制指令传输至所述地面通信模块；和/或，

控制摇杆，其用于根据控制摇杆的当前状态生成相应的控制指令，并将该控制指令传输至所述地面通信模块。

根据本发明的一个实施例，所述机载光学瞄准装置在瞄准并跟随所述探测区域中的指定目标后生成跟随指示信息；

所述地面站控制模块通过所述地面通信模块接收到所述跟随指示信息后，生成振动指令并将所述振动指令传输至所述控制摇杆，以控制所述控制摇杆振动。

根据本发明的一个实施例，所述地面控制装置还包括：

数据存储模块，其与所述地面通信模块连接，用于对所述地面通信模块传输来的数据进行存储。

根据本发明的一个实施例，所述云台摄像装置包括双轴陀螺稳定云台，所述双轴陀螺稳定云台通过两轴两框架结构固定挂载在所述多旋翼无人机正下方。

根据本发明的一个实施例，所述机载光学瞄准装置包括CCD摄像模块、红外灯以及感光模块，其中，

所述感光模块与所述红外灯连接，其用于采集所述探测区域的光线强度信息，当所述探测区域的光线强度小于预设光线强度阈值时，所述感光模块生成红外灯开启指令并将所述红外灯开启指令发送至所述红外灯，以开启所述红外灯。

本发明所提供的无人机靶向系统具有图像处理功能以及良好的人机接口单元，其能够建立信号处理、模式切换、大容量存储、回放、优化程序等多任务管理，完成了基于数据链路的远程视频传输系统设计，具备记录工作场景的复现和关键数据的记录分析功能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的无人机靶向系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的地面控制装置的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的瞄准跟踪功能的实现原理图；

图4是根据本发明一个实施例的视觉稳定云台控制回路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

随着高新技术在社会生活各领域的广泛应用，犯罪与打击犯罪的较量更集中地体现在对现代科技手段和新技术装备的运用上。当前，世界各国都在实战中探索新手段和新方法，反恐形势的严峻性以及特殊情况下的打击不法分子的手段局限对于警务系统提出了多方位、多层次的需求，自然也就要求在警用航空器以及空中警务设备的选用上呈现多元化。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种无人机靶向系统，该系统利用多旋翼无人机执行快速反应的空中侦察、图像传输以及靶标打击，这样也就把警务人员从危险境地解放出来，并且降低己方损耗。

图1示出了本实施例所提供的无人机靶向系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的无人机靶向系统优选地包括：多旋翼无人机101、云台摄像装置102、打靶装置103、机载光学瞄准装置104以及地面控制装置105。具体地，本实施例中，根据实际应用场景，多旋翼无人机101优选地采用特定轴距(优选地为1.8m轴距)的多旋翼无人机飞行器平台，该多旋翼无人机101在地面控制装置105的操控下调整自身的飞行速度、飞行高度以及飞行姿态。本实施例所提供的多旋翼无人101的续航时间优选地大于半小时，其载重优选地配置在5Kg至7Kg。

多旋翼无人机101优选地采用大容量电池来提供动力。需要指出的是，在本发明的不同实施例中，上述多旋翼无人机101还可以采用化石燃料来提供动力，或是采用大容量电池和化石燃料的混动方式来提供动力，本发明不限于此。多旋翼无人机优选地配置差分GPS模块，这样也就可以实现对多旋翼无人机的精准定位。

本实施例中，云台摄像装置102优选地安装在多旋翼无人机101的底部，其用于采集探测区域的大视角视频信息。具体地，云台摄像装置102优选地为双轴陀螺稳定云台，其利用两轴两框架结构固定挂载在多旋翼无人机101的正下方，两轴两框架结构能够有效隔离多旋翼无人机101的各种振动、起伏以及颠簸干扰，这由于消除云台摄像装置102所获取到的大视角视频图像的模糊和晃动。

云台摄像装置102优选地包括成像清晰的低照度CCD摄像机，该低照度CCD摄像机能够获取到大视野、大场景的视频图像，并且其成像质量高，这也就为对目标的准确搜索和瞄准奠定了基础。

打靶装置103与机载光学瞄准装置104固接，这样打靶装置103与机载光学瞄准装置104便可以具有相同的运动。本实施例中，打靶装置103优选地采用夹具与与云台摄像装置102连接并且其能够随着云台摄像装置102转动，因此，打靶装置103能够随着与云台摄像装置102的俯仰、偏转来调整自身的朝向。

本实施例中，打靶装置103优选地包括通用部件和个性部件。其中，对于不同的应用场景，通用部件可以共用，即通用部件能够满足多种不同的应用场景的使用要求。而个性部件则是针对特定应用场景是配置的。因此，对于不同的应用场景，本实施例所提供的打靶装置103可以通过仅更换对应的个性部件来使得自身满足该应用场景的使用要求，这样有助于简化打靶装置103的结构，并且还能够提高打靶装置103的使用效率。需要指出的是，在本发明的不同实施例中，打靶装置103可以为枪械等设备。

机载光学光学瞄准装置104优选地包括：CCD摄像模块、红外灯以及感光模块。其中，感光模块与红外灯连接，其能够采集探测区域的光线强度信息。当探测区域的光线强度信息小于预设光线强度阈值时，感光模块会生成红外灯启动指令，并将该红外灯启动指令发送至红外灯，以开启红外灯，从而为搜索瞄准目标景物自动补光，这样也就使得该无人机靶向系统能够满足夜间隐蔽使用的要求。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，上述预设光线强度阈值可以根据实际需要配置为不同的合理值，本发明不限于此。本实施例中，上述预设光线强度阈值优选地配置为10Lux。

本实施例中，CCD摄像模块作为光学部分，其采用高清晰、低照度的CCD摄像头。而为了使得机载光学瞄准装置104以及打靶装置103能够准确的对目标物体进行搜索和瞄准，本实施例中，CCD摄像模块优选地可以进行例如36倍的高倍连续变焦，同时，CCD摄像模块还内置有可调十字分划线，这样有助于机载光学瞄准装置104以及打靶装置103实现对探测区域(例如2000米)内的目标物体的快速搜索和瞄准。

本实施例中，CCD摄像头的具体参数为：电视制式NISC制式；图像传感器尺寸1/3英寸；最低照度0.01Lux/F2.0；电视线650电视线；白平衡在自动、预置、室内、室外以及荧光等模型下可调；自动增益控制(可开关)；工作温度范围为-20℃至50℃；相对湿度为85％。

当然，在本发明的其他实施例中，CCD摄像头的具体参数还可以配置为其他合理参数，本发明不限于此。

如图1所示，本实施例中，地面控制装置105与多旋翼无人机101所配备的无人机通信装置通信连接，其用于通过无人机通信装置来接收多旋翼无人机101的飞行状态信息、云台摄像装置102发送来的大视角视频信息和/或机载光学瞄准装置104发送来的图像信息。此外，地面控制装置105还能够通过无人机通信装置向多旋翼无人机101发送相应的飞行控制指令以控制多旋翼无人机101的飞行状态，同时，其还能够向云台摄像装置102发送转动指令以调节与他乃摄像装置102、机载光学瞄准装置104以及打靶装置103的角度，此外，其还能够向打靶装置103发送打靶指令以控制打靶装置103进行打靶。

图2示出了本实施例中地面控制装置105的结构示意图。如图2所示，本实施例中，地面控制装置105优选地包括：地面通信模块201、地面站控制模块202以及显示模块203。

地面通信模块201用于与无人机通信装置进行数据通信。地面控制装置105通过地面通信模块201可以实现对多旋翼无人机101、云台摄像装置102、打靶装置103以及机载光学瞄准装置104的远距离控制。具体地，本实施例中，地面通信模块201与无人机通信装置之间的最大通信距离优选地配置为30km至60km。此外，根据实际需要，地面通信模块201也可以支持外接数传电台。

当然，在本发明的其他实施例中，地面通信模块201与无人机通信装置之间的最大通信距离根据实际需要还可以配置为其他合理值，本发明不限于此。

地面站控制模块202优选地包括加固型地面站控制单元和/或操作员手持控制单元，显示模块203优选地包括与加固型地面站控制单元相配合的第一显示器以及与操作员手持控制单元相配合的第二显示器。其中，加固型地面站控制单元通过地面通信模块201接收云台摄像装置102以及机载光学瞄准装置104传来的视频信息，第一显示器会根据上述加固型地面站控制单元所接收到的视频信息进行可视化显示。第一显示器上装有瞄准十字星窗口，这样用户也就可以在第一显示器中清楚地看到瞄准信息。

加固型地面站控制单元包括控制按键，其用于在用户按下指定按键后从预设指令库中调取与该按键所对应的控制指令，并将该控制指令传输至地面通信模块201，以有地面通信模块201传输至无人机通信装置，从而实现对多旋翼无人机、云台摄像装置、打靶装置和/或机载光学瞄准装置的控制与调节。本实施例中，用户通过按下加固型地面站控制单元的相应按键可以实现对多旋翼无人机进行航路规划，并且还能够控制多旋翼无人机的飞行速度、飞行高度以及飞行姿态，同时还能够实现多旋翼无人机的一键起飞、定点悬停、一键回收以及防误操作摔机等功能。

本实施例中，加固型地面站控制单元还具有与地面通信模块连接的数据存储模块(例如大容量存储器)，这样加固型地面站控制单元也就可以将云台摄像装置102以及机载光学瞄准装置104传来的视频信息进行压缩后存储在上述大容量存储器中，以备进行场景重现以及分析等。

操作员手持控制单元优选地包括用于进行精确瞄准和射击的控制摇杆，其中，控制摇杆用于根据自身的当前状态来生成相应的控制指令，并将该控制指令传输至地面通信模块201，以由地面通信模块201传输至无人机通信装置。

本实施例中，控制摇杆配置为XYZ轴打靶装置的瞄准控制多旋翼无人机的飞行姿态(包括对无人机的升降、飞行方向以及副翼的状态的控制)，其他按键用户控制云台摄像装置的俯仰和偏转角度以及打靶装置的瞄准和射击以及相关模式的切换。

第二显示器采用液晶显示屏来实现，在液晶显示屏的视镜串口中加装有瞄准具十字星窗口。通过地面通信模块201，第二显示器能够实时清晰地接收云台摄像装置的视野视频以及机载光学瞄准装置的瞄准视频。

本实施例中，多旋翼无人机的飞行均可由加固型地面站控制单元和操作员手持控制单元来控制，其中，控制模式的切换由操作员手持控制单元的相应按键来实现。为了避免固定地面站控制单元和操作员手持控制单元同时向多旋翼无人机发送控制指令而造成控制冲突，本实施例中，操作员手持控制单元较加固型地面控制单元具有更高的优先级。

图3示出了本实施例所提供的无人机靶向系统进行瞄准跟踪的实现原理图。本实施例中，多旋翼无人机在控制摇杆以及航线规划的操作下飞行过程中，云台摄像装置102会将采集到的大视角视频信息传送至地面控制装置中的加固型地面站控制单元和操作员手持控制单元。加固型地面控制单元所对应的第一显示器和/或操作人员手持控制单元所对应的第二显示器会根据上述大视角视频信息进行可视化显示。

基于第一显示器和/或第二显示器所显示的图像，操作人员可以通过加固型地面控制单元或者操作人员手持控制单元来控制多旋翼无人机达到指定位置并调整无人机以及云台摄像装置的姿态，以便能够清楚地观察到目标。

安装在打靶装置前端的机载光学瞄准装置104(例如低照度CCD瞄准具摄像系统)会将特定制式(例如PLA制式)的模拟视频信号传输至地面控装置105，地面控制装置105中的模数转换芯片会从上述视频信息中提取出视频同步信号和有效图像信息。

利用图像处理算法对上述有效图像信息进行分析，并与目标图像信息进行对比分析，可以计算得到目标所在位置信息(例如视轴偏差角信息)。基于上述视轴偏差角信息，地面控制装置105能够生成相应的云台控制指令。地面控制装置105会将上述云台控制指令通过地面通信模块传输至云台摄像装置中的云台控制器303(例如MCU)，以由云台控制器303根据预设控制律得到控制驱动平台电机转动的偏角。云台控制器303利用上述偏角以及电极电位计305来控制电机304进行偏转，从而实现对目标的锁定与跟踪。

本实施例中，无人机靶向系统的瞄准跟踪功能满足的参数条件优选地包括：a)视场角为57.8°至1.7°；b)稳定精度小于或等于1mrad；c)搜索范围(方位)为-150°至+150°；d)搜索范围(俯仰)为-110°至+20°；e)额定功耗小于或等于15W，峰值功耗小于或等于24W；f)工作稳定在-40℃至+50℃。

云台摄像装置能够有效隔离多旋翼无人机运动的影响，从而使得无人机靶向系统能够准确地对目标进行瞄准和跟踪。多旋翼无人机的运行以及外接干扰直接影响到无人机靶向系统的稳定，而导致无人机靶向系统瞄准以及跟踪不稳定的因素主要有摩擦、中心偏移、轴间耦合、传感器噪声，因此本实施例所提供的无人机靶向系统通过合理的机械布局以及减震措施来隔离高频分量。

而对于低频分量，本实施例所提供的无人机靶向系统采用了如图4所示的云台摄像装置低频分量控制回路来进行控制。结合图3和图4，本实施例中，无人机靶向系统在对目标进行图像采集和跟踪的过程中，低频分量可以被系统中的姿态陀螺301以及加速度计302所感知，姿态陀螺301以及加速度计302会将所得到的平台转速信息传输至与云台控制器303。云台控制器303会对当前的控制信息(例如给定角速度)与上述平台转速信息进行和综合，从而通过稳定控制器401和功率放大器402反馈给驱动电机304，从而抵消平台的姿态变化，即实现对多旋翼无人机的姿态扰动的隔离，这样也就能够保持相关瞄准打击设备的轴线更稳定，减弱无人机姿态变化的影响。

本实施例中，多旋翼无人机优选地采用高数据率的5.8G数字微波无线传输模块回传标准视频信号，其具有标准的通讯接口，方便旋翼机与地面控制装置的通讯。同时，多旋翼无人机与地面控制装置之间的数据链路采用抗干扰加密传输技术，保证工作过程的稳定性和安全性。

具体地，地面控制装置通过该无线传输模块发送对多旋翼无人机的控制命令，无人机在控制命令的操纵下执行飞行、视频的拍摄任务，基于高数据率的链路传输，操作人员可以通过地面控制装置的显示屏幕清晰地看到目标。

机载光学瞄准装置与多旋翼无人机上的无人机通信装置通信链接，其能够实时地将瞄准情况无线传输到地面控制装置上，并将拍摄到的视频信息发送给地面控制装置，该数据链路传输在15公里以上。

本实施例中，当机载光学瞄准装置在瞄准并跟踪探测区域中的指定目标后会生成跟踪指示信息并将该跟踪指示信息通过无人机通信装置发送至地面控制装置。地面站控制模块在接收到上述跟踪指示信息后，会生成振动指令并将该振动指令传输至控制摇杆，以使得控制摇杆振动，从而实现瞄准与跟踪的提示。当然，在本发明的不同实施例中，控制摇杆振动所持续的时长可以根据实际需要配置为不同的合理值，本发明不限于此。

操作人员观测手持控制单元显示器中的十字线交点与目标重合并得到震动提醒后即可实施精确打击，该方式取代了三点一线的传统瞄准方式。操作人员可以充分利用有利地形、地物(高台、墙角、堑壕凹坑等)、车辆等隐蔽方式操控多旋翼无人机飞行，进而进行观察瞄准，保证了操作人员自身的人身安全，最大程度的减轻了操作人员在危险情况下近距离作战的心理压力。当操作人员固定位置便可在360°范围内15公里距离内快速观察瞄准，精准射击目标。

本实施例所提供的无人机靶向系统具有图像处理功能以及良好的人机接口单元，其能够建立信号处理、模式切换、大容量存储、回放、优化程序等多任务管理，完成了基于数据链路的远程视频传输系统设计，具备记录工作场景的复现和关键数据的记录分析功能。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种无人机靶向系统，其特征在于，所述系统包括：

多旋翼无人机；

云台摄像装置，其安装在所述多旋翼无人机底部，用于获取探测区域的大视角视频信息；

打靶装置，其安装在所述云台摄像装置上并随着所述云台摄像装置转动；

机载光学瞄准装置，其安装在所述打靶装置上，用于获取所述打靶装置所指方向上的图像信息。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

地面控制装置，其与所述多旋翼无人机的无人机通信装置通信连接，用于通过所述无人机通信装置接收所述多旋翼无人机发送来的飞行状态信息、云台摄像装置发送来的大视角视频信息和/或所述机载光学瞄准装置发送来的图像信息，还用于向所述多旋翼无人机发送相应的飞行控制指令、向所述云台摄像装置发送转动指令、向所述打靶装置发送打靶指令。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述地面控制装置包括：

地面通信模块，其用于与所述无人机通信装置进行数据通信；

显示模块，其用于对所述地面通信模块传输来的图像数据进行可视化显示；

地面站控制模块，其与所述地面通信模块连接，用于根据所述地面通信模块发送来的数据生成相应的控制指令并将所述控制指令发送至所述地面通信模块。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述地面站控制模块根据所述打靶装置所指方向上的图像信息提取有效图像信息，并根据目标图像信息和所述有效图像信息生成视轴偏差角信息，根据所述视轴偏差角信息生成云台控制指令，并将所述云台控制指令通过所述地面通信模块发送至所述云台摄像装置，以控制云台摄像装置转动从而实现对目标的锁定与跟踪。

5.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述地面站控制模块包括：

控制按键，其用于在用户按下指定按键后从预设指令库中调取该按键所对应的控制指令，并将该控制指令传输至所述地面通信模块；和/或，

控制摇杆，其用于根据控制摇杆的当前状态生成相应的控制指令，并将该控制指令传输至所述地面通信模块。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述机载光学瞄准装置在瞄准并跟随所述探测区域中的指定目标后生成跟随指示信息；

所述地面站控制模块通过所述地面通信模块接收到所述跟随指示信息后，生成振动指令并将所述振动指令传输至所述控制摇杆，以控制所述控制摇杆振动。

7.如权利要求3～6中任一项所述的系统，其特征在于，所述地面控制装置还包括：

数据存储模块，其与所述地面通信模块连接，用于对所述地面通信模块传输来的数据进行存储。

8.如权利要求1～7中任一项所述的系统，其特征在于，所述云台摄像装置包括双轴陀螺稳定云台，所述双轴陀螺稳定云台通过两轴两框架结构固定挂载在所述多旋翼无人机正下方。

9.如权利要求1～8中任一项所述的系统，其特征在于，所述机载光学瞄准装置包括CCD摄像模块、红外灯以及感光模块，其中，

所述感光模块与所述红外灯连接，其用于采集所述探测区域的光线强度信息，当所述探测区域的光线强度小于预设光线强度阈值时，所述感光模块生成红外灯开启指令并将所述红外灯开启指令发送至所述红外灯，以开启所述红外灯。