CN108227724A - 一种基于智能移动设备的探测及制导一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，智能移动设备设置于飞行器上，且连接传感伺服控制器，采集并计算飞行器的姿态和位置信息，发送到传感伺服控制器进行控制，并且对检测目标进行跟踪；传感伺服控制器连接飞行器的执行机构，发送控制命令，驱动飞行器动作。本发明由于智能移动设备与传感伺服控制器之间的数据连接方式为USB连接或蓝牙连接，从而保证了数据传输的稳定性和精确性，由于智能移动设备中设置有能够调用的前后摄像头，并通过3G/4G/wifi网络实时传输，用户可在飞行器跟踪过程中设置或修改被跟踪目标，并使实时图像不只局限于操纵者本人观看，成本低，操作简单，稳定性及可拓展性好，适用于大面积推广和使用。

Description

一种基于智能移动设备的探测及制导一体化系统

技术领域

本发明涉及飞行器制导领域，具体地说是一种基于智能移动设备的探测及制导一体化系统。

背景技术

估计器与导引律是导弹的重要组成部分，其中估计器的作用是为导弹提供目标运动信息，导引律的作用则是根据导引头和估计器提供的信息产生过载指令,控制导弹命中目标。传统的估计器与导引律采用分离的设计方案，但是在非线性的末制导系统中，估计器与导引律之间是相互影响的，不能分离设计。然而，严格来讲，目前并没有一套较为完善的估计器与导引律的综合设计方法，考虑估计器与导引律之间的相互影响，本文提出一种切实合理且性能优良的估计器与导引律的综合设计方法，从而简化了分析和设计过程。

而探测、制导一体化系统需搭载摄像头获取图像信息进一步处理来实现目标的识别与跟踪；需要加速度计、陀螺仪、气压计、GPS、磁力计等多种传感器，从而感知飞行器的运动状态，实现飞行器的稳定控制；以及CPU、GPU进行数据运算和RAM、ROM用来数据缓存和存贮。目前飞行器制导控制系统方案，利用各个分散的传感器模块和运算单元，实现飞行器的导航、控制功能。各传感器模块与运算单元相对独立，装配、调试成本高，系统复杂不便于管理和更新。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于智能移动设备的探测及制导一体化系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，包括：

智能移动设备设置于飞行器上，且连接传感伺服控制器，采集并计算飞行器的姿态和位置信息，发送到传感伺服控制器进行控制，并且对检测目标进行跟踪；

传感伺服控制器连接飞行器的执行机构，发送控制命令，驱动飞行器动作。

所述智能移动设备包括：

加速度计，连接处理器，采集加速度信息，发送到处理器进行处理；

陀螺仪，连接处理器，采集姿态信息，发送到处理器进行处理；

磁场计，连接处理器，采集磁场信息，发送到处理器进行处理；

GPS接收器，连接处理器，接收位置信息，发送到处理器进行处理；

触摸显示屏，连接处理器，用于信息显示以及命令输入。

所述传感伺服控制器包括：

微控制器，通过PWM生成定时器连接飞行器的执行机构；

PWM捕获定时器一端通过接收机连接遥控器，接收遥控器发出的控制信号，另一端连接微控制器，将控制信号发送到微控制器，进行控制；

AD采集器一端连接电源模块，另一端连接微控制器，电源电压转换后为传感伺服控制器供电。

所述遥控器与传感器伺服控制器之间为有线连接和/或无线连接。

在所述智能移动设备上设置摄像头，用于采集图像。

所述摄像头为前后设置，用于采集前方和后方图像。

所述智能移动设备通过3G/4G/wifi网络实时远程传输。

所述智能移动设备与飞行器之间设置减震装置。

所述智能移动设备与传感伺服控制器之间通过USB和/或蓝牙连接。

所述处理器通过目标检测跟踪程序对目标进行检测和跟踪，通过制导程序获取初步控制指令。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明成本低，操作简单，稳定性及可拓展性好，适用于大面积推广和使用；

2.本发明由于智能移动设备与传感伺服控制器之间的数据连接方式为USB连接或蓝牙连接，从而保证了数据传输的稳定性和精确性；

3.本发明由于智能移动设备中设置有能够调用的前后摄像头，并通过3G/4G/wifi网络实时传输，使实时图像不只局限于操纵者本人观看。

附图说明

图1是本发明的硬件结构图；

图2是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的硬件结构图。

目标检测跟踪系统，通过将移动设备内部的目标检测跟踪程序通过运算获取目标位置，并对目标进行实时跟踪。当飞行器到达指定区域，GPS模块发送信息自动启动目标检测跟踪系统后，由摄像头获取实时图像并传输到远程终端。可由用户在远程终端手动选定跟踪目标；也可由智能移动设备中的目标检测程序通过图像处理模式识别算法自动检测到预先设置好的目标并进行跟踪。跟踪过程中，通过图像处理模块实时对获取的与被跟踪目标相对位置的运算，控制飞行器的飞行状态，以实现更好的跟踪效果。

制导系统，通过将移动设备内部传感器计算获得飞行器准确的姿态、位置信息，由智能移动设备内部的制导程序进行运算获取初步控制指令，经由USB口或蓝牙接口发送到传感伺服控制器，进而驱动飞行器的执行机构进一步处理后，实现飞行器的稳定控制。

所述的智能移动设备，搭载加速度计、陀螺仪等飞行器制导所必须的部分传感器。智能移动设备在本发明的制导系统中起主要的传感、计算、人机交互等作用。

固定于飞行器上且依次连接的智能移动设备、传感伺服控制器、执行机构、动力电源、减震装置；智能移动设备内设置有:触摸显示屏、陀螺仪、加速度计、GPS和磁场计、移动设备中央处理器、前后摄像头、3G/4G/wifi无线通讯模块、移动设备电池；传感伺服控制器内设置有：定时器和AD采样器；传感伺服控制器中设置有连接至飞行器执行机构的PWM生成定时器。传感伺服控制器中的定时器包括：PWM捕获定时器和PWM生成定时器。智能移动设备与传感伺服控制器之间的数据连接方式为USB连接或蓝牙连接。执行机构由动力电源供电，传感伺服控制器由移动设备电池供电。

作为优选，智能移动设备部件可更换升级。根据具体使用环境和精度要求，可选用红外摄像头以及精度更高的传感器作为辅助部件。

作为优选，制导系统可连接无线遥控设备。连接时，由传感伺服控制器连接遥控设备的接收机，由操纵者持遥控发射机飞行器。

所述的传感伺服控制器通过USB或蓝牙方式与智能移动设备实现数据连接，接收智能移动设备发送来的制导计算结果，经进一步处理后，生成最终控制指令，发送给飞行器的执行机构。

智能移动设备内有制导所需的部分传感器(例如陀螺仪、加速度计等)，通过移动设备自带的运动状态估计程序，将传感器数据组合、融合后，经过、虑波、微分、积分等运算处理，最终获得飞行器的运动状态的估计值。通过将解算得到的运动状态与期望运动状态对比，采用PID或其他控制算法，获取初步的控制指令。这里，期望运动状态为飞行器接收到的操纵者的指令状态，或飞行器在自动执行任务时为满足任务需求而由程序计算得出的目标状态。通过获取运动状态向量与期望运动状态向量相减获取两者的偏差，对此偏差进行微分、积分和增益运算后，将此三者经线性或非线性组合，生成初步的控制指令。

初步控制指令由USB接口或蓝牙接口发送给传感伺服控制器。传感伺服控制器对从智能移动设备接收到的初步控制指令进行进一步处理，然后将处理结果通过PWM生成定时器生成飞行器执行机构可辨识的控制信号，进而发出控制指令。

飞行器执行机构在接收到控制指令后，改变飞行器的运动状态，达到期望的飞行状态。

智能移动设备中设置有能够调用的前后摄像头，并通过3G/4G/wifi网络实时远程传输图像或视频。

本发明也可不整体使用智能移动设备，而将智能移动设备拆开，仅用智能移动设备中的部分装置。

因系统为每一个应用分配有限的资源，当同一个应用同时执行两或以上数目相当消耗系统资源的任务时，这些资源便会在时间维度上展开资源的争夺，可能导致某些任务间歇性停顿。这种情况也出现在了制导应用程序中，在同一个应用内部，负责拍照摄像的进程与负责传感器数据采集的进程极易发生资源争夺。导致在利用移动设备前后摄像头拍摄时，飞行器会因传感器数据停止刷新而无法正常获取信息。

本发明中将拍照摄像功能打包成插件。因制导应用程序与插件在原理上属于两不同的应用，因此系统会平等地为它们分配足量的系统资源，进而保证了传感器数据采集与拍照摄像这两项任务同时无障碍运行。制导应用程序与其拍照摄像插件通过系统内部应用程序间的通信方案进行信息传递。由于两者间的信息传递非常快，采用此种方案的航拍体验非常流畅，同时不会出现因航拍造成传感器数据卡顿而造成的延迟现象。

如图2所示是本发明的方法流程图。

图2中位于中间的流程为制导流程，左侧为拍照摄像流程，右侧为传感伺服控制流程。

本段说明制导流程。系统在智能移动设备端，由用户启动。用户在智能移动设备端启动制导程序后，等待用户发出起飞指令。此起飞指令由用户操作屏幕或由遥控器发出。待接收到起飞指令后，判断飞行器采用自主飞行模式或遥控飞行模式，判断依据为用户的设置或实时发出的指令。自主飞行模式下，无需用户的遥控信号，否则需从传感伺服控制器读取用户的遥控指令。此后，获取移动设备搭载的传感器信息，完成当前飞行器的姿态解算。接下来进行制导解算，具体为解算飞行器为完成飞行任务所需的目标姿态角。然后进行控制解算，具体为利用当前姿态角与目标姿态角的偏差，进行一系列的比例、积分、微分、限幅等线性或非线性运算后，生成初步控制指令。将此初步控制指令发送传感伺服控制器后，实时更新智能移动设备屏幕显示的状态信息，随后检测用户的终止飞行指令，若不终止飞行，继续循环计算，否则终止飞行。

本段说明传感伺服流程。当传感伺服控制器接收到智能移动设备的启动指令后，启动传感伺服流程。首先捕获操纵者的遥控信号，采用传感伺服控制器搭载的PWM捕获控制器或串行端口等其他端口。然后将遥控指令信息经由USB或蓝牙发送给移动设备上的制导程序。然后等待接收由智能移动设备发送的初步控制信号，并对其进行处理，发送执行机构驱动飞行器改变运动状态，最终实现飞行器的稳定控制。

本段说明拍照摄像流程。拍照摄像流程在系统启动后自动启动，与制导流程相独立。当用户发出拍照摄像指令后，启动拍照摄像插件。拍照摄像插件是独立于制导程序的另一个应用程序。执行拍照或摄像后，若需要实时传输，通过3G/4G/wifi网络将获得的多帧图像传输出去，并进行目标识别、跟踪等图像处理算法，以此往复循环，待收到停止拍照摄像指令后停止。

Claims (10)

1.一种基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于包括：

智能移动设备设置于飞行器上，且连接传感伺服控制器，采集并计算飞行器的姿态和位置信息，发送到传感伺服控制器进行控制，并且对检测目标进行跟踪；

传感伺服控制器连接飞行器的执行机构，发送控制命令，驱动飞行器动作。

2.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于：所述智能移动设备包括：

加速度计，连接处理器，采集加速度信息，发送到处理器进行处理；

陀螺仪，连接处理器，采集姿态信息，发送到处理器进行处理；

磁场计，连接处理器，采集磁场信息，发送到处理器进行处理；

GPS接收器，连接处理器，接收位置信息，发送到处理器进行处理；

触摸显示屏，连接处理器，用于信息显示以及命令输入。

3.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于，所述传感伺服控制器包括：

微控制器，通过PWM生成定时器连接飞行器的执行机构；

PWM捕获定时器一端通过接收机连接遥控器，接收遥控器发出的控制信号，另一端连接微控制器，将控制信号发送到微控制器，进行控制；

AD采集器一端连接电源模块，另一端连接微控制器，电源电压转换后为传感伺服控制器供电。

4.根据权利要求3所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于：所述遥控器与传感器伺服控制器之间为有线连接和/或无线连接。

5.根据权利要求2所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于：在所述智能移动设备上设置摄像头，用于采集图像。

6.根据权利要求5所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于：所述摄像头为前后设置，用于采集前方和后方图像。

7.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于：所述智能移动设备通过3G/4G/wifi网络实时远程传输。

8.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于：所述智能移动设备与飞行器之间设置减震装置。

9.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于：所述智能移动设备与传感伺服控制器之间通过USB和/或蓝牙连接。

10.根据权利要求2所述的基于智能移动设备的探测及制导一体化系统，其特征在于：所述处理器通过目标检测跟踪程序对目标进行检测和跟踪，通过制导程序获取初步控制指令。