CN108762291B - 一种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法与系统 - Google Patents
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Abstract
一种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法与系统，系统由无人机、测向定位装置、飞控和通信模块、摄像头及云台和地面设备等组成。其中，无人机是整个系统的升空平台；测向定位装置对无人机遥控信号进行测向定位；飞控和通信模块一方面控制整个黑飞无人机系统，另一方面用来与地面设备进行通信；摄像头及云台用于搜寻并追踪黑飞无人机目标；地面设备用于地面用户遥控己方无人机并收发交互信息；系统有三种工作状态：搜寻状态、定位状态、跟踪状态。本发明利用无人机平台升空识别、跟踪并抵近黑飞无人机，对地面遥控信号进行连续测向定位，从而实现定位并追踪黑飞无人机遥控者的目的。
Description
技术领域
本发明属于追踪监控技术领域，特别涉及一种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法与系统。
背景技术
随着无人机技术的不断进步和完善，无人机的应用越来越广泛。由此也产生一定的安全隐患，如何对无人机进行有效管控，已经越来越受到关注。目前主要的注意力都集中的黑飞无人机上，各种干扰、欺骗、捕获、攻击手段均针对黑飞无人机，而对于黑飞无人机遥控者，则缺乏发现和定位的技术手段。因而对于治理黑飞无人机，很难从源头上解决问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法，可利用无人机升空来发现并定位黑飞无人机遥控者，从而有利于从源头打击黑飞无人机行为。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法，包括下述步骤：
步骤1，利用无人机1搭载测向定位装置2和摄像头及云台4升空；
步骤2，无人机1升空后，进入搜寻状态，利用摄像头4基于可见光或红外图像，在空中搜寻并识别黑飞无人机；
步骤3，通过通信控制模块3向地面设备5发送预警信息，根据事先设定或者自动转入跟踪状态，或者接受来自地面设备5的指令转入跟踪状态，进入跟踪状态后，无人机1抵近黑飞无人机并保持一定距离跟踪飞行；
步骤4，利用测向定位装置2检测黑飞无人机遥控信号，并进行连续的测向和定位，进入定位状态；
步骤5，在定位状态，通过通信控制模块3向地面设备5连续发送黑飞无人机的信息。
步骤6，地面设备5内置通信控制模块接收黑飞无人机位置信息。
所述搜寻状态下，控制摄像头及云台4在俯仰和偏航两个方向进行转动，连续获得空中可见光或红外图像，并利用图像目标识别方法识别黑飞无人机目标，形成待选跟踪目标库。
所述摄像头为可见光摄像头或红外摄像头，采用连续单目或双目识别对黑飞无人机进行目标搜索和识别。
所述跟踪状态下，无人机1按照保持安全距离限定下抵近伴飞，其控制方法如下：
无人机1的高度控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，使得云台4回归到俯仰初始位置，产生无人机1俯仰方向的飞行控制指令。
无人机1的偏航控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，使得云台4回归到偏航初始位置，产生无人机1偏航方向的飞行控制指令。
无人机1抵近黑飞无人机的距离控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，保持云台在初始位置，保持黑飞无人机在视场中的目标规定大小，产生控制无人机1的飞行控制指令，并实现保持安全距离限定伴飞。
所述测向定位装置2可以为以下几种：
正交配置的双干涉仪，同时测向定位；
阵列天线，采用DOA估计方法实现测向定位；
单干涉仪，定位方法是旋转测向定位；
所述黑飞无人机遥控者定位方法，也可采用多架空中无人机平台相互之间通信利用多站无源定位方法进行定位。
所述发送的黑飞无人机的信息，其内容包括但不限于无人机飞行控制信号、黑飞无人机位置信息，黑飞无人机遥控者位置估计信息，摄像头采集的图像或视频信号等。
本发明还提供了一种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的系统，包括：
无人机1，作为升空平台，包含卫星导航定位装置；
测向定位装置2，装载于无人机1上，用于检测并定位黑飞无人机遥控信号；
摄像头及云台4，装载于无人机1上，用于搜寻并追踪目标；
通信控制模块3，用于实现无人机1与地面设备5之间的通信与控制；
地面设备5，用于对无人机1进行遥控，包括通信控制模块、无人机遥控模块和信息显示模块。
上述发现和跟踪黑飞无人机遥控者的系统，其特征在于，系统设置三种状态，分别是：
搜寻状态：无人机1按规划好的航线飞行，或者在地面遥控者的实时控制下飞行，测向定位装置2搜寻黑飞无人机遥控信号，摄像头4基于可见光或红外图像/视频搜寻黑飞无人机；
跟踪状态：事先设定或用户指定黑飞无人机目标后，融合摄像头4基于可见光或红外图像/视频获得的目标位置信息、摄像头云台捷联信息、无人机1位置信息选择合适的导引律输出无人机1控制指令，控制空中无人机1按照保持设定的安全距离限定下抵近黑飞无人机跟踪伴飞。
定位状态：保持无人机1抵近黑飞无人机跟踪伴飞状态，测向定位装置2获取地面遥控者方位信息，并在无人机1飞行过程中进行连续测向，利用无人机1自身的位置、速度信息和测向信息，进行单目标无源跟踪定位，获取黑飞无人机遥控者位置估计信息。通信控制模块3向地面设备传递定位的无人机飞行控制信号、黑飞无人机位置信息、黑飞无人机遥控者位置估计信息、以及摄像头采集的视频信号等。
与现有方法相比，本发明的有益效果是：采用类似“空中警察”的无人机跟踪黑飞无人机抵近飞行，使得无人机可以接收到和黑飞无人机同样强度的遥控信号，从空中利用遥控信号对地面遥控者进行定位也避免了在地面对遥控信号进行测向定位时遇到地面建筑物阻挡、反射和多径引起的定位困难。本发明提出的方法和系统成本低，效果显著，因此，本发明可以有效的实现对黑飞无人机遥控者进行定位，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明系统组成框图。
图2为本发明系统应用场景示意图。
图3为本发明系统空中无人机部分组成示意图。
图4为本发明系统地面设备组成示意图。
图5为本发明系统无人机跟踪黑飞无人机抵近飞行控制策略示意图。
图6为本发明系统测向定位装置连续测向定位遥控者示意图。
图7为测量定位原理示意图。
图8为测量定位原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的系统，主要由无人机1、测向定位装置2、控制通信模块3、摄像头4和地面设备5组成。
其中：
无人机1是整个系统的升空平台。
测向定位装置2搭载在无人机1上，功能是对黑飞无人机遥控信号进行测向，可以为正交配置的双干涉仪(同时测向定位)，或为阵列天线(DOA估计方法测向定位)，或为单干涉仪，定位方法是旋转测向定位。
通信控制模块3有两项功能，一是整个无人机系统的控制，二是用来与地面设备5进行射频通信，通信内容包括无人机飞行控制信号、黑飞无人机位置信息、测向定位装置2采集的测向定位信号、摄像头4采集的视频信号等。
摄像头及云台4搭载在无人机1上，摄像头有两种规格，一种是电视摄像头，另一种是红外摄像头，具体使用哪一种摄像头由用户选择决定。
地面设备5是用户对无人机进行遥控的平台，具有无人机飞行遥控模块，并能够接受空中无人机1信号，获取黑飞无人机目标信息、遥控者定位信息。
系统有三种工作状态：搜寻状态、跟踪状态、定位状态。
搜寻状态：无人机1按规划好的航线飞行，或者在地面遥控者的实时控制下飞行，通过控制无人机的转动角和云台，利用摄像头连续不断的基于可见光或红外图像，在空中搜寻，并利用图像识别方法黑飞无人机，并将黑飞无人机信息利用通信控制模块3传回地面设备，当有多架黑飞无人机目标时，地面设备将接收到黑飞无人机目标列表。
跟踪状态：用户在地面设备5上选择和确定了黑飞无人机目标后，将选择信息发送给无人机1，融合摄像头基于可见光或红外图像/视频获得的目标位置信息、摄像头云台捷联信息、无人机1位置信息选择合适的导引律输出无人机1控制指令，控制空中无人机1按照保持设定的安全距离限定下抵近黑飞无人机跟踪伴飞。
定位状态：保持无人机1抵近黑飞无人机跟踪伴飞状态，测向定位装置2检测黑飞无人机遥控信号(射频信号)，测向定位装置2获取地面遥控者方位信息，并在无人机1飞行过程中进行连续测向，利用无人机1自身的位置、速度信息和测向信息，进行单目标无源跟踪定位，获取黑飞无人机遥控者位置估计信息。通信控制模块3向地面设备传递定位的无人机飞行控制信号、黑飞无人机位置信息、黑飞无人机遥控者位置估计信息、以及摄像头采集的视频信号等。
图2为本发明系统应用场景示意图。
图3为本发明系统空中无人机部分组成示意图。该实例中，摄像头安装在云台上，云台与无人机捷联。测向定位装置为阵列天线阵，阵列天线阵与无人机支架共形设计，另外还包括通信控制模块及电源组件。
图4给出了本发明系统中地面设备组成示意图，包括按键51、遥控模块52、显示屏53和通信模块54。该实例中，地面设备类似于通用的无人机遥控器，额外添加了信息显示屏53和输入按键51等组件，用来接收信息显示和用户指令输入。
图5给出了本发明系统无人机跟踪黑飞无人机抵近飞行控制策略示意图。具体策略如下：
无人机1的高度控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，使得云台回归到俯仰初始位置，产生无人机1俯仰方向的飞行控制指令。
无人机1的偏航控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，使得云台回归到偏航初始位置，产生无人机1偏航方向的飞行控制指令。
无人机1抵近黑飞无人机的距离控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，保持云台在初始位置，保持黑飞无人机在视场中的目标规定大小，产生控制无人机1的飞行控制指令，并实现保持安全距离限定伴飞。
图6为本发明系统采用天线阵结构的测向定位装置连续测向定位遥控者示意图。由于无人机1在空中是移动的，在定位状态，天线阵结构的测向定位装置可以连续输出遥控者方向，如图6所示，在无人机1分别位于位置#1、位置#2、位置#3可连续获得三个遥控者方向，根据交叉定位原理，就可以估计出遥控者位置。
图7、图8以由两个对称振子天线组成的单干涉仪为例，采用旋转测向方法定位的方法：以两个对称振子天线的连线为基线，保持基线水平，如图7，XOY面为地面，地面信号源与基线之间的角度为θ1，控制通信模块3将θ1的值和无人机1的位置信息发送给地面设备5，地面设备5通过自带的地理信息系统，计算得到抛物线a，然后控制无人机1原地旋转90度，如图8所示，以同样方法得到地面信号源与基线之间的角度θ2以及抛物线b；继续解算出抛物线a和抛物线b的交点位置坐标，该交点位置就是信号辐射源位置，也即黑飞无人机遥控者的位置。实际工作中，上述定位过程可多次进行，距离越近定位精度越高。
Claims (7)
1.一种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1，利用无人机（1）搭载测向定位装置（2）和摄像头及云台（4）升空；
步骤2，无人机（1）升空后，进入搜寻状态，利用摄像头基于可见光或红外图像，在空中搜寻并识别黑飞无人机，所述摄像头为可见光摄像头或红外摄像头，采用连续单目或双目识别对黑飞无人机进行目标搜索和识别；
步骤3，在识别到黑飞无人机后，通过通信控制模块（3）向地面设备（5）发送预警信息，根据事先设定或者自动转入跟踪状态，或者接受来自地面设备（5）的指令转入跟踪状态，进入跟踪状态后，无人机（1）抵近黑飞无人机并保持一定距离跟踪飞行，使得无人机（1）接收到和黑飞无人机同样强度的遥控信号；
步骤4，利用测向定位装置（2）检测黑飞无人机遥控信号，并进行连续的测向和定位，进入定位状态；所述测向定位装置（2）为正交配置的双干涉仪，同时测向定位；或者，所述测向定位装置（2）为阵列天线，采用DOA估计方法实现测向定位；或者，所述测向定位装置（2）为单干涉仪，定位方法是旋转测向定位；
步骤5，在定位状态，通过通信控制模块（3）向地面设备（5）连续发送黑飞无人机的信息，包括黑飞无人机位置信息、黑飞无人机遥控者位置估计信息以及摄像头采集的图像或视频信号；
步骤6，地面设备（5）内置通信控制模块接收黑飞无人机位置信息。
2.根据权利要求1所述发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法，其特征在于，所述搜寻状态下，控制摄像头及云台（4）在俯仰和偏航两个方向进行转动，连续获得空中可见光或红外图像，并利用传统图像目标识别方法识别黑飞无人机目标，形成待选跟踪目标库。
3.根据权利要求1所述发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法，其特征在于，所述跟踪状态下，无人机（1）按照保持安全距离限定下抵近伴飞。
4.根据权利要求3所述发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法，其特征在于，所述抵近伴飞的控制方法如下：
无人机（1）的高度控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，并使得云台回归到俯仰初始位置，产生无人机（1）俯仰方向的飞行控制指令；
无人机（1）的偏航控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，并使得云台回归到偏航初始位置，产生无人机（1）偏航方向的飞行控制指令；
无人机（1）抵近黑飞无人机的距离控制：确实定黑飞无人机目标后，按照保持黑飞无人机在视场的中间位置，保持云台在初始位置，保持黑飞无人机在视场中的目标规定大小，产生控制无人机（1）的飞行控制指令，并实现保持安全距离限定伴飞。
5.根据权利要求1所述发现和跟踪黑飞无人机遥控者的方法，其特征在于，所述步骤4中，采用多架空中无人机平台相互之间通信利用多站无源定位方法进行定位。
6.一种发现和跟踪黑飞无人机遥控者的系统，其特征在于，包括：
无人机（1），作为升空平台，包含卫星导航定位装置；
测向定位装置（2），装载于无人机（1）上，用于检测并定位黑飞无人机遥控信号；所述测向定位装置（2）为正交配置的双干涉仪，同时测向定位；或者，所述测向定位装置（2）为阵列天线，采用DOA估计方法实现测向定位；或者，所述测向定位装置（2）为单干涉仪，定位方法是旋转测向定位；
摄像头及云台（4），装载于无人机（1）上，用于搜寻并追踪目标；
通信控制模块（3），用于实现无人机（1）与地面设备（5）之间的通信与控制；
地面设备（5），用于对无人机（1）进行遥控，包括通信控制模块、无人机遥控模块和信息显示模块。
7.根据权利要求6所述发现和跟踪黑飞无人机遥控者的系统，其特征在于，系统设置三种状态，分别是：
搜寻状态：无人机（1）按规划好的航线飞行，或者在地面遥控者的实时控制下飞行，测向定位装置（2）搜寻黑飞无人机遥控信号，摄像头基于可见光或红外图像/视频搜寻黑飞无人机；
跟踪状态：事先设定或用户指定黑飞无人机目标后，融合摄像头基于可见光或红外图像/视频获得的目标位置信息、摄像头云台捷联信息、无人机（1）位置信息选择合适的导引律输出无人机（1）控制指令，控制空中无人机（1）按照保持设定的安全距离限定下抵近黑飞无人机跟踪伴飞；
定位状态：保持无人机（1）抵近黑飞无人机跟踪伴飞状态，测向定位装置（2）获取地面遥控者方位信息，并在无人机（1）飞行过程中进行连续测向，利用无人机（1）自身的位置、速度信息和测向信息，进行单目标无源跟踪定位，获取黑飞无人机遥控者位置估计信息，通信控制模块（3）向地面设备传递定位的无人机飞行控制信号、黑飞无人机位置信息、黑飞无人机遥控者位置估计信息以及摄像头采集的视频信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A method and system for detecting and tracking the remote controller of Heifei UAV Effective date of registration: 20221107 Granted publication date: 20220114 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: XI'AN DAHENG TIANCHENG IT Co.,Ltd. Registration number: Y2022610000722 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20231221 Granted publication date: 20220114 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: XI'AN DAHENG TIANCHENG IT Co.,Ltd. Registration number: Y2022610000722 |