CN109269352B - 一种基于地面探测的无人机跟踪目标方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地面探测的无人机跟踪目标方法及系统，方法包括，通过设置在地面的光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索；确认搜索目标后，光电跟踪装置转入目标跟踪，并实时输出目标信息到地面控制站；地面控制站解算目标位置坐标，预测目标飞行路径，实时发送给抓捕无人机确定自身位置和飞行路径，跟踪接近所述目标，进行抛网抓捕。本发明通过设置在地面的光电跟踪装置可实现跟踪距离1公里以上；通过采用差分GPS定位方案，对光电跟踪装置和抓捕无人机进行精确定位，使两者之间的相对GPS位置误差将缩小至厘米级，大大提高系统的跟踪精度系统，便于抓捕无人机准确的发现“低慢小”目标进行抛网抓捕。

Description

一种基于地面探测的无人机跟踪目标方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是一种基于地面探测的无人机跟踪目标方法及系统。

背景技术

近年来，如何对“低慢小”目标进行有效管控已成为世界性难题。目前，管控“低慢小”目标，例如黑飞无人机的手段有电磁干扰、激光拦截等方式，但电磁干扰存在拦截概率低、适用性差等问题，激光拦截存在使用维护成本高、易造成二次伤害等问题。利用无人机搭载抛网装置，对快速跟踪接近目标进行网式软杀伤拦截是一种管控“低慢小”目标的可行方式。目前，对于无人机跟踪移动目标主要是采用机载视觉导引技术，但是利用机载视觉技术受视场影响，跟踪距离有限，不能远距离接近目标，且必须保证跟踪开始时目标必须在视场范围内。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于地面探测的无人机跟踪目标方法及系统，解决机载视觉导引技术视场影响问题，实现对“低慢小”目标的远距离探测、锁定、位置解算和导引，以便于后续无人机的抛网拦截处置。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于地面探测的无人机跟踪目标方法，包括，

通过设置在地面的光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索；

确认搜索到所述目标后，光电跟踪装置转入目标跟踪，并实时输出目标信息到地面控制站；

所述地面控制站根据所述目标信息，解算目标位置坐标，预测目标飞行路径，实时发送给所述抓捕无人机；

所述抓捕无人机根据所述目标的位置坐标和飞行路径，确定自身位置和飞行路径，跟踪接近所述目标，进行抛网抓捕。

进一步地，所述光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索，包括：

1)在短焦距大视场的情况下进行目标搜索；

2)搜索到“低慢小”目标后，调整焦距放大目标图像；

3)根据目标图像进行目标识别和确认，锁定目标区域，对目标进行测距。

进一步地，通过目标图像的灰度值特征对目标进行识别确认；通过在图像中的目标周围叠加矩形窗口进行目标区域锁定。

进一步地，所述目标跟踪采用质心跟踪法，使用光电跟踪装置对准目标灰度区域的质心，不断计算跟踪目标质心的方位脱靶量与俯仰脱靶量，依据方位脱靶量与俯仰脱靶量控制转台自动调转，使光电跟踪装置尽可能对准目标质心，保证目标的稳定跟踪，不至于脱离视场。

进一步地，输出的目标信息包括目标测距值、转台的方位角与俯仰角、以及目标的方位脱靶量与俯仰脱靶量以及各个信息相应的时标。

进一步地，所述解算出目标位置坐标为GPS位置坐标，解算方法包括，

1)根据所述光电跟踪装置测量的目标测距值、方位角以及俯仰角，解算目标在光电跟踪装置坐标系的坐标；

2)对所述光电跟踪装置进行GPS定位，得到的光电跟踪装置零位偏北角，将目标坐标转换至NED标系下；

3)根据光电跟踪装置GPS位置，将目标位置由NED坐标系转换得到目标GPS位置。

进一步地，所述目标的飞行路线预测根据目标当前运动的GPS数据，利用卡尔曼滤波算法预测目标下一时刻将出现的位置。

进一步地，抓捕无人机平台的位置和光电跟踪装置的位置都为GPS位置坐标；所述GPS位置坐标采用同样的GPS差分算法获得，并且，抓捕无人机平台GPS位置坐标的差分基准站与光电跟踪装置GPS位置坐标的差分基准站为同一基准站。

有益效果如下：

通过设置在地面的光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索、跟踪，可以对目标进行大功率光电搜索、跟踪，跟踪距离远，可达1公里以上；避免了只依靠抓捕无人机进行目标搜索、跟踪，由于装机空间和功率影响造成的跟踪距离短的问题；

通过采用差分GPS定位方案，对光电跟踪装置和抓捕无人机进行精确定位，减小了定位误差，使根据光电跟踪装置位置确定的“低慢小”目标的位置和抓捕无人机的位置更加精确；而且光电跟踪装置和抓捕无人机的GPS位置的测量都基于同一基准站，使两者之间的相对GPS位置误差将缩小至厘米级，大大提高系统的跟踪精度系统，便于抓捕无人机准确的发现“低慢小”目标进行抛网抓捕。

一种基于地面探测的无人机跟踪目标系统，包括光电跟踪装置、地面控制站和抓捕无人机；

所述光电跟踪装置，通过包括三脚架在内的工装固定于地面，通过电缆连接所述地面控制站，用于对空中“低慢小”目标进行搜索、锁定和跟踪，输出目标信息到地面控制站；

所述地面控制站接收光电跟踪装置的输出目标信息，解算目标位置坐标，预测目标飞行路径；

所述地面控制站与所述抓捕无人机建立无线数传链路，将目标位置坐标和飞行路径发送给所述抓捕无人机；

所述抓捕无人机，根据所述目标的位置坐标和飞行路径，确定自身位置和飞行路径，跟踪接近所述“低慢小”目标，进行抛网抓捕。

进一步地，还包括差分GPS基站和第一、第二GPS移动站；

所述第一GPS移动站固定于光电跟踪装置，用于测量光电跟踪装置的GPS位置及偏北角；

第二GPS移动站安装在抓捕无人机上，用于对抓捕无人机进行GPS定位；

所述差分GPS基准站通过包括三脚架在内的工装固定于地面固定地点；

所述第一GPS移动站、第二GPS移动站，都通过差分GPS基准站，分别对所述光电跟踪装置和所示抓捕无人机进行GPS差分定位。

有益效果如下：

通过设置在地面的光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索、跟踪，可以对目标进行大功率光电搜索、跟踪，跟踪距离远，可达1公里以上；避免了只依靠抓捕无人机进行目标搜索、跟踪，由于装机空间和功率影响造成的跟踪距离短的问题；

通过采用差分GPS定位方案，对光电跟踪装置和抓捕无人机进行精确定位，减小了定位误差，使根据光电跟踪装置位置确定的“低慢小”目标的位置和抓捕无人机的位置更加精确；而且光电跟踪装置和抓捕无人机的GPS位置的测量都基于同一基准站，使两者之间的相对GPS位置误差将缩小至厘米级，大大提高系统的跟踪精度系统，便于抓捕无人机准确的发现“低慢小”目标进行抛网抓捕。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的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所写的说明书、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

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的无人机跟踪目标方法流程图；

图2为本发明实施例中的无人机跟踪目标系统组成连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例提供了一种基于地面探测的无人机跟踪目标方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、通过设置在地面的光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索；

本实施例采用的光电跟踪装置设置具有短焦距大视角搜索能力，能够在方位±135°，俯仰0～90°的范围进行对空搜索；

具体的，目标搜索方法包括：

1)在短焦距大视场的情况下进行大范围目标搜索；

2)搜索到“低慢小”目标后，调整焦距缩小视角放大目标图像；

3)根据目标图像进行目标识别和确认，并且锁定目标区域，对目标进行测距。

特殊的，通过目标图像的灰度值特征进行目标的识别和确认；通过在图像中的目标周围叠加矩形窗口锁定目标区域；

由于，在空中背景下，环境灰度值与目标灰度值有明显差异，设定灰度值的阈值，通过判断超过阈值范围的小块灰度值区域即能发现目标；

由于，空中目标在图像中并不是一个点，而是一片不规则的灰度区域，为了更好的锁定目标，设定锁定目标区域为矩形窗口；所述矩形窗口在地面控制站下达锁定指令，跟踪装置将锁定目标，出现在目标周围，指示目标为要锁定跟踪的目标；矩形窗口大小以能完全包括目标图像灰度区域为准。

特殊的，光电跟踪装置还包括激光测距器，对目标进行激光测距，激光测距通过目标区域锁定指令触发。

步骤S2、确认搜索到所述目标后，光电跟踪装置转入目标跟踪，并实时输出目标信息到地面控制站；

具体的，光电跟踪装置根据目标区域灰度特征完成对目标的图像跟踪；采用质心跟踪法，使用光电跟踪装置对准目标灰度区域的质心，不断计算跟踪目标质心的方位脱靶量与俯仰脱靶量，依据方位脱靶量与俯仰脱靶量控制转台自动调转，使光电跟踪装置尽可能对准目标质心，保证目标的稳定跟踪，不至于脱离视场。

输出的目标信息包括目标距离值、转台的方位角与俯仰角、以及目标的方位脱靶量与俯仰脱靶量以及各个信息相应的时标。

步骤S3、所述地面控制站根据所述目标信息，解算目标位置坐标，预测目标飞行路径，实时发送给所述抓捕无人机；

可选的，本实施例中实时解算出目标的位置坐标为GPS位置坐标；

特殊的，采用GPS差分算法和坐标转换得到目标的GPS位置坐标，具体方法包括，

1)根据光电跟踪装置测量的目标测距值、方位角以及俯仰角，解算目标在光电跟踪装置坐标系的坐标；

2)对光电跟踪装置进行GPS差分测量，得到的光电跟踪装置零位偏北角，并将目标坐标转换至NED(东北地)标系下；

3)根据GPS差分测量的光电跟踪装置GPS位置，将目标位置由NED坐标系转换得到目标GPS位置。

本实施例的“低慢小”目标飞行路线预测根据目标当前运动的GPS数据，利用卡尔曼滤波算法，实现飞行路线预测；并将预测目标下一时刻将出现的位置，与目标当前位置一并发送至抓捕无人机平台。

步骤S4、所述抓捕无人机根据所述目标的位置坐标和飞行路径，确定自身位置和飞行路径，跟踪接近所述目标，进行抛网抓捕。

具体的，本实施例中的抓捕无人机平台的位置为GPS位置坐标；所述GPS位置坐标采用GPS差分算法获得。

特殊的，抓捕无人机平台GPS位置坐标的差分基准站与光电跟踪装置GPS位置坐标的差分基准站为同一基准站。

抓捕无人机的飞行路径导引方法包括，

首先，抓捕无人机在距离目标较远时，按照朝向目标预测位置的航向角，以自身最大速度接近抓捕目标；

当靠近抓捕目标到预定距离值后，将解算目标速度，融合目标速度与目标距离，设计无人机速度控制算法，控制无人机既能快速追踪，又防止跟踪超调。

具体的，无人机速度控制算法，以PID控制为基础，进行分段控制，同时，设置相应的速度阈值和距离阈值，结合自身速度、目标速度以及目标距离，与相应的速度阈值和距离阈值进行比较，限定期望速度的大小，即实现快速追踪，同时防止超过速度阈值和距离阈值过分接近抓捕目标，或飞过抓捕目标的问题。

本实施例还提供了一种基于地面探测的无人机跟踪目标系统，包括光电跟踪装置、地面控制站、抓捕无人机以及差分GPS基站与第一、第二GPS移动站，基本组成见图2。

光电跟踪装置，通过三脚架等工装固定于地面，用于跟踪锁定空中目标，且带有激光测距功能，可得到目标相对光电跟踪装置的方位；

第一差分GPS移动站固定于光电跟踪装置，用于测量光电跟踪装置的GPS位置及偏北角；

地面控制站与光电跟踪装置通过电缆连接，接收光电跟踪装置的视频和目标GPS信息；

地面控制站与抓捕无人机建立无线数传链路，将目标GPS信息发送给无人机平台的飞控，便于追踪快速机动目标；

可选的，无线数传链路以5Hz的频率发送解算的目标GPS信息。

第二GPS移动站安装在抓捕无人机上，用于对抓捕无人机进行GPS定位。

差分GPS基准站通过三脚架等工装固定于地面，第一GPS移动站、第二GPS移动站，都通过差分GPS基准站，分别对光电跟踪装置和抓捕无人机进行GPS差分定位，使两者之间的相对GPS位置误差将缩小至厘米级，大大提高系统的跟踪精度。

综上所述，本实施例公开的基于地面探测的无人机跟踪目标方法和系统，通过设置在地面的光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索、跟踪，可以对目标进行大功率光电搜索、跟踪，跟踪距离远，可达1公里以上；避免了只依靠抓捕无人机进行目标搜索、跟踪，由于装机空间和功率影响造成的跟踪距离短的问题；

通过采用差分GPS定位方案，对光电跟踪装置和抓捕无人机进行精确定位，减小了定位误差，使根据光电跟踪装置位置确定的“低慢小”目标的位置和抓捕无人机的位置更加精确；而且光电跟踪装置和抓捕无人机的GPS位置的测量都基于同一基准站，使两者之间的相对GPS位置误差将缩小至厘米级，大大提高系统的跟踪精度系统，便于抓捕无人机准确的发现“低慢小”目标进行抛网抓捕。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于地面探测的无人机跟踪目标方法，其特征在于，包括，

通过设置在地面的光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索；

确认搜索到所述目标后，光电跟踪装置转入目标跟踪，并实时输出目标信息到地面控制站；

所述地面控制站根据所述目标信息，解算出目标位置坐标，预测目标飞行路径，实时发送给抓捕无人机；

所述解算出目标位置坐标为GPS位置坐标，解算方法包括，

1)根据所述光电跟踪装置测量的目标测距值、方位角以及俯仰角，解算目标在光电跟踪装置坐标系的坐标；

2)根据用于差分定位的差分GPS基站，对光电跟踪装置位置进行GPS差分测量，得到光电跟踪装置零位偏北角，并将目标坐标转换至NED坐标系下；

3)根据GPS差分测量的光电跟踪装置GPS位置，将目标位置由NED坐标系转换得到目标GPS位置；

根据目标当前运动的GPS数据，利用卡尔曼滤波算法预测目标下一时刻将出现的位置，进行飞行路线预测，并将预测目标下一时刻将出现的位置，与目标当前位置一并发送至抓捕无人机；

所述抓捕无人机根据所述目标的位置坐标和飞行路径，确定自身位置和飞行路径，跟踪接近所述目标，进行抛网抓捕；

抓捕无人机的位置为GPS位置坐标；所述GPS位置坐标采用GPS差分算法获得；抓捕无人机GPS位置坐标的差分基准站与光电跟踪装置GPS位置坐标的差分基准站为同一基准站；

抓捕无人机的飞行路径导引包括，

抓捕无人机在距离目标较远时，按照朝向目标预测位置的航向角，以自身最大速度接近抓捕目标；

当靠近抓捕目标到预定距离值后，将解算目标速度，融合目标速度与目标距离，以PID控制为基础，进行无人机速度分段控制，同时，设置相应的速度阈值和距离阈值，结合自身速度、目标速度以及目标距离，与相应的速度阈值和距离阈值进行比较，限定期望速度的大小，实现快速追踪；

所述光电跟踪装置对空中“低慢小”目标进行搜索，包括：

1)在短焦距大视场的情况下进行目标搜索；

2)搜索到“低慢小”目标后，调整焦距放大目标图像；

3)根据目标图像进行目标识别和确认，锁定目标区域，对目标进行测距；

通过目标图像的灰度值特征对目标进行识别确认；通过在图像中的目标周围叠加矩形窗口进行目标区域锁定；

所述目标跟踪采用质心跟踪法，使用光电跟踪装置对准目标灰度区域的质心，不断计算跟踪目标质心的方位脱靶量与俯仰脱靶量，依据方位脱靶量与俯仰脱靶量控制转台自动调转，使光电跟踪装置尽可能对准目标质心，保证目标的稳定跟踪，不至于脱离视场。

2.根据权利要求1所述的无人机跟踪目标方法，其特征在于，输出的目标信息包括目标测距值、转台的方位角与俯仰角、以及目标的方位脱靶量与俯仰脱靶量以及各个信息相应的时标。

3.一种根据权利要求1-2任一项所述的无人机跟踪目标方法的无人机跟踪目标系统，其特征在于，包括光电跟踪装置、地面控制站和抓捕无人机；

所述光电跟踪装置，通过包括三脚架在内的工装固定于地面，通过电缆连接所述地面控制站，用于对空中“低慢小”目标进行搜索、锁定和跟踪，输出目标信息到地面控制站；

所述地面控制站接收光电跟踪装置的输出目标信息，解算目标位置坐标，预测目标飞行路径；

所述地面控制站与所述抓捕无人机建立无线数传链路，将目标位置坐标和飞行路径发送给所述抓捕无人机；

所述抓捕无人机，根据所述目标的位置坐标和飞行路径，确定自身位置和飞行路径，跟踪接近所述“低慢小”目标，进行抛网抓捕。

4.根据权利要求3所述的无人机跟踪目标系统，其特征在于，还包括差分GPS基站和第一、第二GPS移动站；

所述第一GPS移动站固定于光电跟踪装置，用于测量光电跟踪装置的GPS位置及偏北角；

第二GPS移动站安装在抓捕无人机上，用于对抓捕无人机进行GPS定位；

所述差分GPS基准站通过包括三脚架在内的工装固定于地面固定地点；

所述第一GPS移动站、第二GPS移动站，都通过差分GPS基准站，分别对所述光电跟踪装置和所示抓捕无人机进行GPS差分定位。

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