CN109649654B - 一种低空搜索定位方法 - Google Patents

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    • G01J5/0066—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for hot spots detection

Abstract

本发明公开了一种低空搜索定位方法，该方法包括：(1)确认空中探测装置探测的环境以及调整地面弹射炮筒的发射角度后，地面弹射装置将所述空中探测装置向空中弹射；(2)获取所述空中探测装置当前的综合数据，所述综合数据包括空中探测装置自身运动姿态信息、空中探测装置相对位置信息、目标物周边的深度图及热成像图；(3)地面终端接收所述综合数据，进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息。该方法将传感器在短时间内迅速升空，可用于紧急事件，避免影响目标物的同时实现精准的地面目标定位；本发明使用的空中探测装置体积小，可随身携带，且便于回收，可多次利用，可应用于震后搜救、野生动物保护、刑事侦查、洪灾救助等场景。

Description

一种低空搜索定位方法
技术领域
本发明涉及空中探测技术领域，具体涉及一种低空搜索定位方法。
背景技术
传统的探测装置主要是：从地面通过超低频电波或电磁感应技术来获取目标物位置信息，其中超低频电波主要用于生命探测仪，电磁感应主要用于金属探测器，但地面探测装置探测范围有限，并且容易被障碍物遮挡；从空中通过无人机搭载红外传感探测装置或机载雷达来获取目标物位置信息，但无人机升空速度较慢，时效性差，且容易产生巨大的噪音惊扰目标物。
机载雷达成本更高，更加偏向于军用领域，不适用于近距离精确位置监测；从水下通过声纳定位技术来获取水中目标物位置信息，但声音传播速度较慢，目标物处于运动状态时容易产生定位位置偏差，且无法探测目标物是否为生命体。此外，这三种方法涉及的装置体积均较大，不易携带与搬运。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低空搜索定位，该方法可以解决地面避障能力差、探测范围小、时效性差、噪声大、成本高、不易携带等问题。
技术方案：本发明所述的低空搜索定位方法，该方法包括：
(1)确认空中探测装置探测的环境以及调整地面弹射炮筒的发射角度后，地面弹射装置将所述空中探测装置向空中弹射；
(2)获取所述空中探测装置当前的综合数据，所述综合数据包括空中探测装置自身运动姿态信息、空中探测装置相对位置信息、目标物周边的深度图及热成像图；
(3)地面终端接收所述综合数据，进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息。
优选的，所述步骤(1)中，空中探测装置为包括上半球壳和下半球壳组成的球壳，所述球壳上开设多个探测器收纳孔以及在上半球壳的顶部沿圆周开设降落伞收纳槽，所述球壳内布置红外探测系统、运动传感系统、主控系统以及供电系统，所述红外探测系统、运动传感系统和供电系统均与所述主控系统相连，所述红外探测系统包括多个红外探测器，所述红外探测器通过所述探测器收纳孔固定在所述球壳上。
优选的，所述多个红外探测器包括沿球壳圆周分层布置的若干红外探测器A和安装在所述球壳下顶点的红外探测器B，所述若干红外探测器A除球壳上顶点和下顶点外共 M层，每层设置N个红外探测器，其中，3≤M≤6，9≤N≤15。
优选的，所述红外探测系统还包括红外信号存储器和第一A/D采集电路，所述红外探测器和第一A/D采集电路均与所述红外信号存储器电性连接。
优选的，所述运动传感系统包括电控降落伞、电控马达、惯性传感器以及第二A/D采集电路，所述电控降落伞上端通过所述降落伞收纳槽置于球壳外；所述电控马达驱动所述电控降落伞的张开/回收，所述第二A/D采集电路与所述惯性传感器相连。
优选的，所述步骤(1)中，地面弹射装置的角度θ与弹射空中探测装置的高度h的关系为：
Figure RE-GDA0001966285020000021
其中，P为火药爆炸产生的冲量，m1是空中探测装置的质量，m2是电控降落伞的质量。
优选的，所述主控系统包括第一主控制器和第一WIFI模块，所述第一WIFI模块负责回传红外探测器和惯性传感器收集到的信息，所述第一WIFI模块与所述第一主控制器电性连接。
优选的，所述步骤(2)中，空中探测装置离开地面弹射装置后，所述红外探测器进入工作状态，持续捕获目标物周边的深度图及热成像图，第一WIFI模块中的子模块 WIFIRFID模块持续捕获所述空中探测装置的相对位置信息，所述惯性传感器持续捕获所述空中探测装置自身运动姿态信息，并将信息发送给所述第一主控制器。
优选的，所述步骤(3)中，进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息，具体包括：
(31)地面终端将所述红外探测器每帧传输的图像以UV贴图的方式合成为一张HDR场景贴图；
(32)通过图像识别算法识别红外热成像图中的特征点，通过所述特征点区别目标物与外界环境分界线，从而计算目标物质心位置，获得其相对空中探测装置的相对位置坐标；
(33)合成所述目标物相对空中探测装置的位置坐标及通过空中探测装置相对用户的位置坐标计算出目标物相对用户的位置坐标；
(34)通过地面终端的目标检测界面将目标物与空中探测装置相对用户的位置坐标推送给用户。
优选的，所述地面终端包括：
地面弹射装置初始化模块，用于设置地面弹射装置的相关参数，并查看外部环境是否适宜弹射，并通过地面终端中的WIFI模块和所述地面弹射装置进行信息交互；
目标监测模块，用于查看空中探测装置弹射后监测范围内全时间轴上的具体目标信息，用户可通过滑动滑动条遍历整个工作流程，且点击目标物后可展开目标物的热成像图及深度图，通过第一WIFI模块和所述空中探测装置进行信息互通；
空中探测装置状态查看模块，用于确认空中探测装置的工作状态及器件损耗情况，以为维护及修理提供便利，通过第一WIFI模块和所述空中探测装置进行信息互通。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明利用空中探测装置实现一种低空搜索定位方法，该方法将传感器在短时间内迅速升空，可用于紧急事件，避免影响目标物的同时实现精准的地面目标定位；2、本发明使用的空中探测装置体积小，可随身携带，且便于回收，可多次利用，可应用于震后搜救、野生动物保护、刑事侦查、洪灾救助等场景；3、本发明所述的空中探测装置，通过空中测距，规避地面测距时障碍物屏障；4、本发明的搜索定位方法简单容易操作，方法准确率高，可得到目标物的实时信息。
附图说明
图1是本发明所述的空中探测装置总体结构示意图；
图2是本发明所述的空中探测装置内部结构示意图1；
图3是本发明所述的空中探测装置内部结构示意图2；
图4是本发明所述的红外探测系统结构示意图；
图5是本发明所述的空中探测装置的工作流程图；
图6是本发明所述的地面弹射装置结构示意图；
图7为本发明所述的地面弹射装置的工作方法流程图；
图8为本发明所述的低空定位搜索方法的流程图；
图9是本发明所述的地面终端的工作方法流程图；
图10为本发明一实施例所述的地面弹射装置的仿真结构示意图；
图11为本发明一实施例所述的空中探测装置弹射时空气阻力F与空中探测装置质心速度V的关系图；
图12为本发明一实施例所述的空中探测装置弹射时质心高度和时间关系的图；
图13为本发明一实施例所述的空中探测装置X方向位移和时间的关系；
图14为本发明一实施例所述的空中探测装置质心竖直分量和水平分量Y-X关系图；
图15为本发明一实施例所述的空中探测装置质心速度和时间关系图；
图16为本发明一实施例所述的目标物到用户的相对位置示意图；
图17本发明一实施例所述目标物相对地面终端转化为极坐标的示意图；
图18为本发明一实施例所述的目标物到地面终端的相对位置计算方法流程图。
图中包括：空中探测装置100，球壳101，探测器收纳孔102，降落伞收纳槽103，第一隔板104、第二隔板105，第三隔板106和第四隔板107，红外探测系统1，红外探测器11，红外探测器A111，红外探测器B112，红外信号存储器12，第一A/D采集电路13，运动传感系统2，电控降落伞21，电控马达22，惯性传感器23，第二A/D采集电路24，主控系统3，第一主控制器31，第一WIFI模块32，时序电路33，D/A转换电路34，供电系统4，电源电路41，保护电路42，
弹射器200，弹射炮筒201，触发机构202，触发器2021，扳机2022，解锁模块203，第二WIFI模块2031，第二主控制器2032，保险装置2033，光电传感器2034，通讯模块204，第三A/D采集电路2041，第二D/A转换电路2042，电源模块205，驱动电机 206，地面终端300。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开一种低空搜索方法，是根据一个空中探测装置，该空中探测装置可巧妙的规避了地面探测时的障碍物屏障的缺点，且升空速度快，噪声较小，体量较小可随身携带，适用于突发事件或紧急状况，适用于低空探测。
如图8所示，该方法包括：
S1空中探测装置确认探测环境，调整地面弹射炮筒的发射角度，地面弹射装置将所述空中探测装置向空中弹射；
S2获取所述空中探测装置当前的综合数据，所述综合数据包括空中探测装置自身运动姿态信息、空中探测装置相对位置信息、目标物周边的深度图及热成像图；
S3地面终端接收所述综合数据，进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息。
所述的空中探测装置100，包括上半球壳和下半球壳组成的球壳101，该球体体积小，可随身携带，可设计为15cm。该装置200外壳采用双层结构，首先主要采用抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性、耐久性好的碳纤维复合材料，在其外层包裹黏性高、弹性高的天然橡胶或氯丁橡胶，可起到有效的震动隔离作用，保护空中探测装置内部电路。
所述球壳101上开设多个探测器收纳孔102以及在上半球壳的顶部沿圆周开设降落伞收纳槽103，所述球壳101内布置红外探测系统1、运动传感系统2、主控系统3以及供电系统4，红外探测系统1、运动传感系统2和供电系统4均与所述主控系统3相连，所述红外探测系统1包括多个红外探测器11，所述红外探测器11通过所述探测器收纳孔102固定在所述球壳101上。
如图2和3所示，球壳101内沿圆周从下到上依次安装第一隔板104、第二隔板105、第三隔板106和第四隔板107，第四隔板107用来放置运动传感系统2中的电控降落伞 21及驱动电控降落伞21张开与回收的电控马达22，电控降落伞21上端穿过所述降落伞收纳槽103置于球壳1外在其中一个实施例中，该电控马达22选用步进电机，步进电机可以通过脉冲信号控制电机转速和停止的位置，电控降落伞21存在卡在空中探测装置中的风险，通过调整步进电机状态可以有效的将降落伞取出展开。
第三隔板106放置运动传感系统2中的惯性传感器23以及与惯性传感器23相连的第二A/D采集电路24。所述惯性传感器23负责收集探测装置自身运动状态，包括：速度、加速度、角加速度、空间旋转角度等，侦后向所述主控系统3发出信号。惯性传感器23检测到空中探测装置100升至最高点时(竖直方向速度降为0时)，主控系统3 驱动探测装置100顶端的电控马达22打开电控降落伞21，过程中第一WIFI模块32持续回传数据。
优选的，惯性传感器23参数如下：型号为：SI-11.S1.C-30，灵敏度10赫兹<0.0015°，重复测量偏差±0.0030°，温度系数偏差±0.0025°/K，输出数据速率：1600赫兹，带宽：400赫兹，数字接口：SPI，工作温度-40～85°。
第二隔板105放置主控系统3相关部件以及供电系统4相关部件，具体放置第一主控制器31、用来信号收发的第一WIFI模块32、时序电路33、D/A转换电路34以及用来提供电源的电源电路41和与电源电路41相连的保护电路42，D/A转换电路与第一WIFI模块32相连，时序电路33、电源电路41以及第一WIFI模块32与第一主控制器 31相连。
第一WIFI模块32包括子模块WIFI RFID模块，WIFI RFID模块负责回传各传感器收集到的信息，同时负责回传探测装置位置信息给地面终端300。Wifi RFID模块是 Wifi模块的子模块，主要通过WIFI RFID技术确定探测装置具体相对位置。WIFI主模块主要负责所有数据的传输工作，这些数据中包括通过WIFI RFID技术获取到的探测装置相对位置。本系统所搭载的是型号为SKW77的大功率wifi模块，最远通讯距离1.5 千米，该模块在短距离通讯范围内信号不衰减，不存在信号接收不到的情况。
如图4所示，第一隔板104放置红外探测系统1中的红外信号存储器12和与红外信号存储器12相连的第一A/D采集电路13，在其中一个实施例中，红外信号存储器11 优选非制冷焦平面红外信号存储器，所有红外探测器11与红外信号存储器12电性连接。红外探测器11通过延探测装置内壁布置的数据线与最下层的非制冷焦平面红外信号存储器相连。
空中探测装置的球状外壳使用厚度为2.5cm的碳纤维复合材料，该材料密度相比于内部电子元件的平均密度较大，壳体重量占整个探测装置重量的90％以上，空中探测装置的质心基本位于球体中心，电子元件在空中探测装置内部的质量分布对该装置平衡性影响可忽略不计。
第一主控制器31上数据接口均采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)，其中，第一主控制器31与时序电路33之间使用串行时钟线(SCLK)连接，其余所有模块之间数据交互均数据线MISO连接。
球壳101外表面的多个红外探测器11包括沿球壳圆周分层布置在所述球壳上的探测器收纳孔102内的若干红外探测器A111和所述球壳下顶点设置的探测器收纳孔(图中未标出)内的红外探测器B112，优选的，红外探测器11为非制冷红外焦平面传感器，其负责收集外部环境的红外热成像图及深度图；多个干红外探测器A111除球壳上顶点和下顶点外共M层，每层设置N个红外探测器，其中，3≤M≤6，9≤N≤15。球壳的上顶点由于需要放置电控降落伞21，因此不放置红外探测器。
本发明的实施例中，红外探测器共61个，其中探测装置红外探测器A111分布一共五层，每层12个，共计60个，底部的红外探测器B112为一个。每个红外探测器的侦测空间角度为45°，在360°空间范围内可设数量为8，在180°空间范围内可设数量为4。为了增强侦测角度内红外线的信号强度，本发明将相邻两传感器的空间角度设置为30°，一方面可全方面覆盖探测范围，另一方面也可做到采集数据无遗漏。通过空中测距，规避地面测距时障碍物屏障。
红外探测器参数如下：型号：LA3110(384×288 17μm)非制冷红外机芯组件；噪声等效温差：≤60mK@25℃，f/1.0(≤50mK可选)；帧频：50赫兹；工作电压：4V；功耗：≤1.7W；工作温度：-40℃～+60℃。
如图5所示为空中探测装置中各模块工作原理流程图，当第一主控制器运行后，惯性传感器持续捕获探测装置的运动状态；首先当惯性传感器检测到探测装置升到最高点，则电控马达驱动电控降落伞释放；红外传感器持续捕获热成像图和深度图，第一 WIFI模块的子模块WIFI RFID持续捕获探测装置的相对位置，当第一WIFI模块向地面终端持续回传数据，检测探测装置是否落地，当已经探测完毕已经落地，则关闭所有传感器，后WIFI RFID模块持续回传探测装置的相对位置。
如图6所示，本发明还公开一种地面弹射装置，可直接固定于地面上，包括上述的空中探测装置100和弹射器200，所述弹射器200包括与所述空中探测装置100球体匹配的弹射炮筒201，空中探测装置100置于所述弹射炮筒201内。
弹射器200包括与所述空中探测装置球体匹配的弹射炮筒201、触发机构202、通讯模块204、解锁模块203和电源模块205，所述通讯模块204用来采集和收发信号，所述电源模块205用来供应能源，所述空中探测装置100置于所述弹射炮筒201内，所述解锁模块203用来控制所述空中探测装置100的发射与否，当解锁模块203锁定，触发机构202不工作，所述空中探测装置100不发射；当解锁模块203解锁，所述触发机构202可引燃，空中探测装置100从所述弹射炮筒101内发射出。
触发机构202包括触发器2021和扳机2022，均置于弹射炮筒201的底部，触发器2021即火药触发式引信，扣动扳机2022后，引信即可点火，在弹射炮筒201内产生爆炸，使空中探测装置100飞出。
所述解锁模块203包括光电传感器2034、第二主控制器2032、第二WIFI模块2031和保险装置2033，所述光电传感器2034、第二WIFI模块2031以及保险装置2033与所述第二主控制器2032电性连接。
所述光电传感器2034为环形，嵌套于弹射炮筒201口的外壁，用来检测所述炮筒出口固定范围内有无异物，光电传感器2034可监测空间角度为45度，可监测距离为1m，由第三A/D采集电路2041将光电传感器2034检测到的模拟信号转换为数字信号1和0，其中，信号为1时，代表地面弹射装置发射口周围无异物，信号为0时，代表地面弹射装置发射口周围有异物，并将转换后的数字信号传递给第二主控制器2032，若第二主控制器2032收到数字信号1，则解锁地面弹射装置，若第二主控制器2032收到数字信号 0，则解锁装置为锁定状态。
弹射装置内第二主控制器2032用于存储有无异物的反馈信号，并通过第二WIFI模块2031将该信号发送给地面终端300。同时第二主控制器2032驱动驱动电机206及弹射装置工作，驱动电机206优选步进电机。第二主控制器2032处理后获得的本装置状态信息通过第二D/A转换电路2042转换为模拟信号由第二WIFI模块2031回传至地面终端300。因此，可实现通过弹射的方式将传感器在短时间内迅速升空，可用于紧急事件，避免影响目标物的同时实现精准的地面目标定位。
与第二主控制器2032连接数据接口均采用SPI(Serial PeripheralInterface——串行外设接口)，所有数据连线均使用MISO数据线。
如图6所示，保险装置2033位于地面弹射装置扳机2022外围，该装置2033用于锁定或解锁扳机2022，该装置2033在锁定状态时可通过夹具夹紧扳机2022，使操作者无法扣动扳机2022点燃引信，保险装置2033由第二主控制器2032控制解锁与锁定，第二主控制器2032接收到光电传感器2034发出的信号后进行数据处理，并通过MISO 数据线向保险装置2033发送指令，当光电传感器2034检测到发射装置发射口周围1m 范围内无异物时即自动解除锁定状态。
如图7所示为弹射器的工作流程图。
首先将弹射器200在地面固定好，确认探测装置发射环境良好，光电传感器2034检测地面弹射装置发射口1m范围内有无异物，由第三A/D采集电路2041将光电传感器2034检测到的模拟信号转换为数字信号1和0，其中，信号为1时，代表地面弹射装置发射口周围无异物，信号为0时，代表地面弹射装置发射口周围有异物，并将转换后的数字信号传递给第二主控制器2032，若第二主控制器2032收到数字信号1，则保险装置2033解锁，若第二主控制器2032收到数字信号0，则保险装置2033为锁定状态。
其次，地面终端300通过第二WIFI模块2031将弹射角度信号发送给第二主控制器2032，第二主控制器2032根据接收到的角度数据驱动步进电机206，旋转弹射炮筒201 至设定角度。
最后，地面终端300通过第二WIFI模块2031将弹射确认信号发送给第二主控制器2032，发射空中探测装置。
本发明中的第一主控制器和第二主控制器均为MCU，型号为STM32F103C8T6，第一WIFI模块和第二WIFI模块主要负责所有数据的传输工作，这些数据中包括通过WIFI RFID技术获取到的探测装置相对位置。本系统所搭载的是型号为SKW77的大功率wifi 模块，最远通讯距离1.5千米。
下面讨论空中探测装置的运动模型，本发明中，空中探测装置100的运动模型如下：
当空气阻力与速度平方成正比时，由运动学公式和牛顿第二定律，可以写出空中探测装置的运动轨迹方程，上升过程中，在O-xy坐标中有如下方程：
x方向：
Figure RE-GDA0001966285020000091
y方向：
Figure RE-GDA0001966285020000092
Figure RE-GDA0001966285020000093
将代换式
Figure RE-GDA0001966285020000094
代入式
Figure RE-GDA0001966285020000095
有
Figure RE-GDA0001966285020000096
对上式分离变量并且同时积分，并应用初始边界条件vx|t＝0＝v0x
Figure RE-GDA0001966285020000097
继续采用分离变量法，并用初始条件x|t＝0＝0，可得
Figure RE-GDA0001966285020000098
将代换式
Figure RE-GDA0001966285020000101
带入(2)式有
Figure RE-GDA0001966285020000102
同样采用分离变量法，并加入初始条件vy|t＝0＝v0y
可得
Figure RE-GDA0001966285020000103
由代换式
Figure RE-GDA0001966285020000104
继续分离变量积分，并加入初始条件y|t＝0＝0，可得
Figure RE-GDA0001966285020000105
上式中当vy＝0时，y取得最大值ymax，t1时刻空中探测装置到达最高点，下降过程将
Figure RE-GDA0001966285020000106
代入(3)式，并采用分离变量法，加入初始条件
Figure RE-GDA0001966285020000107
可得
Figure RE-GDA0001966285020000108
同理可得
Figure RE-GDA0001966285020000109
其中
Figure RE-GDA00019662850200001010
Figure RE-GDA0001966285020000111
其中，x1是空中探测装置上升过程的水平位移，x2是降落伞下降过程的水平位移，y是空中探测装置上升过程的垂直位移，vx1是空中探测装置上升过程的水平方向上的速度，vx2是降落伞下降过程的水平方向上的速度，vy1是空中探测装置上升过程的垂直方向上的速度，vy2是降落伞下降过程的垂直方向上的速度，CV是物体在空气中的阻力系数，m1是空中探测装置的质量，m2是降落伞的质量，g是重力加速度，v0是空中探测装置的初速度。k1＝0.5ρ0S1C1，ρο：是空气的密度，S1C是空中探测装置的最大横截面积， C1是空中探测装置的空气阻力系数；k2＝0.5ρ0S2C2，S2是降落伞的最大横截面积，C2是降落伞的空气阻力系数。
本发明利所述的低空搜索定位方法，该方法详细包括：
S1、确认空中探测装置探测的环境以及调整地面弹射炮筒的发射角度后，弹射器将所述空中探测装置向空中弹射；
首先打开地面终端应用界面，地面终端300通过第二WIFI模块将弹射角度信号发送给地面弹射装置，地面弹射装置根据接收到的角度数据驱动步进电机208，旋转弹射装置至设定角度；
随后，地面终端通过第二WIFI模块203将弹射确认信号发送给地面弹射装置，地面弹射装置发射空中探测装置，设定出射角度，并确认弹射高度，确认无误后扣动弹射器扳机，其中，弹射冲量由火药引燃产生，为固定值；
在其中一个实施例中，所述步骤(1)中，地面弹射装置的角度θ与弹射空中探测装置的高度h的关系为：
Figure RE-GDA0001966285020000112
其中，P为火药爆炸产生的冲量，m1是空中探测装置的质量，m2是电控降落伞的质量。
最后，弹射器通过火药点燃引信后的驱动力，将空中探测装置发射。
S2、获取所述空中探测装置当前的综合数据，所述综合数据包括空中探测装置自身运动姿态信息、空中探测装置相对位置信息、目标物周边的深度图及热成像图；
空中探测装置离开地面弹射装置后，红外探测器进入工作状态，持续捕获目标物周边的深度图及热成像图，第一WIFI模块中的子模块WIFI RFID模块持续捕获所述空中探测装置的相对位置信息，所述惯性传感器持续捕获所述空中探测装置自身运动姿态信息，并将信息发送给所述第一主控制器。
S3、地面终端接收所述综合数据，进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息。如图9所示，是地面终端的工作流程图。
通过A/D转换器13将红外探测器11以及惯性传感器23捕获到的模拟信号转换为数字信号输入第一主控制器31，第一主控制器31经过处理后通过D/A转换器34将数字信号转换为模拟信号，通过第一WIFI模块32发送给地面终端300。地面终端300装置接收由空中探测装置100发出的红外热成像图及深度图，每秒2帧、探测装置自身运动姿态信息及探测装置位置信息。
在其中一个实施例中，步骤(3)中，进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息，具体包括：
(31)地面终端将所述红外探测器每帧传输的图像以UV贴图的方式合成为一张HDR场景贴图；每个红外探测器输出一张对应的传输图像。
(32)通过图像识别算法识别红外热成像图中的特征点，温度高于生物体表温度的点，默认为30摄氏度左右，通过所述特征点区别目标物与外界环境分界线，从而计算目标物质心位置，获得其相对空中探测装置的相对位置坐标；
(33)合成所述目标物相对空中探测装置的位置坐标，包括距离、方位角、俯仰角，及通过空中探测装置相对用户的位置坐标计算出目标物相对用户的位置坐标；
(34)通过地面终端的目标检测界面将目标物与空中探测装置相对用户的位置坐标推送给用户。
因此，该种低空定位方法可应对紧急事件，准确率高，可定位目标物的实时信息。
所述地面终端为移动终端，手机、电脑、ipad等通讯设备，包括：
地面弹射装置初始化模块，用于设置地面弹射装置的相关参数，并查看外部环境是否适宜弹射，并通过地面弹射装置中的WIFI模块和所述地面弹射装置进行信息交互；
目标监测模块，用于查看空中探测装置弹射后监测范围内全时间轴上的具体目标信息，用户可通过滑动滑动条遍历整个工作流程，且点击目标物后可展开目标物的热成像图及深度图，通过第一WIFI模块和所述空中探测装置进行信息互通；
空中探测装置状态查看模块，用于确认空中探测装置的工作状态及器件损耗情况，以为维护及修理提供便利，通过第一WIFI模块和所述空中探测装置进行信息互通。
下面给出一个运动仿真过程的具体实施例：
以下为出射角为45°情况下，即弹射炮筒的设定角度为45°，运用Adams软件仿真的探测器运动过程：
(1)在模型文件导入Adams软件，以探测装置质心位置作为坐标原点，弹射器方向为XY轴45°方向，如图10所示。
其中，空中探测装置200直径15cm，空中探测装置和降落伞的平均密度1000kg/m3，探测装置飞行过程中，所受空气阻力F的方向总是与探测装置质心速度方向相反，而探测装置质心速度方向总是随时间而变化。所以，在对模型施加作用力时，需将空气阻力分解为轴正方向和轴负方向的两个分力进行施加，如图11所示。
探测装置飞行过程中所受空气阻力F＝0.5ρV2SmCw，方向与探测装置质心速度方向相反；其中，ρ∞为空气密度，V∞为探测装置质心速度，Sm＝0.25πD2m是探测装置最大横截面积，Cw为空气阻力系数。探测装置空气阻力系数0.5，降落伞空气阻力系数1.4。在Adams中添加重力G方向Y轴负方向，大小为9.8m/s2，探测装置所受阻力FX1，FY1，降落伞所受阻力FX2，FY2。
考虑抛射方向45°，设置初始速度VX＝28.7m/s，VY＝28.7m/s。根据阻力公式 F＝0.5ρV2SmCW，查资料得空气密度1.288Kg/m3，探测装置直径15cm，探测装置空气阻力系数CW＝0.5，降落伞空气阻力系数CW＝1.4，探测装置与降落伞总平均密度1000kg/m3, 降落伞Y轴直径1.190m，降落伞X轴直径0.2m，探测装置中使用61个红外探测器。
在Adams中Function一栏中选择图标，进入函数编辑器；在函数编辑器文本框输入：
探测装置所受阻力
FX1＝0.5*1.288*(.shell.danwan_V**2)*(3.1415/4)*(0.15**2)*0.5*sin(atan(.shell.danwa n_VX/(0-.shell.danwan_VY)))*IF(.shell.danwan_VY-0:0,0,-1)
FY1＝0.5*1.288*(.shell.danwan_V**2)*(3.1415/4)*(0.15**2)*0.5*cos(atan(.shell.danwa n_VX/(0-.shell.danwan_VY)))*IF(.shell.danwan_VY-0:0,0,-1)
降落伞所受阻力
FX2＝0.5*1.288*(.shell.danwan_V**2)*(3.1415/4)*(0.200**2)*1.4*sin(atan(.shell.danw an_VX/(0-.shell.danwan_VY)))*IF(.shell.danwan_VY-0:1,0,0)
FY2＝0.5*1.288*(.shell.danwan_V**2)*(3.1415/4)*(1.190**2)*1.4*cos(atan(.shell.dan wan_VX/(0-.shell.danwan_VY)))*IF(.shell.danwan_VY-0:1,0,0)
以上为Adams函数编辑器阻力表达式，在本实施例的Adams实验中，空中探测装置的名称为danwan，shell是几何形体，在Adams中指零件或者模型，.shell.danwan_VY 是指空中探测装置模型的垂直方向的速度，.shell.danwan_VX是空中探测装置模型的水平方向的速度，.shell.danwan_V是空中探测装置模型的速度。
鉴于空中探测装置45度斜射最高高度为40m，空中探测装置升空高度取决于地面弹射装置中火药的装填量，固定量的火药爆炸只能产生固定大小的冲量推动空中探测装置，地面弹射装置作用于空中探测装置的出射冲量为固定值71Ns，该冲量最多可将空中探测装置45度斜射到40m高空，计算公式如下：
Figure RE-GDA0001966285020000141
其中，P为火药爆炸产生的冲量，本实施例中冲量为71Ns，θ为地面弹射装置炮管与地面的夹角，本实施例中斜射角为45度，m1是空中探测装置的质量，m2是降落伞的质量，本实施例中总质量1.77kg。
在Adams设置仿真时长19s，仿真步数600，在本实施例的仿真实验中，采用名称.danwan.CM_Position.X和.danwan.CM_Position.Y表示空中探测装置x和y方向的位移变化，CM代表质心。如图12所示为探测装置质心高度(Length)和时间(Time)的关系，图13为空中探测装置X方向位移(.danwan.CM_Position.X)和时间(Time)的关系，图14为探测装置质心竖直分量和水平分量Y-X高度关系图；图15为空中探测装置质心速度(Velcoity)和时间(Time)关系图。
取探测装置X、Y方向运动过程的21个点进行定量描述，具体对应关系如下表1：
此处21个点是以时间维度上的0.9秒为一个步长，采集点数可根据步长的大小进行调整，也可根据具体需求设定为其他步长进行定量描述。描述这些点的意义是为了描述空中探测装置在当前的相对位置即x和y方向的位移变化。根据探测装置的运动仿真实验，可看出定位所需时间较短以及该探测装置的可实施性。
表1空中探测装置在当前的相对位置即x和y方向的位移变化
Time .danwan.CM_Position.X .danwan.CM_Position.Y
0.000 -0.111 0.0453
0.900 2.550 20.170
1.800 5.050 34.900
2.700 7.490 39.800
3.600 9.590 39.400
4.500 11.200 38.500
5.400 12.400 37.400
6.300 13.500 36.100
7.200 14.400 34.600
8.100 15.100 32.900
9.000 15.800 31.000
9.900 16.500 28.900
10.800 17.000 26.600
11.700 17.500 24.200
12.600 18.000 21.600
13.500 18.400 18.900
14.400 1.8.800 16.100
15.300 19.200 13.100
16.200 19.500 10.100
17.100 19.900 6.940
18.000 20.200 3.740
18.900 20.400 0.471
(2)获取空中探测装置当前的相对位置坐标、目标物周边的深度图及热成像图
探测装置离开弹射器后即激活红外探测器进入工作状态，第一主控制器及惯性传感器处于持续工作状态，惯性传感器侦测到外界冲击后向第一主控制器发出信号，第一主控制器控制红外探测器进入工作状态。
(3)地面终端接收传感器综合数据
通过第二A/D采集电路将红外探测器以及惯性传感器捕获到的模拟信号转换为数字信号输入第一主控制器，第一主控制器经过处理后通过D/A转换电路将数字信号转换为模拟信号，通过第一WIFI模块发送给地面终端。地面终端接收由空中探测装置发出的红外热成像图及深度图、探测装置自身运动姿态信息及探测装置位置信息。
(4)地面终端进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息
地面终端装置接收到空中探测装置发送的信息后，将红外探测器每帧传输的图像，在本实施例中，共用61个红外探测器，所述共61张传输图像，以UV贴图的方式合成为一张HDR场景贴图并通过图像识别算法识别红外热成像图中的特征点，其中，温度高于生物体表温度的点，默认为30摄氏度左右，通过特征点区别目标物与外界环境分界线，从而计算目标物质心位置，获得其相对空中探测装置的相对位置坐标。
合成目标相对空中探测装置的位置坐标，包括距离、方位角、俯仰角及空中探测装置相对用户的位置坐标两组向量计算出目标相对用户的位置坐标。通过地面终端应用目标检测界面将目标与空中探测装置相对用户的位置坐标推送给用户。
目标到用户的相对位置计算过程如下：
如图16所示，A为用户所在位置，B为空中探测装置所在位置，C为目标所在位置；d1为用户-空中探测装置相对距离，d2为空中探测装置-目标相对距离，d3为用户- 目标相对距离；如图17所示，θ1为用户-空中探测装置方位角，θ2为空中探测装置- 目标方位角，θ3为用户-目标方位角；
Figure RE-GDA0001966285020000161
为用户-空中探测装置俯仰角，
Figure RE-GDA0001966285020000162
为空中探测装置-目标俯仰角，
Figure RE-GDA0001966285020000163
为用户-目标俯仰角。
如图18所示，目标物到地面终端的相对位置计算过程如下：
目标物相对空中探测装置极坐标
Figure RE-GDA0001966285020000164
空中探测装置相对地面终端极坐标
Figure RE-GDA0001966285020000165
由空中探测装置的传感器直接获得，通过极坐标转空间直角坐标公式：
Figure RE-GDA0001966285020000171
将两个极坐标转换为空间直角相对坐标，将两个空间直角相对坐标直接相加，则有目标物相对地面终端空间直角相对坐标(x3,y3,z3)＝(x1+x2,y1+y2,z1+z2)，最后将该空间直角相对坐标通过空间直角相对坐标转极坐标公式：
Figure RE-GDA0001966285020000172
转化为目标物相对地面终端极坐标
Figure RE-GDA0001966285020000173
即可将该坐标信息在地面终端中通过人机界面推送给用户。
在本实施例中，地面终端包含3个界面：弹射初始化界面、目标监测界面、探测装置状态查看界面，可通过左右滑动操作在三个界面中进行切换。其中：弹射初始化界面用于设置地面弹射装置的相关参数。
其中弹射角度由用户自由设定，在本实施例中设定角度为45°，当设定好弹射角度后，地面终端根据上述的高度计算公式自动计算出该弹射角度下可以达到的弹射高度，并在界面上显示。
查看外部环境是否适宜弹射；目标监测界面用于查看探测装置弹射后监测范围内全时间轴上的具体目标信息，用户可通过滑动滑动条遍历整个工作流程，且点击目标后可展开目标的具体信息，即热成像图及深度图；探测装置状态查看界面用于确认探测装置的工作状态及器件损耗情况，以为维护及修理提供便利。
(5)空中探测装置落地后的回收
空中探测装置落地后，用户根据接收到的空中探测装置位置信息回收，完成探测，位置信息包括距离、方位角、俯仰角。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种低空搜索定位方法，其特征在于，该方法包括：
(1)空中探测装置确认探测环境，调整地面弹射炮筒的发射角度，弹射器将所述空中探测装置向空中弹射；
所述弹射器包括与所述空中探测装置球体匹配的弹射炮筒，空中探测装置置于所述弹射炮筒内；
弹射器包括与所述空中探测装置球体匹配的弹射炮筒、触发机构、通讯模块、解锁模块和电源模块，所述通讯模块用来采集和收发信号，所述电源模块用来供应能源，所述空中探测装置置于所述弹射炮筒内，所述解锁模块用来控制所述空中探测装置的发射与否，当解锁模块锁定，触发机构不工作，所述空中探测装置不发射；当解锁模块解锁，所述触发机构可引燃，空中探测装置从所述弹射炮筒内发射出；
触发机构包括触发器和扳机，均置于弹射炮筒的底部，触发器即火药触发式引信，扣动扳机后，引信即可点火，在弹射炮筒内产生爆炸，使空中探测装置飞出；
(2)获取所述空中探测装置当前的综合数据，所述综合数据包括空中探测装置自身运动姿态信息、空中探测装置相对位置信息、目标物周边的深度图及热成像图；
(3)地面终端接收所述综合数据，进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息。
2.根据权利要求1所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中，空中探测装置为包括上半球壳和下半球壳组成的球壳，所述球壳上开设多个探测器收纳孔以及在上半球壳的顶部沿圆周开设降落伞收纳槽，所述球壳内布置红外探测系统、运动传感系统、主控系统以及供电系统，所述红外探测系统、运动传感系统和供电系统均与所述主控系统相连，所述红外探测系统包括多个红外探测器，所述红外探测器通过所述探测器收纳孔固定在所述球壳上。
3.根据权利要求2所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述多个红外探测器包括沿球壳圆周分层布置的若干红外探测器A和安装在所述球壳下顶点的红外探测器B，所述若干红外探测器A除球壳上顶点和下顶点外共M层，每层设置N个，其中，3≤M≤6，9≤N≤15。
4.根据权利要求2所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述红外探测系统还包括红外信号存储器和第一A/D采集电路，所述红外探测器和第一A/D采集电路均与所述红外信号存储器电性连接。
5.根据权利要求4所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述运动传感系统包括电控降落伞、电控马达、惯性传感器以及第二A/D采集电路，所述电控降落伞上端通过所述降落伞收纳槽置于球壳外；所述电控马达驱动所述电控降落伞的张开/回收，所述第二A/D采集电路与所述惯性传感器相连。
6.根据权利要求5所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中，地面弹射装置的角度θ与弹射空中探测装置的高度h的关系为：
Figure FDA0003125961440000021
其中，P为火药爆炸产生的冲量，m1是空中探测装置的质量，m2是电控降落伞的质量。
7.根据权利要求5所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述主控系统包括第一主控制器和第一WIFI模块，所述第一WIFI模块负责回传红外探测器和惯性传感器收集到的信息，所述第一WIFI模块与所述第一主控制器电性连接。
8.根据权利要求7所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中，空中探测装置离开地面弹射装置后，所述红外探测器进入工作状态，持续捕获目标物周边的深度图及热成像图，第一WIFI模块中的子模块WIFI RFID模块持续捕获所述空中探测装置的相对位置信息，所述惯性传感器持续捕获所述空中探测装置自身运动姿态信息，并将信息发送给所述第一主控制器。
9.根据权利要求2所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述步骤(3)中，进行动态图像合成及目标物识别分析并推送目标物信息，具体包括：
(31)地面终端将所述红外探测器每帧传输的图像以UV贴图的方式合成为一张HDR场景贴图；
(32)通过图像识别算法识别红外热成像图中的特征点，通过所述特征点区别目标物与外界环境分界线，从而计算目标物质心位置，获得其相对空中探测装置的相对位置坐标；
(33)合成所述目标物相对空中探测装置的位置坐标及通过空中探测装置相对用户的位置坐标计算出目标物相对用户的位置坐标；
(34)通过地面终端的目标检测界面将目标物与空中探测装置相对用户的位置坐标推送给用户。
10.根据权利要求9所述的低空搜索定位方法，其特征在于，所述地面终端包括：
地面弹射装置初始化模块，用于设置地面弹射装置的相关参数，并查看外部环境是否适宜弹射，并通过地面终端中的WIFI模块和所述地面弹射装置进行信息交互；
目标监测模块，用于查看空中探测装置弹射后监测范围内全时间轴上的具体目标信息，用户可通过滑动滑动条遍历整个工作流程，且点击目标物后可展开目标物的热成像图及深度图，通过第一WIFI模块和所述空中探测装置进行信息互通；
空中探测装置状态查看模块，用于确认空中探测装置的工作状态及器件损耗情况，以为维护及修理提供便利，通过第一WIFI模块和所述空中探测装置进行信息互通。
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