CN112344798A - 一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，采用功能仿生的思路设计捕获系统，其包括飞行单元、追踪单元和捕获单元。飞行单元用于安装追踪单元和捕获单元等载荷；追踪单元固连在飞行单元上，用于检测、跟踪和瞄准非合作飞行目标；捕获单元装配在飞行单元正下方，包括收纳组件、驱动组件、传动组件、释放组件、捕获组件，通过驱动组件旋转给碟盘和柔性网施加离心力，依靠离心力旋转展开折叠收纳在收纳组件中的柔性网。该系统利用追踪单元搜索、检测、跟踪和锁定目标，在飞越非合作飞行目标上方的过程中，捕获单元旋转展开并释放柔性网，实现对非合作飞行目标的缠绕捕获，从而提高了捕获作业的适应性、容错性和安全性。

Description

一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统

技术领域

本发明涉及飞行器捕获技术领域，具体是一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统及捕获方法。

背景技术

近年来，材料、信息、控制等技术的飞速发展，使得无人机具有成本低、体积小、重量轻、操纵性好、稳定性高等更多优点，促进了无人机产业的长足整体发展。其中，以多旋翼飞行器为主要形式的低空慢速小型无人机的数量呈现爆发性增长趋势，在空中摄像、环境监测、运输投放等领域得到广泛应用。

但是，如同硬币的正反面，随着无人机数量的剧增，非合作无人机常以“不速之客”的身份闯入政府部门、机场和军事要地等区域，给公共安全带来诸多潜在危险，入侵飞行的主要威胁可以划分为四个方面：威胁重要目标安全、威胁空中飞行安全、威胁公共安全、侵犯公民隐私。因此，反非合作入侵无人机已成为公共安全防护与管理的挑战之一。

现有反无人机技术主要包括干扰阻断、攻击毁伤和监测控制三大类。干扰阻断是向目标无人机发射定向大功率干扰射频信号，从而切断无人机与遥控器之间的通讯链路，迫使其自行降落或者受控返航；攻击毁伤通过采用激光武器、地空导弹、攻击型无人机等多种打击手段，直接拦截、摧毁无人机；监测控制利用光电、雷达等手段对有效范围内的空域进行实时监控，借助阻截无人机使用的传输代码，控制无人机飞行。

上述技术手段目前尚存在以下局限与不足：

干扰阻断类反无人机系统操作简单、成本较低，便于携带，但其主要采用电磁干扰手段，在城市或居民密集区域容易对无线电信号的正常使用环境造成不良影响。

(2)攻击毁伤类反无人机系统打击效果好，适用于电磁环境复杂且易受干扰的环境，但系统复杂、成本较高。攻击命中后，无人机残骸对地面可能产生次生安全危害，且对打击目标造成永久性损毁，导致获取目标功能特性的可能性也大幅降低。

(3)监测控制类反无人机系统对不依靠外部通讯进行飞行控制的无人机压制效果较差，对具有自主控制功能的无人机难以奏效。

综上，干扰阻断、攻击毁伤等反无人机手段存在系统复杂、容错性低和次生安全危害等问题，亟须探索简单高效、容错性强、安全性高的新方案。

发明内容

“仿生”是人类最早、最朴素的学习方式和生存手段，也是研究者从自然界汲取知识和获取灵感的重要方法。经过千百万年的自然演变和优化选择，某些生物体获得了高超而巧妙的捕获技能。例如食人魔蜘蛛，又叫撒网蜘蛛(net-Castingspider)，其使用蛛网的方法十分独特，蛛网编织好后，蜘蛛便开始做好狩猎的准备，它会在离地面不远处等待猎物经过，并将丝网通过四条前肢牵住，将蛛网变成一张渔网，当有昆虫从它下面经过时，食人魔蜘蛛会迅速张开精心编织的网，从天而降罩住昆虫，然后使用丝线将其裹得动弹不得。

针对上述现有技术中存在的一项或多项不足，本发明以食人魔蜘蛛为仿生对象，从其对蚊蝇等飞行昆虫的捕食行为中获取仿生依据，针对无人机等“低、慢、小”非合作飞行目标的特性，提供一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统及捕获方法，实现对非合作飞行目标的缠绕捕获，以解决反非合作飞行目标现有装备存在的系统复杂、容错性低和次生安全危害等问题，提高捕获作业的适应性、容错性和安全性，为反非合作飞行目标提供一种新的有效手段。

为实现上述目的，本发明提供一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，包括追踪单元、捕获单元以及可实现起降、巡飞、悬停与机动飞的飞行单元；

所述追踪单元搭载在飞行单元上，以用于对非合作飞行目标进行追踪瞄准；

所述捕获单元搭载在飞行单元上，以用于对非合作飞行目标进行捕获；

所述捕获单元包括收纳组件、驱动组件、传动组件、释放组件、捕获组件、电源组件与控制组件，所述驱动组件固定设在飞行单元上；

所述捕获组件包括碟盘、柔性网与配重块，所述碟盘连接在柔性网的中心位置，所述配重块的数量为多个且等间隔设在柔性网的边缘位置；

所述收纳组件的一侧通过传动组件连接在驱动组件的输出端上，并在驱动组件的驱动下具有转动的行程，所述捕获组件设在收纳组件的另一侧；

所述释放组件包括第一电磁铁组与第二电磁铁组，所述第一电磁铁组设在收纳组件上对应配重块的位置，以用于吸附配重块；所述第二电磁铁组设在收纳组件上对应碟盘的位置，以用于吸纳碟盘；

所述控制组件与第一电磁铁组、第二电磁铁组电性相连，以用于控制第一电磁铁组、第二电磁铁组的先后断电，进而实现配重块与碟盘的先后释放；

所述第一电磁铁组、第二电磁铁组、驱动组件、控制组件均与电源组件电性相连。

在其中一个实施例中，所述追踪单元包括云台组件、拍摄组件以及装载有跟踪瞄准算法软件的运算模块；

所述拍摄组件通过云台组件搭载在飞行单元上，以使得拍摄组件可在飞行单元上左右旋转和上下旋转，以最佳的成像角度对非合作飞行目标成像；

所述运算模块设在拍摄组件或飞行单元上，用于对拍摄组件拍摄的视频图像进行处理，检测、识别和跟踪目标，并实时将非合作飞行目标的追踪信息传送至飞行单元的控制台。

在其中一个实施例中，所述柔性网由若干径线和纬线编织而成，多根径线从碟盘向四周呈辐射状延伸，纬线由碟盘向四周逐圈与径线交错相结；其中，所述径线一端系在碟盘边缘的小孔中，另一端连接配重块。

在其中一个实施例中，所述柔性网的构型为正多边形，所述径线由若干长度相等的径向绳段组成，位于同一半径处且相邻的两个径向绳段的端点通过周向绳段相连；

所述径向绳段的长度为：

式中，l_J为径向绳段的长度，r为柔性网的多边形外接圆半径，n为同一径线中径向绳段的数量；

所述周向绳段的长度为：

式中，l_ZC为第C层周向绳段的长度，N为柔性网中径线的数量，C为周向绳段在柔性网中所在的层数，其中，位于最外层的周向绳段所对应的层数C＝1，并由由外向内依次递增。

为实现上述目的，本发明还提供一种针对非合作飞行目标的柔性捕获方法，采用上述食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，具体包括如下步骤：

步骤1，飞行单元起飞，以不同高度巡飞，并在巡飞过程中利用追踪单元搜寻非合作飞行目标；

步骤2，追踪单元获取非合作飞行目标的视频图像，并对视频图像进行检测、识别，完成目标追踪，并将非合作飞行目标实时的追踪信息传送至飞行单元的控制台；

步骤3，飞行单元基于非合作飞行目标实时的追踪信息靠近抵近非合作飞行目标的正上方，并将捕获单元对准非合作飞行目标；

步骤4，启动驱动组件带动收纳组件以及收纳组件中的捕获组件旋转，并在旋转过程中通过控制组件控制第一电磁铁组、第二电磁铁组的先后断电，进而实现配重块与碟盘的先后释放，使得柔性网在离心力与重力的作用下展开与下落并缠绕捕获非合作飞行目标；

步骤5，飞行单元返航着陆，捕获任务完成。

在其中一个实施例中，步骤2中，采用基于深度学习的尺度自适应方法对视频图像进行检测、识别，完成目标追踪。

在其中一个实施例中，步骤4中，所述在旋转过程中通过控制组件控制第一电磁铁组、第二电磁铁组的先后断电，进而实现配重块与碟盘的先后释放，具体包括：

步骤4.1，当驱动组件的转速以线性方式在时间t₁达到预定转速v₁时，控制组件控制第一电磁铁组断电，释放配重块，柔性网展开过程开始；

步骤4.2，配重块释放后，控制驱动组件在时间t₁至t₂区间内保持转速v₁，之后在时间t₂至t₃区间内匀速下降至转速v₂，并保持转速v₂一直到时间t₄；

步骤4.3，在时间t₄至t₅区间内控制驱动组件的转速由v₂匀速提升至v₃，维持到柔性网完全展开后，控制组件控制第二电磁铁组断电释放碟盘，完成柔性网的释放后再控制驱动组件的转速匀速下降至停转。

本发明提供的一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统及捕获方法，相较于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明相比于干扰阻断类和监测控制类现有技术，采用更为直接的抵近捕获手段，适应于遥控和自主控制这两种不同控制方式的非合作飞行目标；

(2)本发明相比于攻击毁伤类现有技术，采用柔性网捕获非合作飞行目标，降低了跟踪瞄准和飞行控制的精度要求，在捕获过程中具有较大的容错能力，更为重要是柔性捕获不产生残骸碎片，避免了对地面的次生灾害；

(3)本发明中的捕获单元采用驱动组件旋转提供离心力展开柔性网，相比于配重块抛射牵引方式，结构简单，不需要抛射装置及消耗工质；

(4)本发明中的捕获单元采用驱动组件旋转提供离心力展开柔性网，避免了配重块抛射牵引方式因配重块之间初速大小差异可能导致的网体缠绕问题；

(5)本发明中的捕获单元采用第一电磁铁组与第二电磁铁组先后断电方式释放柔性网，避免了配重块抛射牵引方式带来的反作用力。

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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中收纳组件的第一种实施结构示意图；

图3为本发明实施例中收纳组件的第二种实施结构示意图；

图4为本发明实施例中捕获组件的结构示意图；

图5为本发明实施例中柔性网的尺寸设计示意图；

图6为本发明实施例中针对非合作飞行目标的柔性捕获方法的流程示意图；

图7为本发明实施例中驱动组件的转速控制的流程示意图；

图8为本发明实施例中驱动组件的转速变化示意图。

附图标号：飞行单元1、追踪单元2、云台组件21、拍摄组件22、捕获单元3、驱动组件31、传动组件32、收纳组件33、碟盘341、柔性网342、径线3421、纬线3422、配重块343、第一电磁铁组351、第二电磁铁组352、电滑环36。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示为本实施例公开的一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，包括追踪单元2、捕获单元3以及可实现起降、巡飞、悬停与机动飞的飞行单元1。其中，飞行单元1可以采用大疆M600 Pro无人机，其利用四个螺旋桨转动来实现起降、巡飞、悬停与机动飞行。其中，大疆M600Pro无人机的具体结构以及控制电路与方法均为现有技术手段，因此本实施例中不再赘述。当然，本实施例中的飞行单元1也可以采用其他型号的无人机或飞行装置，例如浮空器等。

追踪单元2搭载在飞行单元1上，以用于对非合作飞行目标进行追踪瞄准。本实施例中，追踪单元2包括云台组件21、拍摄组件22以及装载有跟踪瞄准算法软件的运算模块。本实施例中的拍摄组件22采用大疆Zenmuse X3，其通过云台组件21固连在飞行单元1上，并可以在飞行单元1上左右旋转和上下旋转，使得拍摄组件22能够以最佳的成像角度对非合作飞行目标成像。运算模块内嵌在拍摄组件22的控制系统或飞行单元1的控制系统上，用于对拍摄组件22拍摄的视频图像采用基于深度学习的尺度自适应方法进行处理，检测、识别和跟踪目标，并实时将非合作飞行目标的追踪信息传送至飞行单元1的控制台，使得飞行单元1能够更加该追踪信息完成对非合作飞行目标的定位追踪。其中，云台组件21的实施结构、运算模块检测识别非合作飞行目标以及无人机对非合作飞行目标的定位追踪均为现有的技术手段，因此本实施例中不再对其进行额外赘述。例如，云台组件21的具体实施结构可以参考专利CN108702432A、CN108513631A等公开的相关方案，检测识别非合作飞行目标以及无人机对非合作飞行目标的定位追踪可以参考专利CN109814603A、CN109445465A等公开的相关方案。

捕获单元3搭载在飞行单元1上，以用于对非合作飞行目标进行捕获。本实施例中，捕获单元3包括驱动组件31、传动组件32、收纳组件33、释放组件、捕获组件、电源组件与控制组件，其中，电源组件与控制组件并未图示，驱动组件31通过螺栓连接或卡扣连接等方式固定设在飞行单元1上。捕获组件由碟盘341、柔性网342与配重块343组成，碟盘341连接在柔性网342的中心位置，配重块343的数量为多个且等间隔设在柔性网342的边缘位置，其中，碟盘341与配重块343均为金属材质。收纳组件33的一侧通过传动组件32连接在驱动组件31的输出端上，并在驱动组件31的驱动下具有转动的行程，捕获组件设在收纳组件33的另一侧，此时柔性网342在收纳组件33上处于盘绕状态。释放组件包括第一电磁铁组351与第二电磁铁组352，第一电磁铁组351设在收纳组件33上对应配重块343的位置，以用于将配重块343吸附在收纳组件33上；第二电磁铁组352设在收纳组件33上对应碟盘341的位置，以用于将碟盘341吸纳在收纳组件33上。控制组件设在飞行单元1上，控制组件与第一电磁铁组351、第二电磁铁组352电性相连，用于控制第一电磁铁组351、第二电磁铁组352的电路通断，在第一电磁铁组351、第二电磁铁组352通电时，配重块343与碟盘341因电磁吸力吸附在电磁铁，在第一电磁铁组351、第二电磁铁组352断电时，配重块343与碟盘341则因电磁吸力消失与电磁铁分离，通过控制第一电磁铁组351与第二电磁铁组352先后断电，进而实现配重块343与碟盘341的先后释放，使得柔性网342先旋转展开、后释放。电源组件设在飞行单元1上，且与第一电磁铁组351、第二电磁铁组352、驱动组件31、控制组件分别电性相连，以用于供电。

本实施例中，驱动组件31采用57CME23-Z型电机，且驱动组件31与控制组件电性相连，通过控制组件调节驱动组件31的转速，进而控制柔性网342的展开面积。驱动组件31为连接在电机输出端的传动轴，即传动轴的一端通过联轴器与电机的输出端固连，另一端与收纳组件33件相连。

本实施例中，收纳组件33为圆片状结构或圆槽状结构，可通过铁皮加工制成。

参考图2，当收纳组件33为圆片状结构时，收纳组件33的背面通过螺栓或焊接等方式与传动轴的端部固定连接。第一电磁铁组351由若干设在收纳组件33正面或背面边缘位置的电磁铁组成，配重块343的数量与第一电磁铁组351中的电磁铁一一对应。当第一电磁铁组351位于收纳组件33正面时，配重块343则直接吸附在对应电磁铁上；当第一电磁铁组351位于收纳组件33背面时，配重块343则直接吸附在收纳组件33正面上与对应电磁铁正对的位置。而第二电磁铁组352由一个或若干设在收纳组件33正面或背面中心位置的电磁铁组成，当第二电磁铁组352位于收纳组件33正面时，碟盘341则直接吸附在第二电磁铁组352上；当第二电磁铁组352位于收纳组件33背面时，碟盘341则直接吸附在收纳组件33正面的中心位置。柔性网342则盘绕在收纳组件33正面且位于碟盘341与配重块343之间的位置，柔性网342并未在图2中示出。其中，电磁铁与收纳组件33通过螺栓连接或焊接的方式与收纳组件33固定相连。需要注意的是，图2中仅仅示出的即为第一电磁铁组351、第二电磁铁组352均位于收纳组件33正面的情况，具体采用何种实施结构，本实施例中不做限定。

参考图3，当收纳组件33为圆槽状结构时，收纳组件33的底面通过螺栓或焊接等方式与传动轴的端部固定连接。第一电磁铁组351由若干设在收纳组件33侧面上的电磁铁组成，配重块343的数量与第一电磁铁组351中的电磁铁一一对应。当第一电磁铁组351位于收纳组件33的内侧面时，配重块343则直接吸附在对应电磁铁上；当第一电磁铁组351位于收纳组件33的外侧面时，配重块343则直接吸附在收纳组件33的内侧面上与对应电磁铁正对的位置。而第二电磁铁组352由一个或若干设在收纳组件33底面或槽底中心位置的电磁铁组成，当第二电磁铁组352位于收纳组件33槽底时，碟盘341则直接吸附在第二电磁铁组352上；当第二电磁铁组352位于收纳组件33底面时，碟盘341则直接吸附在收纳组件33槽底的中心位置。柔性网342则盘绕在收纳组件33槽内且位于碟盘341与配重块343之间的位置。其中，电磁铁与收纳组件33通过螺栓连接或焊接的方式与收纳组件33固定相连。需要注意的是，图3中仅仅示出的即为第一电磁铁组351位于收纳组件33内侧面、第二电磁铁组352均位于收纳组件33槽底的情况，具体采用何种实施结构，本实施例中不做限定。

本实施例中捕获单元3的工作过程为：首先驱动组件31受控制组件控制旋转启动，通过传动组件32带动收纳组件33以及收纳组件33中的捕获组件同步旋转。在捕获组件旋转的过程中，先通过控制组件控制第一电磁铁组351断电，使得配重块343在重力的作用下下落，并在旋转离心力的作用下向四周扩散，使得柔性网342初步展开。此时驱动组件31继续驱动捕获组件旋转，使得柔性网342在离心力的作用下进一步展开；在柔性网342完全展开后，通过控制组件控制第二电磁铁组352断电，使得碟盘341在重力的作用下下落，进而捕获位于捕获单元3正下方的非合作飞行目标。

传动轴为细长杆，连接电机和碟盘341，将电机旋转产生的离心力传递至碟盘341；收纳盒为空心圆柱，位于传动轴的下方，用于收纳电磁铁、碟盘341、柔性网342和配重；电磁铁位于收纳盒内，与碟盘341邻接，受控制器控制，通电则吸附碟盘341和配重块343，断电则释放碟盘341和配重块343；碟盘341位于电磁铁的下方，电磁铁通电时，碟盘341因电磁吸力吸附在电磁铁，电磁铁断电时，碟盘341因电磁吸力消失与电磁铁分离；碟盘341边缘周向开有等距间隔排列的小孔，小孔上系有柔性网342上径线的上端，电机旋转且电磁铁通电时，碟盘341受离心力作用带动绳网和配重旋转展开，当电机旋转速度达到一定值时，柔性网342全部展开，控制器控制电磁铁断电，碟盘341与电磁铁分离，同柔性网342和配重一起降落。

需要注意的是，本实施例中第二电磁铁组352中电磁铁的具体数量可根据碟盘341的大小作出调整，本实施例中不做限定。

需要注意的是，本实施例中的传动轴上设有电滑环36，电源组件通过电滑环36为第一电磁铁组351、第二电磁铁组352供电。

参考图4，本实施例中，柔性网342由若干尼龙材料的径线3421和纬线3422编织而成，径线3421和纬线3422的直径为0.1cm。多根径线3421从碟盘341向四周呈辐射状延伸，纬线3422由碟盘341向四周逐圈与径线3421交错相结；其中，径线3421一端系在碟盘341边缘的小孔中，另一端连接配重块343。配重块343单个质量为0.1g，呈扁平葫芦形，头部开有小孔，柔性网342的径线3421的端部穿过配重块343头部的小孔并打结系牢，其中，图4示出的柔性网为正十六边形结构。

作为优选地实施方案，柔性网的构型为正多边形结构，其正多边形各顶点的编号依次为v₁、v₂、…、v_N，各顶点依次与多边形中心v₀连接，形成柔性网网体径线L₁、L₂、…、L_N，，每一条径线由n个长度相等的径向绳段组成，即径向绳段的总数为N×n，位于同一半径处且相邻的两个径向绳段的端点通过周向绳段相连，即周向绳段的总数为N×(n-1)。其中，每一径向绳段的长度均相等，为：

式中，l_J为径向绳段的长度，r为柔性网的多边形外接圆半径，n为同一径线中径向绳段的数量；

周向绳段的长度为：

式中，l_ZC为第C层周向绳段的长度，N为柔性网中径线的数量，C为周向绳段在柔性网中所在的层数，其中，位于最外层的周向绳段所对应的层数C＝1，并由由外向内依次递增，例如第二层周向绳段所对应的层数C＝2，第三层周向绳段所对应的层数C＝3，依次类推。

参考图5，本实施例中以正八边形结构的柔性网为例，柔性网中各顶点的编号依次为v₁，v₂，…，v₈，节点顺序呈顺时针编号，将各顶点依次与多边形中心v₀连接，形成网体径线L₁，L₂，…，L₈，将各径线划分为10等份形成(8×10)条径向绳段，同时形成[8×(10-1)]个节点，节点顺序按顺时针螺旋编号，将相邻的节点依次连接，形成[8×(10-1)]条周向绳段。每条径向绳段长度均相等，为：

其中，r＝2.5m，为八边形外接圆的半径。

周向绳段长度为：

基于上述的非合作飞行目标的柔性捕获系统，本实施例还公开了一种针对非合作飞行目标的柔性捕获方法，参考图6，该方法具体包括如下步骤：

步骤1，飞行单元1起飞，以不同高度巡飞，并在巡飞过程中利用追踪单元2搜寻非合作飞行目标；

步骤2，追踪单元2获取非合作飞行目标的视频图像，并对视频图像进行检测、识别，完成目标追踪，并将非合作飞行目标实时的追踪信息传送至飞行单元1的控制台，其中，采用基于深度学习的尺度自适应方法对视频图像进行检测、识别，完成目标追踪；

步骤3，飞行单元1基于非合作飞行目标实时的追踪信息靠近抵近非合作飞行目标的正上方，并将捕获单元3对准非合作飞行目标；

步骤4，启动驱动组件31带动收纳组件33以及收纳组件33中的捕获组件旋转，并在旋转过程中通过控制组件控制第一电磁铁组351、第二电磁铁组352的先后断电，进而实现配重块343与碟盘341的先后释放，使得柔性网342在离心力与重力的作用下展开与下落并缠绕捕获非合作飞行目标；

步骤5，飞行单元1返航着陆，捕获任务完成。

参考图7-8，步骤4中，在旋转过程中通过控制组件控制第一电磁铁组351、第二电磁铁组352的先后断电，进而实现配重块343与碟盘341的先后释放，具体包括：

步骤4.1，当驱动组件31的转速以线性方式在时间t₁达到预定转速v₁时，控制组件控制第一电磁铁组351断电，释放配重块343，柔性网342展开过程开始；

步骤4.2，配重块343释放后，控制驱动组件31在时间t₁至t₂区间内保持转速v₁，之后在时间t₂至t₃区间内匀速下降至转速v₂，并保持转速v₂一直到时间t₄；

步骤4.3，在时间t₄至t₅区间内控制驱动组件31的转速由v₂匀速提升至v₃，维持到柔性网342完全展开后，控制组件控制第二电磁铁组352断电释放碟盘341，完成柔性网342的释放后再控制驱动组件31的转速匀速下降至停转。

其中，t₂至t₃区间内匀速下降至转速v₂，并保持转速v₂一直到时间t₄：原因在于，到t₂时刻，柔性网构型已全部展开，后续构型的保持并不再需要转速v₁，柔性网旋转过程存在阻尼，所以采用较小的转速v₂来保持构型。采用此控制策略的优势在于，可以减少控制能耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，其特征在于，包括追踪单元、捕获单元以及可实现起降、巡飞、悬停与机动的飞行单元；

所述追踪单元搭载在飞行单元上，以用于对非合作飞行目标进行追踪瞄准；

所述捕获单元搭载在飞行单元上，以用于对非合作飞行目标进行捕获；

所述捕获单元包括收纳组件、驱动组件、传动组件、释放组件、捕获组件、电源组件与控制组件，所述驱动组件固定设在飞行单元上；

所述捕获组件包括碟盘、柔性网与配重块，所述碟盘连接在柔性网的中心位置，所述配重块的数量为多个且等间隔设在柔性网的边缘位置；

所述收纳组件的一侧通过传动组件连接在驱动组件的输出端上，并在驱动组件的驱动下具有转动的行程，所述捕获组件设在收纳组件的另一侧；

所述释放组件包括第一电磁铁组与第二电磁铁组，所述第一电磁铁组设在收纳组件上对应配重块的位置，以用于吸附配重块；所述第二电磁铁组设在收纳组件上对应碟盘的位置，以用于吸纳碟盘；

所述控制组件与第一电磁铁组、第二电磁铁组电性相连，以用于控制第一电磁铁组、第二电磁铁组的先后断电，进而实现配重块与碟盘的先后释放；

所述第一电磁铁组、第二电磁铁组、驱动组件、控制组件均与电源组件电性相连。

2.根据权利要求1所述食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，其特征在于，所述追踪单元包括云台组件、拍摄组件以及装载有跟踪瞄准算法软件的运算模块；

所述拍摄组件通过云台组件搭载在飞行单元上，以使得拍摄组件可在飞行单元上左右旋转和上下旋转，以最佳的成像角度对非合作飞行目标成像；

所述运算模块设在拍摄组件或飞行单元上，用于对拍摄组件拍摄的视频图像进行处理，检测、识别和跟踪目标，并实时将非合作飞行目标的追踪信息传送至飞行单元的控制台。

3.根据权利要求1或2所述食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，其特征在于，所述柔性网由若干径线和纬线编织而成，多根径线从碟盘向四周呈辐射状延伸，纬线由碟盘向四周逐圈与径线交错相结；其中，所述径线一端系在碟盘边缘的小孔中，另一端连接配重块。

4.根据权利要求1或2所述食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，其特征在于，所述柔性网的构型为正多边形，所述径线由若干长度相等的径向绳段组成，位于同一半径处且相邻的两个径向绳段的端点通过周向绳段相连；

所述径向绳段的长度为：

式中，l_J为径向绳段的长度，r为柔性网的多边形外接圆半径，n为同一径线中径向绳段的数量；

所述周向绳段的长度为：

式中，l_ZC为第C层周向绳段的长度，N为柔性网中径线的数量，C为周向绳段在柔性网中所在的层数，其中，位于最外层的周向绳段所对应的层数C＝1，并由由外向内依次递增。

5.一种针对非合作飞行目标的柔性捕获方法，其特征在于，采用权利要求1或2或3所述食人魔蜘蛛生物启发的非合作飞行目标柔性捕获系统，具体包括如下步骤：

步骤1，飞行单元起飞，以不同高度巡飞，并在巡飞过程中利用追踪单元搜寻非合作飞行目标；

步骤2，追踪单元获取非合作飞行目标的视频图像，并对视频图像进行检测、识别，完成目标追踪，并将非合作飞行目标实时的追踪信息传送至飞行单元的控制台；

步骤3，飞行单元基于非合作飞行目标实时的追踪信息靠近抵近非合作飞行目标的正上方，并将捕获单元对准非合作飞行目标；

步骤4，启动驱动组件带动收纳组件以及收纳组件中的捕获组件旋转，并在旋转过程中通过控制组件控制第一电磁铁组、第二电磁铁组的先后断电，进而实现配重块与碟盘的先后释放，使得柔性网在离心力与重力的作用下展开与下落并缠绕捕获非合作飞行目标；

步骤5，飞行单元返航着陆，捕获任务完成。

6.根据权利要求5所述针对非合作飞行目标的柔性捕获方法，其特征在于，步骤2中，采用基于深度学习的尺度自适应方法对视频图像进行检测、识别，完成目标追踪。

7.根据权利要求5所述针对非合作飞行目标的柔性捕获方法，其特征在于，步骤4中，所述在旋转过程中通过控制组件控制第一电磁铁组、第二电磁铁组的先后断电，进而实现配重块与碟盘的先后释放，具体包括：

步骤4.1，当驱动组件的转速以线性方式在时间t₁达到预定转速v₁时，控制组件控制第一电磁铁组断电，释放配重块，柔性网展开过程开始；

步骤4.2，配重块释放后，控制驱动组件在时间t₁至t₂区间内保持转速v₁，之后在时间t₂至t₃区间内匀速下降至转速v₂，并保持转速v₂一直到时间t₄；

步骤4.3，在时间t₄至t₅区间内控制驱动组件的转速由v₂匀速提升至v₃，维持到柔性网完全展开后，控制组件控制第二电磁铁组断电释放碟盘，完成柔性网的释放后再控制驱动组件的转速匀速下降至停转。

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