CN112684414A

CN112684414A - 无人机反制方法及装置

Info

Publication number: CN112684414A
Application number: CN202011521388.1A
Authority: CN
Inventors: 韦善革; 曾焕钊; 王昭天; 梁青青; 覃甜甜
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2021-04-20

Abstract

本发明公开了无人机反制方法，包括：采集目标无人机的多个声音信号，多个声音信号由多个麦克风采集得到，其中，在横向方向、纵向方向和竖向方向上的麦克风数量均至少两个；利用横向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、利用纵向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、利用竖向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、声音信号的传播速度，计算得到目标无人机的位置信息；向目标无人机所在的位置发射干扰GPS信号和遥控通信信号的干扰波。本发明还提供了无人机反制装置。本发明的定位方法具有精度高、运算量小、成本低等优点，且更安全、用途更加广泛、也更加节能，并可根据定位信息对无人机进行反制。

Description

无人机反制方法及装置

技术领域

本发明涉及无人机相关技术领域。更具体地说，本发明涉及一种无人机反制方法及装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展和进步，民用无人机被广泛应用于各个行业领域，包括航拍测绘、农业用途和搜救探索等方面。但是，无人机的安全问题也接踵而来，各行业、个人在使用无人机过程中的合法性一直较为模糊，按照中国民航的规定，我们生活中常见的无人机、小飞机，一般是指民用无人驾驶航空器；而拥有无人机的单位和个人，都必须进行实名登记、飞行申报等程序，才能飞行。凡是没有进行上述程序的，没有经过民用无人驾驶航空器系统驾驶员的训练并考取合格证的，没有向军航和民航申请飞行计划的，且只要不是在室内飞行、空旷之地的试验飞行和微型无人机的飞行行为都属于“黑飞”。

现如今，绝大多数无人机处在“黑飞”状态，严重威胁到公共安全、飞行安全等诸多方面，特别是在各大活动期间以及活动举办场所。因此，亟需设计一种能够对无人机进行定位、反制的技术方案。

发明内容

本发明的一个目的是提供无人机反制方法及装置，能够根据定位信息对无人机进行反制，定位方法具有精度高、运算量小、成本低等优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，根据本发明的一个方面，提供了无人机反制方法，包括：

采集目标无人机的多个声音信号，多个所述声音信号由多个麦克风采集得到，其中，在横向方向、纵向方向和竖向方向上的麦克风数量均至少两个；

利用横向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、纵向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、竖向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、声音信号的传播速度，计算得到目标无人机的位置信息；

根据目标无人机的位置信息，向目标无人机所在的位置发射干扰GPS信号和遥控通信信号的干扰波。

进一步地，所述的无人机反制方法，建立坐标系，横向方向上的两个麦克风位于横轴上，且距离原点的距离相等；纵向方向上的两个麦克风位于纵轴上，且距离原点的距离相等；竖向方向上的两个麦克风位于竖轴上，且距离原点的距离相等。

进一步地，所述的无人机反制方法，根据横轴、纵轴、竖轴上麦克风的坐标以及对应的声音信号到达的时间差，计算目标无人机的坐标。

进一步地，所述的无人机反制方法，根据目标无人机的坐标，计算目标无人机的水平方位角、仰角及距离。

进一步地，所述的无人机反制方法，对横向方向的两个麦克风的声音信号、纵向方向的两个麦克风的两个声音信号、竖向方向的两个麦克风的两个声音信号分别利用互相关算法处理，获得相关程度最大的时刻，进而获得声音信号到达的时间差。

进一步地，所述的无人机反制方法，利用互相关算法处理之前，对声音信号进行滤波处理，并提取声音信号中的无人机特征频率。

根据本发明的另一个方面，提供了无人机反制装置，包括：

麦克风阵列，在横向方向、纵向方向和竖向方向上的麦克风数量均至少两个，用于采集目标无人机的声音信号；

上位机，其用于利用横向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、利用纵向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、利用竖向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、声音信号的传播速度，计算得到目标无人机的位置信息；

舵机云台和电磁枪，所述电磁枪设置在所述舵机云台上，所述舵机云台用于根据无人机的位置信息，控制所述电磁枪的发射方向，并控制所述电磁枪发射干扰GPS信号和遥控通信信号的干扰波。

进一步地，所述的无人机反制装置，其特征在于，麦克风的数量为六个，六个麦克风的连线构成一八面体。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明通过三个方向上至少六个麦克风采集目标无人机的声音信号，对目标无人机进行定位，具有成本低、定位精度高的优点，可对无人机进行全天候监测并实施拦截，减轻人力使用，高效便捷的特点，其应用场所广泛，市场前景广阔。本发明采用被动式探测无人机的方法，比主动探测技术(有源探测)更加安全、用途更加广泛、也更加节能。本发明的定位方法，在保证了实际定位所需精度的同时降低了算法的复杂性，降低了运算量。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的框架图；

图2为本发明的麦克风阵列结构；

图3为本发明定位方法的示意图；。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1～3所示，本申请的实施例提供了无人机定位方法，包括：采集目标无人机的多个声音信号，多个所述声音信号由多个麦克风采集得到，其中，在横向方向、纵向方向和竖向方向上的麦克风数量均至少两个；利用横向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、纵向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、竖向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、声音信号的传播速度，计算得到目标无人机的位置信息；根据目标无人机的位置信息，控制电磁枪向目标无人机所在的位置发射干扰GPS信号和遥控通信信号的干扰波，使无人机失去控制达到反制的目的，且干扰波为指向性波束，能有效避免误干扰周围的电子设备。

利用多个麦克风采集无人机的声音信号，通过目标无人机、麦克风的几何关系以及声音信号到达的时间差、声音信号的传播速度，即可得到目标无人机的位置信息，这是声源定位法的一般原理。在上述实施例中，麦克风的数量至少为六个，六个麦克风在横向方向、纵向方向以及竖向方向上各两个，各方向上的麦克风间距已知，结合各方向上声音信号到达两个麦克风的时间差、以及声音信号传播速度，建立方程组，即可计算得到目标无人机的位置信息。根据确定目标无人机的位置信息；向目标无人机所在的位置发射干扰GPS信号和遥控通信信号的干扰波。GPS信号有两个通信频段(L1:1575.42+/-10MHz，L2:1227.60+/-10MHz)，无人机通常使用L1频段，需要使用对应频段的干扰模块和天线对1.5GHz频段的信号进行压制。目前，民用无人机遥控通信频段主要为2.4GHz和5.8GHz，需要用到对应频段的干扰模块和天线对其进行压制。本实施例的定位方法通过设计各麦克风的位置，保证了实际定位所需精度的同时，降低了定位算法的复杂性，降低了运算量，根据目标无人机所在的位置，可以用现有的干扰设备对GPS信号和遥控通信信号进行干扰，以制伏无人机。

在另一些实施例中，建立坐标系，横向方向上的两个麦克风位于横轴上，且距离原点的距离相等；纵向方向上的两个麦克风位于纵轴上，且距离原点的距离相等；竖向方向上的两个麦克风位于竖轴上，且距离原点的距离相等。

通过声源声音传播到两个麦克风的时间不同，求出其时间差τ，再根据声音的传播速度c计算出路程差，即Δs＝cτ。由路程差与设计的麦克风阵列模型相结合，用相应的算法计算出声源的距离和方位角。

在三维空间中，目标无人机声源到麦克风的距离差形成了一对以这两个麦克风为焦点的双曲面，三对麦克风就形成了三对双曲面，其中两单边双曲面相交得到一条曲线，这条曲线与第三对双曲面相交得一点，即为无人机的位置。设麦克风到坐标系原点的距离为d，无人机到各麦克风的距离分别为s₁、s₂、s₃、s₄、s₅、s₆，无人机到x轴上两麦克风的距离差为r₁、y轴上的为r₂、z轴上的为r₃，无人机位置坐标为(x,y,z)。当无人机进入麦克风阵列的有效探测范围后，便可以计算出其具体坐标位置。

在另一些实施例中，根据横轴、纵轴、竖轴上麦克风的坐标以及对应的声音信号到达的时间差，计算目标无人机的坐标，具体计算方法如下：

距离差的表达式为：

r₁＝s₂-s₁

r₂＝s₄-s₃

r₃＝s₆-s₅ (5-1)

将(5-1)代入下列方程组，得

联立(5-2)方程组可解出无人机的位置坐标x、y、z，得

在另一些实施例中，根据目标无人机的坐标，计算目标无人机的水平方位角、仰角及距离。设无人机的水平方位角为α，仰角为β，到阵列中心的距离为s，如下式所示，可以由(5-3)的坐标值得到无人机的方位角以及实际距离。

无人机水平方位角为：

无人机仰角为：

无人机到阵列中心的距离为：

在另一些实施例中，对横向方向的两个麦克风的声音信号、纵向方向的两个麦克风的两个声音信号、竖向方向的两个麦克风的两个声音信号分别利用互相关算法处理，获得相关程度最大的时刻，进而获得声音信号到达的时间差。互相关函数，表示的是两个时间序列之间的相关程度，即描述信号x(t)，y(t)在任意两个不同时刻t₁，t₂的取值之间的相关程度。描述两个不同的信号之间的相关性时，这两个信号可以是随机信号，也可以是确知信号。互相关可以描述为：声源传输至第一个麦克风的时间为t，传输至第二个麦克风的时间为t+τ，τ为二者的延时时间。x(t)和y(t)分别为第一个麦克风和第二个麦克风所采集到的同频信号序列。x(t)和y(t)的互相关R_xy(t)由以下等式定义：

其中，符号

表示相关。例如，可以使用LabVIEW软件自带的VI互相关可以得到两信号的相关程度，相关程度最大的时刻即为延时时间τ。

在另一些实施例中，利用互相关算法处理之前，对声音信号进行滤波处理，并提取声音信号中的无人机特征频率，即获取无人机旋翼发出的声音信号，去除环境信号。

本申请的实施例提供了无人机反制装置，包括：麦克风阵列，在横向方向、纵向方向和竖向方向上的麦克风数量均至少两个，用于采集目标无人机的声音信号；上位机，其用于利用横向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、利用纵向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、利用竖向方向的两个麦克风的间距及声音信号到达的时间差、声音信号的传播速度，计算得到目标无人机的位置信息；舵机云台和电磁枪，所述电磁枪设置在所述舵机云台上，所述舵机云台用于根据无人机的位置信息，控制所述电磁枪的发射方向，并控制所述电磁枪发射干扰GPS信号和遥控通信信号的干扰波。

更具体地，可以由麦克风阵列(6个麦克风)、NI DAQ数据采集卡、NI myRIO嵌入式控制器、舵机云台、反无人机电磁枪以及上位机构成。无人机在进入麦克风阵列的有效监测范围后，麦克风阵列对无人机的声音信号进行采集，经NI DAQ数据采集卡将声音的模拟信号传至上位机，并对信号进行滤波处理，提取无人机的特征频率，再通过互相关算法处理两个麦克风的声音信号，得到两信号在时域中的相关程度图像，经峰值检测后得到相关程度最大的时刻，即为无人机发出的声音传播至麦克风的时间差，然后通过时差定位算法计算出无人机的仰角、方位角和距离，用得到的仰角和方位角控制舵机云台瞄准无人机并开启反无人机电磁枪，从而实现对无人机的实时追踪与拦截。舵机云台使用NI myRIO控制器进行控制，并使用PID控制算法使云台获得更稳定的运行效果。舵机云台搭载的反无人机电磁枪主要由两大部件组成，无人机干扰模块(功率10W，功能为生成特定频段信号和功率放大)和八木天线。电磁枪一共用到3个干扰模块和3个八木天线。当无人机进入探测范围后，舵机云台便控制天线指向无人机所在区域，并控制继电器同时开启3个干扰模块，发出电磁脉冲干扰波，对无人机的控制信号进行干扰，以制伏无人机。

在另一些实施例中，麦克风的数量为六个，六个麦克风的连线构成一八面体，通过设计各麦克风的位置，保证了定位所需精度的同时，还降低了定位算法的复杂性，降低了运算量。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明无人机定位方法、反制方法及装置的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.无人机反制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的无人机反制方法，其特征在于，建立坐标系，横向方向上的两个麦克风位于横轴上，且距离原点的距离相等；纵向方向上的两个麦克风位于纵轴上，且距离原点的距离相等；竖向方向上的两个麦克风位于竖轴上，且距离原点的距离相等。

3.如权利要求2所述的无人机反制方法，其特征在于，根据横轴、纵轴、竖轴上麦克风的坐标以及对应的声音信号到达的时间差，计算目标无人机的坐标。

4.如权利要求3所述的无人机反制方法，其特征在于，根据目标无人机的坐标，计算目标无人机的水平方位角、仰角及距离。

5.如权利要求4所述的无人机反制方法，其特征在于，对横向方向的两个麦克风的声音信号、纵向方向的两个麦克风的两个声音信号、竖向方向的两个麦克风的两个声音信号分别利用互相关算法处理，获得相关程度最大的时刻，进而获得声音信号到达的时间差。

6.如权利要求5所述的无人机反制方法，其特征在于，利用互相关算法处理之前，对声音信号进行滤波处理，并提取声音信号中的无人机特征频率。

7.无人机反制装置，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的无人机反制装置，其特征在于，麦克风的数量为六个，六个麦克风的连线构成一八面体。