CN112946766A - 一种基于群体智能的地雷探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于群体智能的地雷探测方法及系统，涉及地雷探测技术领域，所述系统包括：探测无人机群和多台基座，探测无人机群包括至少两台探测无人机，每台探测无人机均对应部署于一台基座；所述方法为：在作业区域的边界间隔设置多个UWB定位装置，以向探测无人机群指示作业区域；探测无人机群采用编队控制算法确定的飞行编队飞行，每台探测无人机对作业区域进行探测，将确定的地雷探测结果实时上报给基座的第二自组网通信装置；当探测无人机群完成整个探测区域的探测任务后，每台探测无人机朝各自的基座方向飞行，通过第二激光雷达与第一激光雷达实现探测无人机的回收，本发明可以提高地雷探测的准确率、降低探测成本。

Description

一种基于群体智能的地雷探测方法及系统

技术领域

本发明涉及地雷探测技术领域，具体涉及一种基于群体智能的地雷探测方法及系统。

背景技术

地雷作为一种价格低廉的防御武器，在战争中被广泛使用，但在战后存在着诸多隐患和危害。据统计，二次世界大战以后，世界各地遗留了许多地雷，地雷带来的危害不言而喻，不论从经济角度还是从人道主义出发，排除掩埋地雷带来的隐患已然成为世界各国共同应对的全球性问题。

现有技术中，探测地雷的主流手段主要有以下几种：

1、红外成像探雷方式：该方式分为被动式和主动式，被动探雷方式使用较为频繁。红外探雷技术可进行大面积雷场的快速探测，但是图像分辨率低，丢失细节信息较多，导致探测率下降。

2、金属探测器：随着技术的发展，现代新型地雷金属零部件变少，探测器灵敏度变高，从而导致虚警率增高，检测效率降低。

3、UWB冲击脉冲雷达技术：该技术的探测原理就是利用地雷的金属外壳、塑料外壳、或炸药的介电常数与土壤的介电常数差异反射不同的雷达波，从而识别隐藏的地雷。该技术具有较强的环境适应能力，灵敏度高，但也容易受到各种噪声的影响。

随着地雷隐身技术的发展，使得地雷在红外、磁等辐射特征较以前有了大幅的减小，仅靠单一手段无法实现对实际环境中的地雷区域进行快速、安全和准确地探测。

因此，为了实现对掩埋雷目标的精准实时探测，亟待一种具有更高精度和效率的探测技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于群体智能的地雷探测方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于群体智能的地雷探测系统，包括：探测无人机群和多台基座，所述探测无人机群包括至少两台探测无人机，每台探测无人机均对应部署于一台基座；

所述探测无人机包括：

第一UWB定位装置，用于对探测无人机自身的位置信息进行实时定位；

第一自组网通信装置，用于将探测无人机自身的地雷探测结果和位置信息在探测无人机群内部实时广播，并同步接收探测无人机群中其他探测无人机的地雷探测结果和位置信息；

第一激光雷达，用于对所述探测无人机的下方进行激光感知；

磁力仪，用于探测地雷的磁异常信号；

UWB探地雷达，用于探测物体形状信息；

信息处理模块，用于对所述地雷的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定地雷探测结果；

飞行控制模块，用于采用编队控制算法确定探测无人机群的飞行编队，以使按所述探测无人机群按所述飞行编队对作业区域进行探测，并在所述探测无人机群探测到目标雷达后，控制每个探测无人机返回各自的基座；

所述基座包括：

第二UWB定位装置，用于对所述基座的位置信息进行实时定位；

第二自组网通信装置，用于实时接收所述探测无人机群的地雷探测结果、以及向所述探测无人机群发送所述基座的位置信息；

第二激光雷达，用于对所述基座的上方进行激光感知；

人机交互装置，用于实时显示所述探测无人机群的位置信息、以及地雷探测结果。

进一步，所述探测无人机飞行在地面上方0.5m至1m处。

进一步，所述磁力仪采用光泵磁力仪。

进一步，所述地雷探测结果包括不存在地雷、以及存在地雷两种结果，当所述地雷探测结果为存在地雷时，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域。

进一步，所信息处理模块具体用于：

获取磁力仪探测到的磁异常信号、以及UWB探地雷达对磁异常信号区域探测得到的物体形状信息，将所述物体形状信息与地雷形状进行比对，当比对结果一致时，确定该物体为地雷，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域；否则，确定所述地雷探测结果为不存在地雷。

一种基于群体智能的地雷探测方法，应用于上述任一所述的基于群体智能的地雷探测系统，所述方法包括以下步骤：

S100、在作业区域的边界间隔设置多个UWB定位装置，以向探测无人机群指示作业区域；

S200、探测无人机群中的探测无人机从各自的基座出发，每台探测无人机中的飞行控制模块采用编队控制算法共同确定探测无人机群的飞行编队，并控制各自的探测无人机按所述飞行编队飞行；

S300、在探测无人机群飞行过程中，每台探测无人机通过各自搭载的磁力仪对作业区域中地雷的磁异常信号进行探测，通过UWB探地雷达对作业区域中的物体形状信息进行探测；

S400、每台探测无人机中的信息处理模块对各自探测到的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定该探测无人机的地雷探测结果，并将该地雷探测结果实时上报给基座的第二自组网通信装置；

S500、当探测无人机群完成整个探测区域的探测任务后，每台探测无人机朝各自的基座方向飞行；

S600、当基座上的第二激光雷达检测到探测无人机时，通过与所述探测无人机上的第一激光雷达对接，实现探测无人机与基座的对接，完成探测无人机上的回收工作。

进一步，所述每台探测无人机中的信息处理模块对各自探测到的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定该探测无人机的地雷探测结果，具体为：

当磁力仪探测到地雷的磁异常信号时，信息处理模块获取UWB探地雷达对磁异常信号区域探测得到的物体形状信息，将所述物体形状信息与地雷形状进行比对，当比对结果一致时，确定该物体为地雷，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域；否则，确定所述地雷探测结果为不存在地雷。

本发明的有益效果是：本发明提供一种基于群体智能的地雷探测方法及系统，本发明根据野战环境下扫雷任务的特点和需求，各自搭载不同的探测器，分别完成搜索、识别等任务，使得多台探测无人机可以相互协作完成任务，通过将磁力仪和UWB探地雷达相融合的方式，提高了探测的准确率、降低了虚警率，利用探测无人机群实现地雷区域的快速探测、降低了探雷成本。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中基于群体智能的地雷探测系统的一个应用场景示意图；

图2是本发明实施例中基于群体智能的地雷探测系统的另一应用场景示意图；

图3为本发明实施例中基于群体智能的地雷探测方法的流程示意图；

图中，100-探测无人机，200-可疑目标，300-地雷，400-石头。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图1，本发明实施例提供一种基于群体智能的地雷探测系统，包括：探测无人机群和多台基座，所述探测无人机群包括至少两台探测无人机，每台探测无人机均对应部署于一台基座；

所述探测无人机设置有：

第一UWB(Ultra-Wide-Band,超宽带)定位装置，用于对探测无人机自身的位置信息进行实时定位；

第一自组网通信装置，用于将探测无人机自身的地雷探测结果和位置信息在探测无人机群内部实时广播，并同步接收探测无人机群中其他探测无人机的地雷探测结果和位置信息；

第一激光雷达，用于对所述探测无人机下方的周围环境进行感知；在一个示例性的实施例中，所述第一激光雷达设置于所述探测无人机本体下方，用于对探测无人机下方的周围环境进行精确感知，从而避开障碍物飞行，实现自主避障功能。

磁力仪，用于探测地雷的磁异常信号；采用磁力仪也可以对地下的磁异常信号进行探测，从而确定作业区域的地面和地下是否存在地雷的磁异常信号；

UWB探地雷达(UWB Ground-Penetrating-Radar，超宽带探地雷达)，用于探测物体形状信息；采用UWB探地雷达也可以对地下物体的形状进行探测，从而确定作业区域的地面和地下是否存在地雷形状的物体；

信息处理模块，用于对所述地雷的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定地雷探测结果；

飞行控制模块，用于采用编队控制算法确定探测无人机群的飞行编队，以使按所述探测无人机群按所述飞行编队对作业区域进行探测，并在所述探测无人机群探测到目标雷达后，控制每个探测无人机返回各自的基座；从而实现探测无人机群的编队飞行的控制功能。

所述基座设置有：

第二UWB定位装置，用于对所述基座的位置信息进行实时定位；

第二自组网通信装置，用于实时接收所述探测无人机群的地雷探测结果、以及向所述探测无人机群发送所述基座的位置信息；

第二激光雷达，用于对所述基座上方的周围环境进行感知；在一个示例性的实施例中，第二激光雷达设置于基座上方，用于对所述基座上方的周围环境进行精确感知，从而精准回收所述探测无人机；

人机交互装置，用于实时显示所述探测无人机群的位置信息、地雷的位置信息、以及地雷探测结果。

在本实施例中，所述编队控制算法是基于局部信息交互的分布式编队控制方法，具体地，探测无人机群中的每台探测无人机通过自身搭载的第一激光雷达对周围的障碍物位置信息进行探测，得到各台探测无人机的局部信息，接着将每台探测无人机感知到的局部信息融合起来，构成全局信息，再根据全局信息进行自主避障路径规划，得到探测无人机群的自主规划路径，探测无人机群在飞行过程中执行自主规划路径，从而对作业区域的地雷进行探测，本发明提供的实施例可实现探测无人机群自主规划路径，不需要依赖人工下发路径规划指令。

本实施例所述的局部信息是指每台探测无人机探测感知到的障碍物信息，由于每台探测无人机的探测范围是有限的，只能对单一角度范围进行探测感知。在每台探测无人机探测的角度设定好后，其就只能对固定方向进行探测感知，在一个具体实施例中，通过将探测无人机群进行合理排布，使得探测无人机之间的探测范围具有重叠的作业区域，形成对探测范围的无死角探测。将每台探测无人机感知到的局部信息融合起来，就可以构成全局信息。本实施例通过编队控制算法将每台探测无人机有序联结起来，形成对作业区域的全方位探测；使用时，可以根据需要增加USV数量，从而扩大探测范围，提高探测效率。

在本实施例中，信息融合和交叉定位只是在相互邻近的探测无人机之间进行，通过各自搭载的第二UWB定位装置进行局部交互通信，不需要全局信息和/或人工进行信息处理，具有完全的自主控制能力；采用的超宽带通信具有抗干扰能力强的特点，保障了通信质量。

本发明实现了对不同类型地雷的自主高效探测，相较于现有技术方案，实现了地雷探测的全过程智能控制，降低了地雷探测的复杂性和成本，提升了系统的鲁棒性，确保了探测信息的实时性、准确性。

进一步作为改进的实施方式，所述探测无人机飞行在地面上方0.5m至1m处。从而在便于躲避障碍物的同时，可以尽可能提高探测准确率。

进一步作为改进的实施方式，所述磁力仪采用光泵磁力仪。光泵磁力仪的探测灵敏度为0.01nT量级，理论灵敏度高达0.01～0.0001nT，可以精确的探测地雷的磁异常信号。

进一步作为改进的实施方式，所述地雷探测结果包括不存在地雷、以及存在地雷两种结果，当所述地雷探测结果为存在地雷时，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域。

进一步作为改进的实施方式，所信息处理模块具体用于：

获取磁力仪探测到的磁异常信号、以及UWB探地雷达对磁异常信号区域探测得到的物体形状信息，将所述物体形状信息与地雷形状进行比对，当比对结果一致时，确定该物体为地雷，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域；否则，确定所述地雷探测结果为不存在地雷。

参考图1和图2，图1和图2为本发明提供的现场示意图，如图1所示，探测无人机100飞行在地面上方，通过UWB探地雷达探测得到的物体形状信息确定出两个可疑目标200，如图2所示，通过磁力仪探测可疑目标200的磁异常信号，确定一个可疑目标为石头400，另一个可疑目标为地雷300。

本发明针对现有地雷探测手段的不足，采用基于群体智能的便携式自主地雷探测系统可以极大的提高探测效率和准确性。与目前的地雷探测手段相比，本发明做出了如下改进：

1、实时性好：本发明提供的信息处理模块能够独立自主的对地雷进行快速、高精度识别，不需要将采集到的数据回传给人工进行识别，确保了探测结果的实时性。

2、探测效率高：本发明根据探雷任务的特点和需求，在探测无人机上搭载磁力仪以便进行贴地飞行。采用编队控制算法确定探测无人机群的飞行编队，使得多台探测无人机可以相互协作完成任务，共同完成作业区域的探雷任务，极大地提高了探测效率。

3、自适应能力强：本发明具有自主避障功能和编队保持功能，可以适应复杂的野战环境，无需人为控制或干预。

4、定位简单。本发明采用UWB定位技术，通过建立局部坐标体系进行实时定位，无需依赖GPS等全局坐标信息，具有抗干扰性强的优势。

参考图3，本发明实施例还提供一种基于群体智能的地雷探测方法，应用于上述任一实施例提供的基于群体智能的地雷探测系统，所述方法包括以下步骤：

S100、在作业区域的边界间隔设置多个UWB定位装置，以向探测无人机群指示作业区域；

通过提供多个UWB定位装置，向探测无人机发送超宽带电磁波，可以给探测无人机群指示作业区域；在一个示例性的实施例中，在作业区域的边界等间距设置多个UWB定位装置。

S200、探测无人机群中的探测无人机从各自的基座出发，每台探测无人机中的飞行控制模块采用编队控制算法共同确定探测无人机群的飞行编队，并控制各自的探测无人机按所述飞行编队飞行；

S300、在探测无人机群飞行过程中，每台探测无人机通过各自搭载的磁力仪对作业区域中地雷的磁异常信号进行探测，通过UWB探地雷达对作业区域中的物体形状信息进行探测；

S400、每台探测无人机中的信息处理模块对各自探测到的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定该探测无人机的地雷探测结果，并将该地雷探测结果实时上报给基座的第二自组网通信装置；

S500、当探测无人机群完成整个探测区域的探测任务后，每台探测无人机朝各自的基座方向飞行；

S600、当基座上的第二激光雷达检测到探测无人机时，通过与所述探测无人机上的第一激光雷达对接，实现探测无人机与基座的对接，完成探测无人机上的回收工作。

探测无人机群完成整个探测区域的探测任务后，每台探测无人机朝各自的基座方向飞行，在返回到基座附近时，基座上的第二激光雷达会检测到探测无人机，通过第二激光雷达与第一激光雷达对接，实现探测无人机与基座的对接。

进一步作为改进的实施方式，所述每台探测无人机中的信息处理模块对各自探测到的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定该探测无人机的地雷探测结果，具体为：

当磁力仪探测到地雷的磁异常信号时，信息处理模块获取UWB探地雷达对磁异常信号区域探测得到的物体形状信息，将所述物体形状信息与地雷形状进行比对，当比对结果一致时，确定该物体为地雷，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域；否则，确定所述地雷探测结果为不存在地雷。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述方法实施例可借助软件的实现方式，以软件形式加载到每台探测无人机上，以进行基于群体智能的地雷探测。本发明提供的方法实施例所取得的有益效果与系统实施例一致。

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

Claims (7)

1.一种基于群体智能的地雷探测系统，其特征在于，包括：探测无人机群和多台基座，所述探测无人机群包括至少两台探测无人机，每台探测无人机均对应部署于一台基座；

所述探测无人机包括：

第一UWB定位装置，用于对探测无人机自身的位置信息进行实时定位；

第一自组网通信装置，用于将探测无人机自身的地雷探测结果和位置信息在探测无人机群内部实时广播，并同步接收探测无人机群中其他探测无人机的地雷探测结果和位置信息；

第一激光雷达，用于对所述探测无人机的下方进行激光感知；

磁力仪，用于探测地雷的磁异常信号；

UWB探地雷达，用于探测物体形状信息；

信息处理模块，用于对所述地雷的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定地雷探测结果；

飞行控制模块，用于采用编队控制算法确定探测无人机群的飞行编队，以使按所述探测无人机群按所述飞行编队对作业区域进行探测，并在所述探测无人机群探测到目标雷达后，控制每个探测无人机返回各自的基座；

所述基座包括：

第二UWB定位装置，用于对所述基座的位置信息进行实时定位；

第二自组网通信装置，用于实时接收所述探测无人机群的地雷探测结果、以及向所述探测无人机群发送所述基座的位置信息；

第二激光雷达，用于对所述基座的上方进行激光感知；

人机交互装置，用于实时显示所述探测无人机群的位置信息、以及地雷探测结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于群体智能的地雷探测系统，其特征在于，所述探测无人机飞行在地面上方0.5m至1m处。

3.根据权利要求1所述的一种基于群体智能的地雷探测系统，其特征在于，所述磁力仪采用光泵磁力仪。

4.根据权利要求1所述的一种基于群体智能的地雷探测系统，其特征在于，所述地雷探测结果包括不存在地雷、以及存在地雷两种结果，当所述地雷探测结果为存在地雷时，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域。

5.根据权利要求4所述的一种基于群体智能的地雷探测系统，其特征在于，所信息处理模块具体用于：

获取磁力仪探测到的磁异常信号、以及UWB探地雷达对磁异常信号区域探测得到的物体形状信息，将所述物体形状信息与地雷形状进行比对，当比对结果一致时，确定该物体为地雷，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域；否则，确定所述地雷探测结果为不存在地雷。

6.一种基于群体智能的地雷探测方法，应用于权利要求1至5任一所述的基于群体智能的地雷探测系统，其特征在于，包括以下步骤：

S100、在作业区域的边界间隔设置多个UWB定位装置，以向探测无人机群指示作业区域；

S200、探测无人机群中的探测无人机从各自的基座出发，每台探测无人机中的飞行控制模块采用编队控制算法共同确定探测无人机群的飞行编队，并控制各自的探测无人机按所述飞行编队飞行；

S300、在探测无人机群飞行过程中，每台探测无人机通过各自搭载的磁力仪对作业区域中地雷的磁异常信号进行探测，通过UWB探地雷达对作业区域中的物体形状信息进行探测；

S400、每台探测无人机中的信息处理模块对各自探测到的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定该探测无人机的地雷探测结果，并将该地雷探测结果实时上报给基座的第二自组网通信装置；

S500、当探测无人机群完成整个探测区域的探测任务后，每台探测无人机朝各自的基座方向飞行；

S600、当基座上的第二激光雷达检测到探测无人机时，通过与所述探测无人机上的第一激光雷达对接，实现探测无人机与基座的对接，完成探测无人机的回收工作。

7.根据权利要求6所述的一种基于群体智能的地雷探测方法，其特征在于，所述每台探测无人机中的信息处理模块对各自探测到的磁异常信号以及物体形状信息进行实时融合处理，确定该探测无人机的地雷探测结果，具体为：

当磁力仪探测到地雷的磁异常信号时，信息处理模块获取UWB探地雷达对磁异常信号区域探测得到的物体形状信息，将所述物体形状信息与地雷形状进行比对，当比对结果一致时，确定该物体为地雷，该地雷的位置信息为探测到磁异常信号的区域；否则，确定所述地雷探测结果为不存在地雷。

Images