CN113357965A - 基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置及方法，属于无人机技术领域，无人机捕获装置包括地面控制中心和无人机机载端，无人机机载端包括无线通信模块、中央控制器、环扫毫米波雷达点云成像模块、武器系统模块、瞄准模块、供电模块和减速模块；地面控制中心分别与中央控制器、武器系统模块无线通信连接，地面控制中心与捕获无人机通信连接；中央控制器分别与环扫毫米波雷达点云成像模块、瞄准模块和减速模块通信连接；所述方法基于所述无人机捕获装置进行捕获，本发明能够在夜晚，或者有烟雾等干扰下，对违反规定的无人机进行准确捕获，并且尽可能的保证双方无人机都能够安全返航，避免了因无人机坠落引发的二次灾害。

Description

基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置及方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置及方法。

背景技术

近年来，随着无人机技术的快速发展，广泛的运用于人们的工作生活中，无人机给人们带来了极大的便利，同时也引发了一系列的问题，比如无人机黑飞问题，无人机出现在机场等禁飞区，严重威胁人民生命安全，无人机出现在军事禁区以后，又会导致泄密事件的发生，威胁国家安全。所以说无人机黑飞问题，已经越来越成为迫切需要解决的问题。但是由于无人机具有“低慢小”的特点，如果简单的用地面武器进行攻击，很困难，并且假如无人机上携带有危险品，直接摧毁又会引发新的危害(而且坠毁以后又会对地面的人民生命安全造成威胁)。所以说在这样的大环境下急需一种能够在空中对无人机进行精准捕获，并且无损的回收带回的装置。

中国专利文献中公开了一种针对旋翼无人机的捕获装置及捕获方法，详见申请公布号CN109443097A，该方案是在地面进行瞄准，然后通过飞弹发射器对空中无人机进行攻击，最终实现对无人机进行捕获。

中国专利文献中公开了一种反无人机绳网捕获方法，详见申请公布号CN112161522A，该方法采用类似于发射“导弹”的办法，将无人机网住以后，释放降落伞，实现对无人机的无损捕获。

随着无人机技术的普及，反无人机技术也越来越成为人们关注的热点话题，如何能够在复杂环境下探测到无人机，如何能够精准的捕获无人机，如何能够无损的将无人机带回地面，已经是人们迫切需要解决的问题。

上述提及的“一种针对旋翼无人机的捕获装置及捕获方法”虽然可以捕获无人机，但是由于在地面上，所以对空中无人机的捕获能力还是有限的，比如恶劣环境下，或者对方无人机高度过高的时候，这种装置的问题都会暴漏出来，而且在地面进行攻击以后，其实是一种破坏性的攻击，会造成对方无人机的彻底损坏。

上述提及的“反无人机绳网捕获方法”如果没有精准的瞄准系统，很难进行实现对无人机的精准捕获，而且由于在地面进行发射，对于高空中的无人机很难进行捕获，复杂环境下，比如烟雾，有遮挡物的时候，就很难发挥它的作用。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，该装置能够在夜晚，或者有烟雾等干扰下，对违反规定的无人机进行准确捕获，并且尽可能的保证双方无人机都能够安全返航，避免了因无人机坠落引发的二次灾害。

本发明的另一目的是提供一种基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，该无人机捕获装置包括地面控制中心和无人机机载端，其特征在于：所述无人机机载端安装在捕获无人机上；所述无人机机载端包括无线通信模块、中央控制器、环扫毫米波雷达点云成像模块、武器系统模块、瞄准模块、供电模块和减速模块；所述地面控制中心通过无线通信模块分别与中央控制器、武器系统模块无线通信连接，同时地面控制中心与所述捕获无人机通信连接；所述中央控制器分别与环扫毫米波雷达点云成像模块、瞄准模块和减速模块通信连接，中央控制器用于向环扫毫米波雷达点云成像模块、瞄准模块和减速模块发送控制指令，并接收环扫毫米波雷达点云成像模块、瞄准模块和减速模块发送的执行完成信号；所述环扫毫米波雷达点云成像模块包括环扫模块和毫米波雷达模块，所述环扫模块包括旋转台和用于驱动旋转台旋转的第一电机，第一电机位于旋转台内部，所述第一电机为步进电机，并在第一电机上设置有霍尔角度传感器，霍尔角度传感器的检测轴与第一电机的输出轴连接，同时霍尔角度传感器与中央控制器连接；所述毫米波雷达模块由四个毫米波雷达组成，所述四个毫米波雷达均匀分布在旋转台的外壁上且位于同一高度上；所述武器系统模块包括第一武器模块、第二武器模块和旋转机构，所述旋转机构包括基座及用于驱动基座旋转的第二电机，第二电机位于基座内部；所述第一武器模块和第二武器模块均设置在旋转机构的基座上；旋转机构和环扫模块分别通过轴承固定在同一根轴上；所述第一武器模块用于发射网捕弹以捕获目标无人机；所述第二武器模块用于弹出可伸缩的绳索以捕获目标无人机；所述瞄准模块与中央控制器通信连接，瞄准模块设置在旋转机构的基座上，瞄准模块由激光模块和摄像头模块两部分共同组成；所述减速模块为降落伞，数量为两个，一个设置在第一武器模块的网捕弹上，另一个设置在无人机捕获装置的最顶部，所述降落伞的开伞器与中央控制器连接；所述供电模块分别与无线通信模块、中央控制器、环扫毫米波雷达点云成像模块、武器系统模块和减速模块的电压输入端连接。

进一步，所述中央控制器采用STM32F401微控制器芯片。

进一步，所述激光模块的数量为两个，两个激光模块分别位于第一武器模块、第二武器模块的正上方，所述摄像头模块为摄像头，数量为一个，并且所述摄像头模块位于第一武器模块和第二武器模块之间。

进一步，所述第一武器模块包括弹舱、网捕弹、挡板、活塞和第一发射筒，所述弹舱沿竖直方向布置，弹舱和第一发射筒垂直布置，并在弹舱和第一发射筒的连接处设置有挡板，挡板可在第一位置和第二位置之间旋转，所述第一位置为挡板与弹舱的内壁呈垂直设置，所述第二位置为挡板与弹舱的内壁呈平行设置；所述网捕弹设置在弹舱内部；所述第一发射筒的一端连接有储气室，储气室与气源装置连接；所述第一发射筒的内部设置活塞，在气体的推动下活塞推动网捕弹，使得网捕弹弹射出第一发射筒，活塞的驱动装置与地面控制中心通过无线通信模块通信连接，活塞的驱动装置包括驱动器和电动杆，驱动器用于驱动电动杆带着活塞移动。

进一步，所述第二武器模块包括弹簧、线圈、绳索、第二发射筒、卡扣和驱动器，绳索置于第二发射筒内，绳索能够在弹簧的作用下弹射出第二发射筒；线圈与绳索连接，线圈上配置有电机，该电机的输入端与驱动器连接，电机的输出端与线圈连接，电机驱动线圈转动用于收回发射出去的绳索，收回的同时，完成对弹簧的蓄力；所述卡扣与所述驱动器连接；所述驱动器与地面控制中心通过无线通信模块通信连接。

进一步，所述绳索的表面均匀涂覆有粘合剂，且所述粘合剂采用ergo氰基丙烯酸酯粘合剂。

基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获方法，其特征在于，所述方法基于所述的无人机捕获装置进行捕获，具体包括如下步骤：

步骤一、地面控制中心控制捕获无人机升空，所述捕获无人机升空后，中央控制器向环扫毫米波雷达点云成像模块发出工作指令，环扫毫米波雷达点云成像模块响应所述工作指令，环扫模块执行旋转动作，在空中以10转/秒的速度旋转，同时四个毫米波雷达开始工作，对周围环境进行点云成像；环扫模块通过安装霍尔角度传感器进行旋转角度测量；

步骤二、环扫毫米波雷达点云成像模块将采集到的点云图像、捕获无人机和目标无人机之间的距离信息以及环扫毫米波雷达点云成像模块的旋转角度信息发送给中央控制器；

步骤三、中央控制器将其接收到的信息通过无线通信模块传送至地面控制中心，地面控制中心根据所接收到的信息，向捕获无人机发送飞行指令，使得捕获无人机向目标无人机靠近；

步骤四、捕获无人机朝向目标无人机靠近的过程中，当目标无人机处于第一武器模块的攻击范围时，地面控制中心控制武器系统模块开始工作，中央控制器控制瞄准模块开始进行工作，与此同时旋转机构执行旋转动作，地面控制中心调整捕获无人机的飞行姿态，瞄准模块基于激光模块和摄像头模块对目标无人机进行实时跟踪瞄准，瞄准后，中央控制器向地面控制中心发送第一攻击请求，地面控制中心接收所述第一攻击请求并向第一武器模块发送攻击指令，第一武器模块响应所述攻击指令并执行弹射出网捕弹动作，网捕弹释放捕获目标无人机，所述网捕弹捕获目标无人机后，中央控制器控制减速模块开始工作，目标无人机随捕获无人机一起返航并降落至地面；

当目标无人机处于第二武器模块的攻击范围时，地面控制中心控制武器系统模块开始工作，中央控制器控制瞄准模块开始进行工作，与此同时旋转机构执行旋转动作，地面控制中心调整捕获无人机的飞行姿态，瞄准模块基于激光模块和摄像头模块对目标无人机进行实时跟踪瞄准，瞄准后，中央控制器向地面控制中心发送第二攻击请求，地面控制中心接收所述第二攻击请求并向第二武器模块发送攻击指令，第二武器模块响应所述攻击指令并执行弹射出绳索动作，绳索弹出后捕获目标无人机，捕获成功后，目标无人机与捕获无人机连为一体，目标无人机随捕获无人机一起返航并降落至地面。

进一步，所述第一武器模块的攻击范围小于等于10m，第二武器模块的攻击范围小于等于2m。

进一步，步骤四中，捕获成功后，控制绳索收紧，从而缩短目标无人机和捕获无人机之间的距离。

步骤四中，绳索弹出后捕获目标无人机，捕获成功后，目标无人机与捕获无人机连为一体，在目标无人机随捕获无人机一起返航的过程中启动位于无人机捕获装置的最顶部减速模块。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明将环扫毫米波雷达点云成像技术应用于无人机捕获中，以往的捕获装置更多的是用摄像头、激光、红外等技术，摄像头，激光等受环境影响较大，对于有烟雾干扰和夜晚等能见度低的情况下，成像效果差，同时红外摄像头的成本较高。而毫米波成像利用毫米波穿透性弥补了光学成像的劣势，同时本发明引入了环扫结构，可以实现360无盲区的探测，快速找到目标无人机。

2、本发明在采用环扫毫米波雷达成像技术的同时，又保留了摄像头的存在，优势互补，同时形成一个互为冗余的结构，在一方出现问题以后，单独依靠另一方也可以完成任务。从而从根源上提高了无人机捕获的成功率。

3、本发明的武器模块，采用双武器的设置，其中第一武器模块的网捕弹发射结构，特别适合远程捕获，而第二武器模块的绳索弹射机构，适合近程捕获，通过双武器的设置能够大大提升无人机捕获的成功率。

4、本发明的减速模块，分为两部分，一部分设置在第一武器模块的网捕弹上，保证网捕弹自身有减速模块，在捕获成功以后，会触发打开降落伞，从而保证了目标无人机在被网住，失去动力以后，可以安全无损的降落，极大程度上避免了财产损失以及对地面人员生命安全的威胁。另一部分是设置在整个无人机捕获装置的顶部，在绳索抓住目标无人机以后的降落过程，会触发减速模块工作，释放降落伞，进行减速，保护双方无人机安全降落。

附图说明

此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置的结构示意图。

图2为基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置的模块化结构框图。

图3为基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置的工作流程图。

图4为基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置中的第一武器模块工作时的模拟图。

图5为基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置中的第二武器模块工作时的模拟图。

图6为基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置中环扫模块和旋转机构连接关系简图。

图7为第一武器模块的结构示意图。

图8为第二武器模块的结构示意图。

图中各标记如下：1-地面控制中心；2-无线通信模块；3-中央控制器；4-环扫毫米波雷达点云成像模块；5-环扫模块；6-毫米波雷达模块；7-武器系统模块；8-瞄准模块；9-激光模块；10-摄像头模块；11-第一武器模块；12-第二武器模块；13-供电模块；14-减速模块；15-旋转台；16-基座；17-旋转机构；1101-弹舱；1102-网捕弹；1103-挡板；1104-活塞；1105-第一发射筒；1201-弹簧；1202-线圈；1203-绳索；1204-第二发射筒；1205-卡扣。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，图1示出了基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置的结构示意图；图2示出了基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置的模块化结构框图；图3示出了基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置的工作流程图；图4示出了基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置中的第一武器模块11工作时的模拟图；图5示出了基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置中的第二武器模块12工作时的模拟图；图6示出了基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置中环扫模块5和旋转机构17连接关系简图；图7示出了第一武器模块11的结构示意图；图8示出了第二武器模块12的结构示意图；其中：图4和图5中的A代表我方无人机即本发明中的捕获无人机；B为敌方无人机即本发明中的目标无人机；C代表本发明中的网捕弹1102；D代表本发明中的激光瞄准；E代表本发明中的绳索1203；箭头方向表示毫米波雷达沿着逆时针方向旋转，并且发射电磁波。

基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，该无人机捕获装置包括地面控制中心1和无人机机载端，所述无人机机载端安装在捕获无人机上；所述无人机机载端包括无线通信模块2、中央控制器3、环扫毫米波雷达点云成像模块4、武器系统模块7、瞄准模块8、供电模块13和减速模块14；

所述地面控制中心1通过无线通信模块2分别与中央控制器3、武器系统模块7无线通信连接，同时地面控制中心1与所述捕获无人机通信连接。

地面控制中心1用于控制所述捕获无人机的工作状态，以及实时接收中央控制器3采集到的点云成像信息、捕获无人机和目标无人机之间的距离信息、摄像头观测信息、瞄准信息以及攻击请求信息，地面控制中心1向捕获无人机发送飞行指令，使得捕获无人机向目标无人机靠近，在所述捕获无人机与所述目标无人机之间的相对位置信息满足预设攻击距离的情况下，对所述目标无人机进行攻击；具体：地面控制中心1接收中央控制器3发送回来的点云成像信息、捕获无人机和目标无人机之间的距离信息、摄像头观测信息、瞄准信息以及攻击请求信息，摄像头观测信息主要包括用摄像头观测到的目标无人机的实时方位信息，用于对目标无人机的精确定位，瞄准信息也即摄像头观测到激光模块9对目标无人机的瞄准，在目标无人机与捕获无人机之间的距离小于等于10m的情况下，使用第一武器模块11发射网捕弹1102进行攻击，在目标无人机与捕获无人机之间的距离低于2m的情况下，使用第二武器模块12，弹出绳索1203对目标无人机进行攻击。

所述中央控制器3采用STM32F401微控制器芯片，所述中央控制器3分别与环扫毫米波雷达点云成像模块4、瞄准模块8和减速模块14通信连接，中央控制器3用于向环扫毫米波雷达点云成像模块4、瞄准模块8和减速模块14发送控制指令，并接收环扫毫米波雷达点云成像模块4、瞄准模块8和减速模块14发送的执行完成信号。

所述环扫毫米波雷达点云成像模块4包括环扫模块5和毫米波雷达模块6，环扫模块5包括旋转台15和用于驱动旋转台15旋转的第一电机，第一电机位于旋转台15内部，所述第一电机为步进电机，并在第一电机上设置有霍尔角度传感器，霍尔角度传感器的检测轴与第一电机的输出轴连接，霍尔角度传感器与中央控制器3连接，霍尔角度传感器用来采集旋转台15的旋转角度，并将采集到的角度信息发送给中央控制器3，进而实时显示出旋转台15的旋转角度，可以判断出目标无人机与捕获无人机的相对位置；所述毫米波雷达模块6由四个毫米波雷达组成，所述四个毫米波雷达均匀分布在旋转台15的外壁上且位于同一高度上，四个毫米波雷达均采用的是德州仪器厂商生产的IWR1443雷达板。本发明为了提高探测速率，采用四个毫米波雷达，然后通过步进电机带动，实现环扫雷达的结构，并且转速可调，用于在空中快速发现目标无人机；环扫毫米波雷达点云成像模块4在环扫过程中360度无死角的采集雷达回波数据，该回波数据再发送至中央控制器3。

所述武器系统模块7包括第一武器模块11、第二武器模块12和旋转机构17，旋转机构17包括基座16及用于驱动基座16旋转的第二电机，第二电机位于基座16内部，所述第一武器模块11和第二武器模块12均设置在旋转机构17的基座16上；旋转机构17和环扫模块5分别通过轴承固定在同一根轴上；所述第一武器模块11用于发射网捕弹1102以捕获目标无人机；所述第二武器模块12用于弹出可伸缩的绳索1203以捕获目标无人机；本发明为了提高捕获过程中的高机动性和高灵活性，将武器系统模块7设计成可以360度旋转的模式，由第二电机带动，实现旋转。如图6所示，位于环扫模块5内部的第一电机和位于旋转机构17内部的第二电机，分别带动环扫模块5、旋转机构17旋转，由于本发明为了实现武器系统模块7与环扫毫米波雷达点云成像模块4的单独旋转运动，使其互相之间不会发生干扰，也就是在可以实现环扫式探测的同时，又可以在飞行过程中快速调整武器系统模块7的朝向，进而在提高探测效率的同时提高捕获效率。为了达到这样的目的，本发明将环扫模块5和旋转机构17分别通过轴承固定在同一根轴上，其固定方式如图6所示，该简图仅为了解释其轴承固定方式，并不表示实际尺寸大小，从而实现两者之间的独立运动，实现了上述功能，在保证快速发现目标的同时，又保证了快速捕获目标。所述瞄准模块8与中央控制器3通信连接，瞄准模块8由激光模块9和摄像头模块10两部分共同组成，激光模块9和摄像头模块10进行瞄准属于现有技术此处不再详细赘述，通过激光和摄像头对周围环境进行精确的瞄准，能够生成有关周围环境的精确三维立体图像，从而保证供给的有效性，进而实现对目标无人机的捕获，所述激光模块9的数量为两个，两个激光模块9分别位于第一武器模块11、第二武器模块12的正上方，所述摄像头模块10为摄像头，数量为一个，该摄像头模块10位于第一武器模块11和第二武器模块12之间。

作为本发明的一种优选方案，所述第一武器模块11用于发射网捕弹1102以捕获目标无人机，所述第一武器模块11包括弹舱1101、网捕弹1102、挡板1103、活塞1104和第一发射筒1105，所述弹舱1101沿竖直方向布置，弹舱1101和第一发射筒1105垂直布置，并在弹舱1101和第一发射筒1105的连接处设置有挡板1103，挡板1103可在第一位置和第二位置之间旋转，所述第一位置为挡板1103与弹舱1101的内壁呈垂直设置，所述第二位置为挡板1103与弹舱1101的内壁呈平行设置；所述网捕弹1102设置在弹舱1101内部；所述第一发射筒1105的一端连接有储气室，储气室与气源装置连接；所述第一发射筒1105的内部设置活塞1104，在气体的推动下活塞1104推动网捕弹1102，使得网捕弹1102弹射出第一发射筒1105，活塞1104的驱动装置与地面控制中心1通过无线通信模块2通信连接，活塞1104的驱动装置包括驱动器和电动杆，驱动器用于驱动电动杆带着活塞1104移动。所述第一武器模块11中网捕弹1102发射的过程类似于气枪的发射，在活塞1104移动过程中由于密闭情况下，空气被挤压产生巨大的推力，从而使得网捕弹1102被弹射出去，发射成功以后，下一个网捕弹1102在重力作用下，进入第一发射筒1105，从而可以进行下一次捕获。本发明采用的方法与气枪发射原理一致，亦可以对网捕弹1102添加火工品，类似于枪支一样的发射也是可以的。本发明为了保证在空中对目标无人机进行捕获，活塞1104的驱动装置与地面控制中心1通信连接，活塞1104的触发是由地面控制中心1控制的，活塞1104的驱动装置包括驱动器和电动杆，驱动器用于驱动电动杆带着活塞1104移动，如果目标无人机在捕获无人机的攻击范围在10m以内，地面控制中心1发送攻击命令，对目标无人机进行捕获。在此强调一点，为了可以保证目标无人机在被网捕弹1102击中以后可以无损降落，本发明会在网捕弹1102上安装一个减速模块14，减速模块14为降落伞，从而在成功捕获以后，释放降落伞。进而减少目标无人机坠落引发的自然灾害。

所述第二武器模块12用于弹出可伸缩的绳索1203以捕获目标无人机，第二武器模块12包括弹簧1201、线圈1202、绳索1203、第二发射筒1204、卡扣1205和驱动器，绳索1203置于第二发射筒1204内，绳索1203能够在弹簧1201的作用下弹射出第二发射筒1204；线圈1202与绳索1203连接，线圈1202上配置有电机，该电机的输入端与驱动器连接，电机的输出端与线圈1202连接，电机驱动线圈1202转动用于收回发射出去的绳索1203，收回的同时，完成对弹簧1201的蓄力；所述卡扣1205与所述驱动器连接；所述驱动器与地面控制中心1通过无线通信模块2通信连接。电机由驱动器进行控制，而驱动器与地面控制中心1通过无线通信模块2进行通信，驱动器驱动着电机的转动，带动绳索1203绕线圈1202转动实现对绳索1202的收紧。卡扣1205与驱动器连接，驱动器与地面控制中心1通过无线通信模块2通信，在地面控制中心1发出第二武器模块12攻击命令以后，驱动器接收命令以后，控制卡扣1205的释放，此时攻击立马生效，绳索1203立刻从第二发射筒1204弹出。具体电机在带动绳索1203收回的同时，会完成对弹簧1201的蓄力，当绳索1203进入卡扣1205同时，弹簧1201达到其自身最大弹性形变，此时蓄力完成，然后此时等待地面控制中心1发出攻击指令以后，卡扣1205会放开，在弹簧1203作用下，绳索1203就会被弹出。但是该第二武器模块12适合近距离作战，绳索1203的长度只有2m，所以当目标无人机距离捕获无人机在2m以内时，地面控制中心1可以发送攻击指令，弹出绳索1203，对目标无人机进行捕获，在此强调一点，本发明为了提高每次捕获的成功率，对绳索1203表面进行了处理，所述绳索1203的表面均匀涂覆有粘合剂，且所述粘合剂采用ergo氰基丙烯酸酯粘合剂。用于保证在触碰到目标无人机以后，对目标无人机的固定。在绳索表面均匀涂覆有粘合剂，在触碰到敌方无人机以后，提高捕获成功率。两个武器模块都是由地面控制中心1进行控制的，地面控制中心1通过距离判断启动对应的武器模块，并通过瞄准模块8，判断目标无人机方位，发送攻击命令，最终实现对目标无人机的捕获。在距离小于2m的情况下使用第二武器模块12进行攻击，在不超过10m的情况下使用第一武器模块11，如果网捕弹1102用完的情况下只能用第二武器模块12，本发明采用两种武器，可以提高捕获的成功率。两个武器模块的触发都是通过与地面控制中心1进行无线通信，在收到地面控制中心1的攻击命令以后，进行攻击。

其中，在地面控制中心1确定绳索1203捕获成功以后，或者绳索1203捕获落空以后，通过无线通信模块2对第二武器模块12发出指令，此时电机开始工作，带动线圈1202转动，绳索1203往回收。在这要强调一点，如果是捕获落空，则回收过程是将绳索1203回收至第二发射筒1204，但是如果是捕获成功，该回收过程由地面控制中心1来决定绳索1203回收的长度。

所述减速模块14为降落伞，数量为两个，一个设置在第一武器模块11的网捕弹1102上，另一个设置在无人机捕获装置的最顶部，所述降落伞的开伞器与中央控制器3连接；所述供电模块13分别与无线通信模块2、中央控制器3、环扫毫米波雷达点云成像模块4、武器系统模块7和减速模块14的电压输入端连接。

基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获方法，包括如下步骤：

步骤一、首先是地面控制中心1控制捕获无人机升空，然后中央控制器3发送指令，控制环扫毫米波雷达点云成像模块4开始工作，此时环扫毫米波雷达点云成像模块4在空中以10转/秒的速度旋转，四个毫米波雷达同时进行工作，对周围环境进行点云成像；

步骤二、环扫模块5通过自身的霍尔角度传感器进行角度测量，并将测量到的角度信息发送给中央控制器3，进而实时显示出环扫毫米波雷达点云成像模块4旋转角度，可以判断出目标无人机与捕获无人机的相对位置，并且环扫毫米波雷达点云成像模块4在对周围环境进行成像的同时，也会采集目标无人机与捕获无人机的距离信息，将目标无人机的实时距离信息返回给中央处理器3；

环扫模块5由步进电机带动，中央控制器3通过给步进电机发送指令，进而控制步进电机的功率，进而实现对环扫模块5的旋转速度进行控制，然后在远距离探测目标无人机时进行快速旋转，提高探测的效率，在靠近目标无人机以后，又可以降低旋转速度，实现对目标无人机的精细成像；

步骤三、环扫毫米波雷达点云成像模块4将采集到的点云图像和距离信息发回给地面控制中心1，地面控制中心1通过观察点云图像，进一步确定目标无人机的方位信息，然后地面控制中心1操作无人机平台，依托方位信息，靠近目标无人机；

步骤四、在捕获无人机靠近目标无人机的过程中，当进入第一武器模块11的攻击范围中以后，地面控制中心1控制武器系统模块7开始工作，首先是瞄准模块8开始进行工作，旋转机构17开始旋转，地面控制中心1调整捕获无人机的飞行姿态，用激光模块9进行瞄准，摄像头模块10进行调整，然后向中央处理器3发送攻击请求，中央处理器3向地面控制中心1发送攻击请求，地面控制中心1发送确认攻击指令，然后第一武器模块11发动攻击，弹射出网捕弹1102，网捕弹1102依托高速弹射时的动能，迅速攻击目标无人机，在击中目标无人机以后，网捕弹1102会迅速缩紧，这种收紧模式是由网捕弹1202自身特性决定的，网捕弹1202发射以后变成一张网，这张网在高速运动的过程中，触碰到目标无人机以后，由于自身惯性的存在，会迅速缩紧，从而网住目标无人机。目标无人机在被网住以后，就会立刻失去动力，然后迅速坠落；

此时由于网捕弹1102上安装有减速模块14，中央控制器3在确认攻击成功以后，会触发减速模块14开始工作，然后弹出降落伞，对目标无人机进行减速，防止无人机坠毁过程中，对地面人员造成伤害；

步骤五、对于近距离攻击，并且目标无人机是小型旋翼式无人机，此时地面控制中心1可以控制第二武器模块12进行工作，为了更方便将目标无人机直接带回，所以第二武器模块12是一根绳索1203，通过地面控制中心1调整捕获无人机的位置，使其更加接近目标无人机，在距离越近的情况下，捕获成功率会越高。然后借助于瞄准模块8，对目标无人机进行锁定，然后地面控制中心1发送攻击指令，第二武器模块12弹出绳索1203，该绳索1203在触碰到目标无人机以后，立马处于锁紧状态，之后捕获无人机和目标无人机，通过绳索1203连为一体；

此时绳索1203是伸缩式的，可以将绳索1203收紧，拉近捕获无人机与目标无人机之间的距离，然后捕获工作已经完成。由捕获无人机带目标无人机进行返航；在返航的途中，为了减少重量过重，引起不必要的坠毁事件，此时会释放出减速模块14，在装置最顶端弹出降落伞，然后保证无人机可以安全降落，降低了财产损失，并且从源头解决了无人机坠毁，对地面人员的生命安全威胁。

该基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置将各个器件或模块有机的集成、整合成一个整体，需要强调的是，上述各个器件或模块就单体而言，其实现各自应实现功能的具体结构在现有技术中已经存在，本领域人员已充分知晓，正如上述所述，本发明并不是对各个器件和/或模块的单体做何改进，而是提出一种如何将各器件和/或模块有机的集成、整合成一个整体，即提供了一种构造方案。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地解释本发明所作的举例，并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，该无人机捕获装置包括地面控制中心(1)和无人机机载端，其特征在于：所述无人机机载端安装在捕获无人机上；所述无人机机载端包括无线通信模块(2)、中央控制器(3)、环扫毫米波雷达点云成像模块(4)、武器系统模块(7)、瞄准模块(8)、供电模块(13)和减速模块(14)；所述地面控制中心(1)通过无线通信模块(2)分别与中央控制器(3)、武器系统模块(7)无线通信连接，同时地面控制中心(1)与所述捕获无人机通信连接；所述中央控制器(3)分别与环扫毫米波雷达点云成像模块(4)、瞄准模块(8)和减速模块(14)通信连接，中央控制器(3)用于向环扫毫米波雷达点云成像模块(4)、瞄准模块(8)和减速模块(14)发送控制指令，并接收环扫毫米波雷达点云成像模块(4)、瞄准模块(8)和减速模块(14)发送的执行完成信号；所述环扫毫米波雷达点云成像模块(4)包括环扫模块(5)和毫米波雷达模块(6)，所述环扫模块(5)包括旋转台(15)和用于驱动旋转台(15)旋转的第一电机，第一电机位于旋转台(15)内部，所述第一电机为步进电机，并在第一电机上设置有霍尔角度传感器，霍尔角度传感器的检测轴与第一电机的输出轴连接，同时霍尔角度传感器与中央控制器(3)连接；所述毫米波雷达模块(6)由四个毫米波雷达组成，所述四个毫米波雷达均匀分布在旋转台(15)的外壁上且位于同一高度上；所述武器系统模块(7)包括第一武器模块(11)、第二武器模块(12)和旋转机构(17)，所述旋转机构(17)包括基座(16)及用于驱动基座(16)旋转的第二电机，第二电机位于基座(16)内部；所述第一武器模块(11)和第二武器模块(12)均设置在旋转机构(17)的基座(16)上；旋转机构(17)和环扫模块(5)分别通过轴承固定在同一根轴上；所述第一武器模块(11)用于发射网捕弹(1102)以捕获目标无人机；所述第二武器模块(12)用于弹出可伸缩的绳索(1203)以捕获目标无人机；所述瞄准模块(8)与中央控制器(3)通信连接，瞄准模块(8)设置在旋转机构(17)的基座(16)上，瞄准模块(8)由激光模块(9)和摄像头模块(10)两部分共同组成；所述减速模块(14)为降落伞，数量为两个，一个设置在第一武器模块(11)的网捕弹(1102)上，另一个设置在无人机捕获装置的最顶部，所述降落伞的开伞器与中央控制器(3)连接；所述供电模块(13)分别与无线通信模块(2)、中央控制器(3)、环扫毫米波雷达点云成像模块(4)、武器系统模块(7)和减速模块(14)的电压输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，其特征在于：所述中央控制器(3)采用STM32F401微控制器芯片。

3.根据权利要求1所述的基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，其特征在于：所述激光模块(9)的数量为两个，两个激光模块(9)分别位于第一武器模块(11)、第二武器模块(12)的正上方，所述摄像头模块(10)为摄像头，数量为一个，并且所述摄像头模块(10)位于第一武器模块(11)和第二武器模块(12)之间。

4.根据权利要求1所述的基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，其特征在于：所述第一武器模块(11)包括弹舱(1101)、网捕弹(1102)、挡板(1103)、活塞(1104)和第一发射筒(1105)，所述弹舱(1101)沿竖直方向布置，弹舱(1101)和第一发射筒(1105)垂直布置，并在弹舱(1101)和第一发射筒(1105)的连接处设置有挡板(1103)，挡板(1103)可在第一位置和第二位置之间旋转，所述第一位置为挡板(1103)与弹舱(1101)的内壁呈垂直设置，所述第二位置为挡板(1103)与弹舱(1101)的内壁呈平行设置；所述网捕弹(1102)设置在弹舱(1101)内部；所述第一发射筒(1105)的一端连接有储气室，储气室与气源装置连接；所述第一发射筒(1105)的内部设置活塞(1104)，在气体的推动下活塞(1104)推动网捕弹(1102)，使得网捕弹(1102)弹射出第一发射筒(1105)，活塞(1104)的驱动装置与地面控制中心(1)通过无线通信模块(2)通信连接，活塞(1104)的驱动装置包括驱动器和电动杆，驱动器用于驱动电动杆带着活塞(1104)移动。

5.根据权利要求1所述的基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，其特征在于：所述第二武器模块(12)包括弹簧(1201)、线圈(1202)、绳索(1203)、第二发射筒(1204)、卡扣(1205)和驱动器，绳索(1203)置于第二发射筒(1204)内，绳索(1203)能够在弹簧(1201)的作用下弹射出第二发射筒(1204)；线圈(1202)与绳索(1203)连接，线圈(1202)上配置有电机，该电机的输入端与驱动器连接，电机的输出端与线圈(1202)连接，电机驱动线圈(1202)转动用于收回发射出去的绳索(1203)，收回的同时，完成对弹簧(1201)的蓄力；所述卡扣(1205)与所述驱动器连接；所述驱动器与地面控制中心(1)通过无线通信模块(2)通信连接。

6.根据权利要求1所述的基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获装置，其特征在于：所述绳索(1203)的表面均匀涂覆有粘合剂，且所述粘合剂采用ergo氰基丙烯酸酯粘合剂。

7.基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1至6中任一项所述的无人机捕获装置进行捕获，具体包括如下步骤：

步骤一、地面控制中心(1)控制捕获无人机升空，所述捕获无人机升空后，中央控制器(3)向环扫毫米波雷达点云成像模块(4)发出工作指令，环扫毫米波雷达点云成像模块(4)响应所述工作指令，环扫模块(5)执行旋转动作，在空中以10转/秒的速度旋转，同时四个毫米波雷达开始工作，对周围环境进行点云成像；环扫模块(5)通过安装霍尔角度传感器进行旋转角度测量；

步骤二、环扫毫米波雷达点云成像模块(4)将采集到的点云图像、捕获无人机和目标无人机之间的距离信息以及环扫毫米波雷达点云成像模块(4)的旋转角度信息发送给中央控制器(3)；

步骤三、中央控制器(3)将其接收到的信息通过无线通信模块(2)传送至地面控制中心(1)，地面控制中心(1)根据所接收到的信息，向捕获无人机发送飞行指令，使得捕获无人机向目标无人机靠近；

步骤四、捕获无人机朝向目标无人机靠近的过程中，当目标无人机处于第一武器模块(11)的攻击范围时，地面控制中心(1)控制武器系统模块(7)开始工作，中央控制器(3)控制瞄准模块(8)开始进行工作，与此同时旋转机构(17)执行旋转动作，地面控制中心(1)调整捕获无人机的飞行姿态，瞄准模块(8)基于激光模块(9)和摄像头模块(10)对目标无人机进行实时跟踪瞄准，瞄准后，中央控制器(3)向地面控制中心(1)发送第一攻击请求，地面控制中心(1)接收所述第一攻击请求并向第一武器模块(11)发送攻击指令，第一武器模块(11)响应所述攻击指令并执行弹射出网捕弹(1102)动作，网捕弹(1102)释放捕获目标无人机，所述网捕弹(1102)捕获目标无人机后，中央控制器(3)控制减速模块(14)开始工作，目标无人机随捕获无人机一起返航并降落至地面；

当目标无人机处于第二武器模块(12)的攻击范围时，地面控制中心(1)控制武器系统模块(7)开始工作，中央控制器(3)控制瞄准模块(8)开始进行工作，与此同时旋转机构(17)执行旋转动作，地面控制中心(1)调整捕获无人机的飞行姿态，瞄准模块(8)基于激光模块(9)和摄像头模块(10)对目标无人机进行实时跟踪瞄准，瞄准后，中央控制器(3)向地面控制中心(1)发送第二攻击请求，地面控制中心(1)接收所述第二攻击请求并向第二武器模块(12)发送攻击指令，第二武器模块(12)响应所述攻击指令并执行弹射出绳索(1203)动作，绳索(1203)弹出后捕获目标无人机，捕获成功后，目标无人机与捕获无人机连为一体，目标无人机随捕获无人机一起返航并降落至地面。

8.根据权利要求7所述的基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获方法，其特征在于：所述第一武器模块(11)的攻击范围小于等于10m，第二武器模块(12)的攻击范围小于等于2m。

9.根据权利要求7所述的基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获方法，其特征在于：步骤四中，捕获成功后，控制绳索(1203)收紧，从而缩短目标无人机和捕获无人机之间的距离。

10.根据权利要求7所述的基于环扫式毫米波雷达点云成像的无人机捕获方法，其特征在于：步骤四中，绳索(1203)弹出后捕获目标无人机，捕获成功后，目标无人机与捕获无人机连为一体，在目标无人机随捕获无人机一起返航的过程中启动位于无人机捕获装置的最顶部减速模块(14)。

Images