CN113721642A - 探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，该方法通过光电吊舱自主探测目标无人机，稳定跟踪目标无人机后反制无人机自主控制其自身追踪目标无人机，在接近目标无人机时自主触发处置机构，根据用户选择和使用场景实施网捕或炸毁的处置方法；实现全程自主作业，对大机动运动的多旋翼无人机进行高效、精确的反制处置。

Description

探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，具体涉及一种集探测、跟踪和处置为一体的多旋翼机目标的全自主反制控制方法。

背景技术

无人机具有体积小、成本低、重量轻、易操作、灵活性强等优点，带动了无人机行业飞速发展，促使消费级和工业级无人机的使用门槛逐渐降低无人机在民用和军事方面的战略和战术重要性日益增加。但由于缺乏统一的行业标准和飞行规范，以多旋翼飞行器为主要形式的低空慢速小目标无人机多数操作飞行都处于“黑飞”状态，加之其空中摄像、实时图传和运输投放等能力不断增强，在给各行各业带来便利的同时，也给保密、安防工作带来了新挑战。

目前，世界各国在执行反无人机任务时大多是将低空入侵的无人机视为特殊飞行目标来对待，各国反制无人机手段包括干扰阻断、毁伤抓捕和检测控制三类。干扰阻断类反无人机手段主要通过向目标无人机发射定向大功率干扰射频信号，切断无人机与遥控器之间的通讯链路或干扰无人机的GPS接收机，迫使无人机自行降落、受控返航或丢失导航信号而瘫痪或坠机。但对非合作无人机进行干扰阻断主要依靠电磁干扰手段，对环境要求较高，在城市或居民密集区域使用容易对无限电信号的正常使用造成不良影响。同时普通的干扰信号只能使无人机飞行作业失败，对干扰后的无人机运动趋势难以推断，存在无法满足预期安全防范的风险。

毁伤抓捕类反无人机手段主要采用激光武器、地空导弹等多种打击手段，直接拦截、摧毁或捕获无人机，实现对非合作无人机目标的防护和压制。但这种手段成本相对较高且配套系统较为复杂，在实际使用时，由于激光等摧毁方式为直接火力打击，作战时普遍不考虑无人机残骸对地面人员和设备的次生危害，因此不适用于民用领域。另外，该类手段易对目标造成永久性损毁。

监测控制类反无人机手段主要利用光电、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，甚至引导其返航。但这种手段较为被动，对不依靠外部通讯进行飞行控制的无人机，即如果非合作目标具有自主智能控制功能，可以不依赖操作员控制，该类反制手段则无法进行有效的压制。

由于上述原因，本发明人对多旋翼反制方法做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的探测跟踪处置一体化的无人机反制方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，该方法通过光电吊舱自主探测目标无人机，稳定跟踪目标无人机后反制无人机自主控制其自身追踪目标无人机，在接近目标无人机时自主触发处置机构，根据用户选择和使用场景实施网捕或炸毁的处置方法；实现全程自主作业，对大机动运动的多旋翼无人机进行高效、精确的反制处置，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，该方法包括如下步骤：

S1，通过反制无人机上携带的光电吊舱实时获得目标无人机的运动状态信息；

S2，根据所述目标无人机的运动状态信息实时获得目标无人机的速度和加速度；

S3，根据目标无人机的速度和加速度实时获得反制无人机的加速度指令；

S4，根据所述加速度指令控制反制无人机追踪并逼近目标无人机。

其中，在执行步骤S1以前，通过反制无人机上携带的摄像机拍摄目标无人机，获得连续的包含目标无人机的图像；进而给出目标无人机的状态估计，并据此控制光电吊舱连续观测目标无人机。

其中，在步骤S1中，所述目标无人机的运动状态信息包括：

目标无人机相对于反制无人机俯仰方向的视线角，和目标无人机相对于反制无人机偏航方向的视线角；

在步骤S2中，所述目标无人机的速度通过下式(一)获得：

其中，

所述V_tx,V_ty,V_tz表示目标无人机在东北天方三个向的速度分量，Δx,Δy,Δz表示目标无人机与反制无人机之间在东北天方向的距离，a_tx,a_ty,a_tz表示目标无人机在东北天三个方向的加速度分量，V_mx,V_my,V_mz表示反制无人机在东北天三个方向的速度分量；

表示状态量

在k时刻的预测值，

z_k表示量测量，

表示量测方程；K_k表示增益值。

其中，所述预测值

通过下式(二)获得：

其中，a_mx、a_my、a_mz表示反制无人机在东北天三个方向的加速度分量；

表示状态方程。

其中，所述量测量

所述量测方程

通过下式(三)获得：

其中，Δx、Δy、Δz表示目标与飞机之间的东向、北向、天向的相对位置；

Δv_x、Δv_y、Δv_z表示目标与飞机之间的东向、北向、天向的相对速度；

R表示目标无人机和反制无人机之间的相对距离；

q_y,q_z表示目标无人机相对于反制无人机在俯仰和偏航方向的视线角；

表示目标无人机相对于反制无人机在俯仰和偏航方向的视线角速率。

其中，所述增益值K_k由下式获得：

其中，

表示状态方程对状态变量

的一阶导数近似值；

表示量测方程对状态变量

的一阶导数近似值；

I表示维度为12×12的单位矩阵；

T_S表示更新时间，优选地取值为0.01秒；

Φ_k表示离散后的状态转移矩阵，

表示Φ_k的转置矩阵；

Q_k-1表示系统噪声协方差矩阵；

R_k表示每个量测值z_k的量测噪声协方差矩阵；

表示量测矩阵，

表示H_k的转置矩阵。

其中，在步骤S3中，所述加速度指令包括法向加速度指令和径向加速度指令；

其中，所述法向加速度指令通过下式(五)实时获得：

其中，a_c表示法向加速度指令，V_rx表示目标无人机相对于反制无人机的速度；Ω_Los表示目标无人机相对于反制无人机的视线旋转角速率；N表示比例导引率，a_t表示目标无人机的加速度。

其中，所述径向加速度指令通过下式(六)实时获得：

a_cx＝k_rR+k_v(V_d-V_rx) (六)

其中，a_cx表示径向加速度指令，k_r表示位置约束的比例系数，k_v表示速度约束的比例系数，R表示反制无人机和目标无人机之间的相对距离，V_d表示期望的相对速度。

其中，该方法还包括：S5，当所述反制无人机与目标无人机之间的距离小于设定值时执行处置作业，处置目标无人机。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法通过机器视觉技术对空间目标进行探测和跟踪，与雷达和天基平台相比，精度高、直观性强、成本低、不受杂波干扰的影响；

(2)根据本发明提供的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法通过扩展卡尔曼滤波算法，精确估计目标的位置、速度和加速度信息，无需借助其他测距传感器即可获取目标相对于飞机的相对位置、速度和加速度，提高了对目标无人机的拦截精度；

(3)根据本发明提供的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法能够对目标运动进行估计，并且据此进行自主导航；结合灵活的处置执行系统，能够在最短时间内对非合作目标进行快速、稳定跟踪，可选择捕捉后携带目标自主返航，避免对地面人员和设备造成危险，适用于城市空天安全防护；也可选择精准炸毁目标，适用于城市以外的反制环境，两种处置方式可根据使用场景自由选择。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法整体逻辑图；

图2示出本发明实验例中反制无人机上实时解算出的目标无人机的位置信息；

图3示出本发明实验例中反制无人机上实时解算出的目标无人机的速度信息；

图4示出本发明实验例中反制无人机上实时解算出的目标无人机的加速度信息；

图5示出本发明实验例中反制无人机和目标无人机的运动轨迹；

图6示出本发明实验例中目标无人机与反制无人机之间的相对距离随时间变化图；

图7示出本发明实验例中反制无人机在东北天三个方向的加速度控制指令；

图8示出本发明实验例中反制无人机的速度控制曲线。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，如图1中所示，该方法包括如下步骤：

S1，通过反制无人机上携带的光电吊舱实时获得目标无人机的运动状态信息；

S2，根据所述目标无人机的运动状态信息实时获得目标无人机的速度和加速度；

S3，根据目标无人机的速度和加速度实时获得反制无人机的加速度指令；

S4，根据所述加速度指令控制反制无人机追踪并逼近目标无人机。

优选地，所述反制无人机优选地选择为旋翼无人机，具体为具有四个螺旋桨以上旋翼的无人机；将实时获得的加速度指令输入给反制无人机的旋翼控制系统中，旋翼控制系统能够根据输入的加速度指令，调节旋翼螺旋桨转速，转速变化引起旋翼升力变化，进而控制反制无人机的姿态和位置。

所述光电吊舱可以选用本领域中已有的光电吊舱，能够执行目标跟踪，输出目标相对于多旋翼机的视线角和视线角速率即可。

本申请中的目标无人机的速度、位置、加速度信息都是指在惯性系下的速度、位置信息，所述惯性系是指以反制无人机质心为原点，地理东向为x轴，地理北向为y轴，z轴垂直x、y 轴，向上为正，构成右手定则。

在一个优选的实施方式中，在执行步骤S1以前，通过反制无人机上携带的摄像机拍摄目标无人机，获得连续的包含目标无人机的图像；进而给出目标无人机的状态估计，并据此解算光电吊舱转动的角速率控制指令，进而控制光电吊舱连续观测目标无人机。

具体来说，通过机载机器视觉算法处理所述连续的包含目标无人机的图像，给出目标无人机的状态估计，作为多旋翼机上的光电吊舱的控制信息源；

所述机载机器视觉算法利用卷积神经网络，通过图像识别的方式获得每一帧图像上目标无人机的特征点位置，再根据特征点位置实时解算出无人机相对于摄像机的位置。

所述光电吊舱转动的角速率控制指令通过下式获得：

其中，

表示光电吊舱转动的角速率控制指令，

k_p表示比例项的控制参数，其取值为180，k_d表示微分项的控制参数，其取值为5；

ε表示视觉算法实时给出的目标像素偏差；

表示像素偏差的微分，即k时刻和k-1时刻的像素偏差的差值除以时间间隔Δt，Δt取值为0.01。

在一个优选的实施方式中，在步骤S1中，所述目标无人机的运动状态信息包括：

目标无人机相对于反制无人机俯仰方向的视线角，即俯仰角；和目标无人机相对于反制无人机偏航方向的视线角，即偏航角。

优选地，在步骤S2中，所述目标无人机的速度通过下式(一) 获得：

其中，

V_tx,V_ty,V_tz表示目标无人机在东北天方三个向的速度分量，Δx,Δy,Δz表示目标无人机与反制无人机之间在东北天方向的距离，a_tx,a_ty,a_tz表示目标无人机在东北天三个方向的加速度分量，V_mx,V_my,V_mz表示反制无人机在东北天三个方向的速度分量；

表示状态量

在k时刻的预测值，

z_k表示量测量，

表示量测方程；K_k表示增益值。

优选地，所述预测值

通过下式(二)获得：

其中，a_mx、a_my、a_mz表示反制无人机在东北天三个方向的加速度分量；

表示状态方程；

此处，

初值的选取不影响最终结果，本发明中当k＝1时，即

的取值为[50,50,30,0,0,0,0,0,0,0,0,0]。

优选地，所述量测量

所述量测方程

通过下式(三)获得：

其中，Δx、Δy、Δz表示目标与飞机之间的东向、北向、天向的相对位置；

Δv_x、Δv_y、Δv_z表示目标与飞机之间的东向、北向、天向的相对速度；

R表示目标无人机和反制无人机之间的相对距离，通过反制无人机上搭载的机器视觉系统实时获得，所述机器视觉系统可以包括光电吊舱；

q_y,q_z表示目标无人机相对于反制无人机在俯仰和偏航方向的视线角，都通过光电吊舱实时跟踪目标探测获得；

表示目标无人机相对于反制无人机在俯仰和偏航方向的视线角速率，都通过光电吊舱实时跟踪目标探测获得。

优选地，所述增益值K_k由下式获得：

其中，

当k＝1时，即

的取值是 diag([100,100,100,25,25,25,9,9,9,0,0,0])；

表示状态方程(式二)对状态变量

的一阶导数近似值；

表示量测方程(式三)对状态变量

的一阶导数近似值；

I表示维度为12×12的单位矩阵；

T_S表示离散步长，优选地取值为0.01秒；

Φ_k表示离散后的状态转移矩阵，

表示Φ_k的转置矩阵；

Q_k-1表示系统噪声协方差矩阵，通过分析状态量之间关系和调节确定最终值，本发明中取值为对角矩阵，即 diag([0,0,0,0,0,0,0.05,0.05,0.05,0.01,0.01,0.01])

R_k表示每个量测值z_k的量测噪声协方差矩阵，可读取量测值传感器测量精度获取；本发明中取值为对角矩阵 diag([4,0.0076,0.0076,0.0001,0.0001,0.25,0.25,0.25])

H_k表示量测矩阵，

表示H_k的转置矩阵。

在一个优选的实施方式中，在步骤S3中，所述加速度指令包括法向加速度指令和径向加速度指令；

其中，所述法向加速度指令通过下式(五)实时获得：

其中，a_c表示法向加速度指令；

V_rx表示目标无人机相对于反制无人机的速度；

Ω_Los表示目标无人机相对于反制无人机的视线旋转角速率，通过反制无人机上携带的光电吊舱实时输出获得；

N表示比例导引率，其取值为3～5，优选地取值为4；

a_t表示目标无人机的加速度。

优选地，所述径向加速度指令通过下式(六)实时获得：

a_cx＝k_rR+k_v(V_d-V_rx) (六)

其中，a_cx表示径向加速度指令，k_r表示位置约束的比例系数，其取值优选为0.1；k_v表示速度约束的比例系数，其取值优选为0.8；

R表示反制无人机和目标无人机之间的相对距离，其在步骤S1中通过光电吊舱检测、视觉算法处理获得，

V_d表示期望的相对速度，其取值为0.3米每秒。

在一个优选的实施方式中，该方法还包括S5，当所述反制无人机与目标无人机之间的距离R小于设定值R_sp时执行处置作业，处置目标无人机，所述处置包括网捕精确捕获或者战斗部精准摧毁；即可以根据用户选择和使用场景实施网捕或炸毁的处置方法。

所述设定值R_sp也根据选择的处置方法及目标大小进行选择设置，其一般的设置范围是0.5米。

实验例：

目标无人机的初始位置(x_t0,y_t0,z_t0)＝(0,0,10)m；

目标无人机在空中做三维的8字运动，运动轨迹方程如下式所示：

反制无人机初始位置为(0，-5，5)m，初始速度为0，通过光电吊舱追踪目标，通过下式(五)和(六)实时解算反制无人机的制导指令：

a_cx＝k_rR+k_v(V_d-V_rx) (六)

其中，N取值为4，Ω_Los由光电吊舱实时输出，k_r取值为 0.1，k_v取值为0.8，V_d取值为0.3米每秒；

V_rx＝V_tx-V_mx

V_tx、V_mx和a_t都通过下式(一)获得：

其中，

通过制导指令控制反制无人机追踪目标无人机，在反制无人机追踪目标无人的过程中：

反制无人机上实时解算出的目标无人机的位置信息如图2 中所示，

反制无人机上实时解算出的目标无人机的速度信息如图3 中所示，

反制无人机上实时解算出的目标无人机的加速度信息如图4中所示，

图中的估计值表示本发明所提出方法获得的目标的运动信息，量测值表示目标无人机上的机载传感器获得的目标的位置、速度和加速度信息。

结合图2、图3和图4可知，本申请提供的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法对目标无人机的位置、速度、加速度的估计精度都较高，无需借助其他传感器便可获得高精度目标运动状态，能够用于完成对目标无人机的追踪工作。

反制无人机和目标无人机的运动轨迹如图5中所示，从图 5中可知，本申请提供的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法能成功拦截复杂8字机动的目标。

图6中示出了拦截过程中，目标无人机与反制无人机之间的相对距离随时间变化图，由6图可知，整个拦截时长10.34s，在据目标0.45米时采用网捕方式拦截成功。

图7中展示了反制无人机在东北天三个方向的加速度控制指令，到末端指令接近0加速度收敛。

图8示出了反制无人机的速度控制曲线，为拦截目标无人机，在末端，反制无人机速度和目标无人机速度保持一致，从而实现平稳捕获目标的作业目的。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1，通过反制无人机上携带的光电吊舱实时获得目标无人机的运动状态信息；

S2，根据所述目标无人机的运动状态信息实时获得目标无人机的速度和加速度；

S3，根据目标无人机的速度和加速度实时获得反制无人机的加速度指令；

S4，根据所述加速度指令控制反制无人机追踪并逼近目标无人机。

2.根据权利要求1所述的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，

在执行步骤S1以前，通过反制无人机上携带的摄像机拍摄目标无人机，获得连续的包含目标无人机的图像；进而给出目标无人机的状态估计，并据此控制光电吊舱连续观测目标无人机。

3.根据权利要求1所述的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，

在步骤S1中，所述目标无人机的运动状态信息包括：

目标无人机相对于反制无人机俯仰方向的视线角，目标无人机相对于反制无人机偏航方向的视线角，和目标相对于反制无人机的距离；

在步骤S2中，所述目标无人机的速度通过下式(一)获得：

其中，

V_tx,V_ty,V_tz表示目标无人机在东北天方三个向的速度分量，Δx,Δy,Δz表示目标无人机与反制无人机之间在东北天方向的距离，a_tx,a_ty,a_tz表示目标无人机在东北天三个方向的加速度分量，V_mx,V_my,V_mz表示反制无人机在东北天三个方向的速度分量；

表示状态量

在k时刻的预测值，

z_k表示量测量，

表示量测方程；K_k表示增益值。

4.根据权利要求3所述的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，

所述预测值

通过下式(二)获得：

其中，a_mx、a_my、a_mz表示反制无人机在东北天三个方向的加速度分量；

表示状态方程。

5.根据权利要求3所述的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，

所述量测量

所述量测方程通过下式(三)获得：

其中，Δx、Δy、Δz表示目标与飞机之间的东向、北向、天向的相对位置；

Δv_x、Δv_y、Δv_z表示目标与飞机之间的东向、北向、天向的相对速度；

R表示目标无人机和反制无人机之间的相对距离；

q_y,q_z表示目标无人机相对于反制无人机在俯仰和偏航方向的视线角；

表示目标无人机相对于反制无人机在俯仰和偏航方向的视线角速率。

6.根据权利要求3所述的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，

所述增益值K_k由下式获得：

其中，

表示状态方程对状态变量

的一阶导数近似值；

表示量测方程对状态变量

的一阶导数近似值；

I表示维度为12×12的单位矩阵；

T_S表示离散步长，优选地取值为0.01秒；

Φ_k表示离散后的状态转移矩阵，

表示Φ_k的转置矩阵；

Q_k-1表示系统噪声协方差矩阵；

R_k表示每个量测值z_k的量测噪声协方差矩阵；

H_k表示量测矩阵，

表示H_k的转置矩阵。

7.根据权利要求1所述的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，

在步骤S3中，所述加速度指令包括法向加速度指令和径向加速度指令；

其中，所述法向加速度指令通过下式(五)实时获得：

其中，a_c表示法向加速度指令，V_rx表示目标无人机相对于反制无人机的速度；Ω_Los表示目标无人机相对于反制无人机的视线旋转角速率；N表示比例导引率，a_t表示目标无人机的加速度。

8.根据权利要求7所述的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，

所述径向加速度指令通过下式(六)实时获得：

a_cx＝k_rR+k_v(V_d-V_rx) (六)

其中，a_cx表示径向加速度指令，k_r表示位置约束的比例系数，k_v表示速度约束的比例系数，R表示反制无人机和目标无人机之间的相对距离，V_d表示期望的相对速度。

9.根据权利要求1所述的探测跟踪处置一体化的无人机反制控制方法，其特征在于，

该方法还包括：

S5，当所述反制无人机与目标无人机之间的距离小于设定值时执行处置作业，处置目标无人机。

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