CN114104281B - 一种静音侦查飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静音侦查飞行器，该飞行器采用无人机作为载体，具有结构灵活、动力强劲的特点，在体积和动力方面满足隐蔽性好和机动性强的要求；通过专门的旋翼桨叶结构设计，达到降低噪音提升隐蔽性的要求；设计的一种集成红外传感器和可见光传感器的微型双模摄像头，使一个摄像头同时具备两种拍摄模式，不受光线强弱的影响，都能够有效进行图像拾取。该侦查方法能够实时捕捉视野内的图像，通过对图像中各类事物的识别，找到人脸信息，通过人脸识别，找到与目标特征匹配的人脸，完成人脸识别后，汽动和跟踪功能。
Description
技术领域
本发明属于无人机领域，具体涉及一种静音侦查飞行器。
背景技术
在救灾、抢险、反恐和安保等特殊应用场景中，使用无人机进行环境侦察和目标搜索具有传统人工搜救无法比拟的优势，比如环境适应性强、推进速度快、无二次伤亡风险等。尤其是在打击恐怖分子和安保巡逻等任务中，对用于侦察敌方情况无人机的机动性、隐蔽性和可视性提出了严格的要求。
基于此，大量的相关领域的人员开展了一系列的研究。发明专利CN201911320784.9公开了一种应急救援专用侦察无人机，包括无人机本体和固定于无人机本体下方的侦察装置，该侦察装置包括云台以及具有两个摄像头的机载摄像机；云台和摄像机的引入，不可避免地需要使用具有较大体积和较大载重能力的无人机，导致整个装置的体积大、噪音大，从而隐蔽性变差。为了降低侦察无人机的噪音，专利CN201711116325.6公开了一种无翼式静音无人机，该无人机采用气旋加速环翼取代旋转螺旋桨，能够有效减震降噪，消除无人机的噪音污染；但是该无人机需要使用专门的单风机作为动力源，额外增加了无人机的功能部件和体积，并且降低了无人机的加/减速性能，不利于提高无人机的微型化程度和机动性。上述两个无人机都难以满足无人机进行侦查任务隐蔽性强的要求。
另一方面，无人机还需要满足侦察装置在光线充足的白天和光线不足的夜晚均能够进行有效图像采集的任务需求，现有技术往往采用热成像双光谱成像摄像机的技术方案，即在侦察装置上同时配备可见光摄像头和热成像摄像头，分别解决在白天和夜晚进行侦察成像的问题；例如专利CN201510449767.7公开了一种双光谱摄像机，该摄像机包括红外成像模块、可见光成像模块和图像合成模块，图像合成模块将同一时刻的目标区的热成像图像序列和可见光图像序列进行数据融合，生成目标区的融合图像序列。但是该技术方案所使用的红外成像模块、可见光成像模块和图像合成模块的体积、重量和能耗都比较大，微小型无人机无法搭载这些模块高速、静音飞行。专利CN201820649599.5公开了一种带热能探测的静音无人机，为了减少噪音，在无人机的电机附近加装消音器，同时使用热能探测仪对有热能的物体进行搜索，该技术方案虽然能够有效减少无人机产生的飞行噪音，但同样无法减轻整个侦察装置的重量和体积，无法满足隐蔽性、机动性要求。综合以上分析，现有的侦查类型无人机及其侦查系统难以满足在特殊场景中对无人机高机动性、高隐蔽性和强可视性的应用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种静音侦查飞行器，以解决现有技术中无人机及其侦查系统在救灾、抢险、反恐和安保等特殊场景下，对无人机高机动性、高隐蔽性和强可视性的应用要求。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种静音侦查飞行器，包括中心板，所述中心板连接有负载架，所述负载架中设置有控制系统和摄像头；
所述中心板的四个角分别连接有一个悬伸臂，所述悬伸臂的外端上设置有静音电机，所述静音电机的动力输出轴连接有静音桨；
所述静音桨包括依次一体连接的旋转环、桨叶和尾部，所述旋转环和静音电机的动力输出轴连接；所述桨叶的上表面和尾部的上表面共同设置有凸起弧；桨叶上的凸起弧沿桨叶的长度方向设置，尾部的凸起弧沿尾部的长度方向设置；
所述摄像头连接和控制系统连接，所述控制系统通过电信号连接有手持控制器。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述中心板和悬伸臂一体连接。
优选的，所述中心平板设置有多个螺纹孔。
优选的，所述负载架通过螺纹连接和中心板连接。
优选的，所述负载架为框架结构。
优选的，负载架和中心板的上端面连接，或者是负载架和中心板的下端面连接。
优选的，所述桨叶包括内侧边和外侧边，内侧边包括依次一体连接的第一轮廓线、第二轮廓线和第三轮廓线；外侧边包括依次一体连接的第四轮廓线和第五轮廓线；第一轮廓线的第一端部和旋转环连接，第三轮廓线的第二端部和尾部连接；第四轮廓线的第一端部和旋转环连接，第五轮廓线的第二端部和尾部连接；
所述内侧边在第一象限中，所述第四轮廓线在第四象限中，第五轮廓线为从第四象限向第一象限变化的弧形轮廓线。
优选的，第五轮廓线在第四象限中的任意一点和x轴的距离为D2，第四轮廓线和x轴的距离为D1，D2小于D1。
优选的，所述第一轮廓线为相对于x轴倾斜的直线，第二轮廓线为弧形轮廓线，第三轮廓线为平行于x轴的直线，所述第二轮廓线的顶点和第三轮廓线之间的垂直距离为h，h＞0。
优选的，所述桨叶和尾部之间通过连接部分连接，连接部分的宽度小于桨叶的宽度，连接部分的宽度小于尾部的宽度。
优选的，所述尾部长度方向与桨叶长度方向的夹角为锐角。
优选的，所述桨叶的上表面上阵列设置有若干排凸起线，所述凸起线设置在桨叶的后部，所述凸起线沿桨叶的长度方向阵列；
所述尾部的上表面阵列有凸起线，所述凸起线沿尾部的长度方向阵列。
优选的，所述凸起线为波浪形。
优选的，每一个凸起线由若干个凸起柱组成。
优选的，沿着一个凸起线的走向，凸起柱的高度变化曲线为正弦曲线。
优选的，所述摄像头由可变光圈、光学防抖和对焦马达、电致变色红外滤光片、光学透镜组和光线传感器依次堆叠组成。
优选的，所述电致变色红外滤光片和控制系统连接。
优选的，所述可变光圈围绕其内圈的周向设置有一圈光强传感器，所述光强传感器和控制系统连接。
优选的，外部光线越强，光强传感器传递至控制系统的模拟信号越大，控制系统调节电致变色红外滤光片发生颜色改变的程度越小；外部光线越弱，光强传感器传递至控制系统的模拟信号越小，控制系统调节电致变色红外滤光片发生颜色改变的程度越大。
优选的，所述控制系统包括摄像头控制单元、飞行控制单元和图像处理与目标识别单元；
所述摄像头控制单元用于控制摄像头的拍摄方向和拍摄角度，调节摄像头的红外滤光能力；
所述飞行控制单元用于控制飞机的飞行姿态和飞行方向；
所述图像处理与目标识别单元用于识别、检测目标；确定目标为人后，进行人脸识别，比对中目标以后锁定目标，跟踪目标。
优选的，所述所述光线传感器和图像处理与目标识别单元之间依次通过模/数转换模块和图像信号处理单元连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种静音侦查飞行器，该飞行器采用四旋翼无人机作为载体，具有结构灵活、动力强劲的特点，在体积和动力方面满足隐蔽性好和机动性强的要求；通过专门的旋翼桨叶结构设计，达到降低噪音提升隐蔽性的要求；专门设计了一种集成红外传感器和可见光传感器的微型双模摄像头，使一个摄像头同时具备两种拍摄模式，不受光线强弱的影响，都能够有效进行图像拾取。在四旋翼无人机、静音旋翼桨叶和微型双模摄像头的共同配合作用下，使该侦察飞行器具有体积小、重量轻、噪音低、动力强、速度快以及双模摄像功能，满足了在特殊应用场景下对侦察装置高机动性、高隐蔽性和强可视性的应用要求。
附图说明
图1是本发明的无人机三维立体图；
图2是现有技术的桨叶结构俯视图；
图3是现有技术的桨叶结构B-B截面的剖视图；
图4是实施例1的桨叶结构俯视图；
图5是实施例1的桨叶结构A-A截面的剖视图；
图6是实施例2和实施例3的桨叶结构俯视图；
图7为图6中E-E方向的断面视图；
图8为图6中C区域的放大图以及凸起柱的放大立体图；
图9是实施例3中凸起柱的凸起高度变化规律图；
图10为图6中D-D截面的示意图；
图11是本发明的手持控制终端的结构示意图；
图12为实施例4中摄像头的结构示意图；
图13为图像处理与目标识别单元中目标识别、检测的过程图；
图14为图像处理与目标识别单元中人脸识别的流程图；
图15为图像处理与目标识别单元中跟踪过程的流程图；
其中：1-无人机主体结构；2-静音电机；3-静音桨；4-控制系统、5-摄像头；6-控制终端；7-控制按钮；8-显示屏；11-悬伸臂；12-中心平板；13-螺纹孔；14-负载架；31-旋转环；32-桨叶；33-尾部；34-连接部分；35-凸起线；51-可变光圈；52-光学防抖和对焦马达；53-电致变色红外滤光片；54-光学透镜组；55-光线传感器；141-连接架；142-支撑板；321-内侧边；322-外侧边；323-凸起弧；351-凸起柱；511-光强传感器；3211-第一轮廓线；3212-第二轮廓线；3213-第三轮廓线；3221-第四轮廓线；3222-第五轮廓线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例中公开的一种静音四旋翼侦察飞行器，该静音侦查飞行器包括静音四旋翼无人机和控制终端，所述控制终端和静音四旋翼无人机通过无线方式进行信号和指令的传输，所述控制终端为电脑或手持控制器。其中静音四旋翼无人机包括无人机主体结构、静音电机2和静音桨3、控制系统4和摄像头5。
无人机主体结构1为静音电机2、静音桨3和摄像头5等其他零部件和功能模块的安装提供对应的空间结构和接口。参见图1，无人机主体结构1包括悬伸臂11、中心平板12和负载架14。中心平板12的四个角分别连接有一个悬伸臂11，四个悬伸臂11的形状、结构和尺寸相同，四个悬伸臂11两两对称，分别相对于第一中心线和第二中心线对称，所述第一中心线为中心平板12的竖向中心线，第二中心线为中心平板12的横向中心线；设定每一个悬伸臂11和中心平板12连接的端部为内端部，悬伸臂11的另一端为外端部；作为优选的方案之一，悬伸臂11和中心平板12一体连接，使得整个主体结构的连接强度更高。
参见图1，所述中心平板12上设置有多个螺纹孔13，所述螺纹孔13用于固定其他负载设备，螺纹孔13的具体尺寸、类型、个数和位置并不局限于本发明所提供的图1中所示的情况，可根据实际需要进行调整。
参见图1，所述中心平板12的下部设置有负载架14，负载架14是通过螺纹孔13和螺钉固定在中心平板12下方，属于可拆卸结构。优选的，负载架14为框架结构，负载架14设置有四个连接架141，连接架141垂直于中心平板12，每一个连接架141的顶端和中心平板12的一个角连接，进一步的，螺钉穿过螺纹孔13和连接架141的上端，将中心平板12和连接架141连接，所有连接架141的下端共同和支撑板142连接。
所述控制系统4安装在负载架14中，进一步的，安装在支撑板142上。
本实施例的另一方案为，负载架14安装在中心平板12的上方，同样通过连接架141和中心平板12连接，支撑板142能够安装在连接架141的上端，也能够直接设置在中心平板12上，使得支撑板142直接和中心平板12连接。该方案为无人机挂载其他负载提供灵活多变的结构选择。
每一个悬伸臂11的外端上部设置有静音电机2，电机高速旋转产生的噪音是无人机飞行噪音的噪音源之一，本实施例中的静音电机2是一种体积小、噪音低、提速快的微小型静音电机，在无人机快速飞行和执行机动动作的时候提供强劲动力但又不会产生较大噪音，并且体积小、重量轻，有利于静音四旋翼侦察飞行器整体重量和体积的减小。
所述静音电机2的动力输出轴和一个静音桨3连接。参见图2和图3为现有技术的桨叶形状32，从图2中可以看出，现有的桨叶32的内侧边321和外侧边322分别为两个变化平缓轮廓线，从图3中可以看出，现有技术中桨叶32的横截面为矩形。无人机在飞行过程中桨叶快速旋转引起的噪音是无人机的主要噪音来源，该噪音主要是旋转噪音和漩涡噪音。其中，旋转噪音是由桨叶旋转引起空气扰动造成的，该扰动会作用在桨叶上进而使其发生振动，当振动频率达到桨叶共振频率时，产生的噪音更大，旋转噪音大小与旋转速度和桨叶厚度密切相关；漩涡噪音是排除旋转噪音以外的、由各种气流漩涡和不规则的气流扰动造成的，包括由桨叶尖端漩涡、尾缘漩涡以及在桨叶翼型表面上湍动和分离的气流等引起的噪音。为最大程度地抑制乃至消除由于以上原因引起的噪音。本发明所述的静音桨的结构如下所述：
参见图图4和5，本实施中针对桨叶结构本身，静音桨3包括旋转环31、桨叶32和尾部33，旋转环31用于和静音电机2的动力输出轴连接，桨叶32的前端和旋转环31连接。桨叶32分为内侧、外侧、上表面和下表面。具体的，桨叶32包括内侧边321和外侧边322。以旋转环31的圆心为整个坐标系的坐标点，整个桨叶32位于坐标系中，以桨叶32的内侧边321和外侧边322相互平行的两个直线段方向为x向，相对应的设置出垂直于x向的y向。由图4可知，内侧边321在第一象限中，外侧边322在第一象限和第四象限中，尾部33在第一象限中。
参见图4，内侧边321的第一端部和外侧边322的第一端部共同和旋转环31一体连接，内侧边321的第二端部和外侧边322的第二端部共同和尾部33连接。更为具体的，外侧边322分为第四轮廓线3221和第五轮廓线3222，第四轮廓线3221的第一端部和旋转环31连接，第四轮廓线3221的第二端部和第五轮廓线3222的第一端部一体连接，第五轮廓线3222的第二端部和尾部33连接。第四轮廓线3221的方向为x方向，第四轮廓线3221在第四象限中；第五轮廓线3222的起始点在第四象限中，终点在第一象限中；第五轮廓线3222为从第四象限向第一象限变化的弧形轮廓线；在第四象限中，第五轮廓线3222中任意一点和x轴的距离小于第四轮廓线3221和x轴的距离。
参见图4，内侧边321包括一体连接的第一轮廓线3211、第二轮廓线3212和第三轮廓线3213。第一轮廓线3211的第一端部和旋转环31连接，第一轮廓线3211的第二端部和第二轮廓线3212的第一端部连接，第二轮廓线3212的第二端部和第三轮廓线3213的第一端部连接，第三轮廓线3213的第二端部和尾部33连接。在第一象限中，第一轮廓线3211和第三轮廓线3213均为直线，第一轮廓线3211的斜率大于0，第三轮廓线3213平行于x轴，第一轮廓线3211的第二端部和x轴之间的垂直距离与第三轮廓线3213第一端部和x轴之间的距离相等；第二轮廓线3212为弧形轮廓线，所述弧形轮廓线从第一轮廓线3211的第二端部向远离x轴的方向改变，到达设定高度h后，开始向接近x轴的方向改变，直至和第三轮廓线3213的第一端部连接，所述h根据螺旋桨的实际宽度要求设定，所述h为第二轮廓线3212弧线的顶点和第三轮廓线3213的垂直距离。对比图2和图4可以发现，相对于现有的大部分桨叶，本实施例的中第一轮廓线的设置，有以下两个作用，①增加静音桨3的桨叶面积，使得在相同旋转速度的前提下，改进后的桨叶形状能够驱动更多的空气，从而获得更大的推力；反言之，在推力一定的情况下，改进后的桨叶需要的转速更低，因此产生的噪音更小。②由于桨叶内侧面积增大，因此桨叶靠近旋转环31的部分提供的推力比原有桨叶的更大，桨叶远离旋转环31的部分提供的推力则相对变小，使得桨叶尖端和尾缘产生的漩涡和气流扰动相对变小，有助于进一步降低噪音。
参见5，为图4的A-A截面的示意图，桨叶32的下表面为平面，桨叶32的上表面为弧面，桨叶32和尾部33上表面共同设置有凸起弧323，所述凸起弧323的内端设置在旋转环31旁，凸起弧323的外端设置在尾部33的末端，凸起弧323沿整个桨叶32和尾部33的长度方向设置。本实施例中增加的凸起弧323一方面使得桨叶上表面空气流速低于下表面流速，使得桨叶上、下表面之间的气压一个低、一个高，这种气压差进一步提升了桨叶旋转所带来的推力，并且该凸起弧323有利于对桨叶表面形成的粘性气流进行有效分离，破坏了原桨叶旋转所形成的具有强导向性和聚集成股特性的气流，起到明显的降噪作用；另一方面，对于整个桨叶来说，该凸起弧323相当于是一根中心加强筋，能够有效提高桨叶整体的刚性，从而提高桨叶的共振频率，使得桨叶的抗振性大大提高，即使在桨叶高速旋转或者转速急剧增加的情况下，也不容易发生共振，避免因桨叶发生共振而导致噪音急剧增大的可能。
实施例2
参见图6和图7，进一步的，相对于实施例1，本实施例中的尾部33为反向桨叶。定义桨叶32的长度方向为桨叶32内端中心点和桨叶32外端中心点之间的连线方向，尾部33的长度方向为尾部33内端中心点和尾部外端中心点之间的连线方向，相对应的，另一个方向分别为尾部33的宽度方向和桨叶32的宽度方向，所述尾部33的宽度方向与桨叶32的宽度方向之间成锐角。尾部33随桨叶32一起旋转，并产生与桨叶32反方向的漩涡，尾部33与桨叶32尾缘形成的涡流相互抵消，削弱涡流强度，进一步降低噪音。参见图1还可以看出，尾部33和桨叶32通过连接部分34连接，连接部分34的宽度小于尾部33的宽度和桨叶32外端的宽度。尾部33将在桨叶32的末端产生一个较小的反向推力，该推力能够有效抑制整个桨叶由于受到向上的空气推力作用而发生的变形，尤其是在桨叶外侧、靠近末端、刚度较弱的那部分的变形。桨叶变形，尤其是在桨叶尾端的变形，将引起不规则的气流扰动，不仅增加噪声，而且容易导致多气流、漩涡的耦合而引发桨叶出现高频振动甚至共振，导致噪音成倍增加。通过在桨叶末端设置一个小的反向桨叶(即尾部33)，利用反向桨叶形成的反向推力帮助整个桨叶提高抗变形能力，能够有效防止因为电机转速快速增加而引起噪音急剧增大的问题。
实施例3
参见图6、图7、图8、图9和图10，进一步的，相对于实施例2，本实施例中在桨叶32和尾部33的上表面设置有阵列的凸起线35，所述凸起线35沿x方向在桨叶32后部的上表面以及尾部33的上表面阵列，相邻凸起线35之间的距离相等，所述凸起线35为波浪形，所有的凸起线35的波浪形状变化规律相同。每一个凸起线35有若干个凸起柱351组成，所述凸起柱351的高度方向垂直于桨叶32的上表面，所述凸起柱351的横截面为椭圆形，在一个凸起线35上，凸起柱351的高度变化为正弦曲线，设置该阵列的凸起线35能够有效地对产生在桨叶32尾缘上表面的粘性气流进行分离，使得进入波浪形区域内的气流速度沿一定梯度逐级变化，起到降低噪音的效果；同时，沿波浪形曲线分布的、高低渐变的凸起柱351能够对进入该区域内的涡流进行有效切割，梳理成众多的小涡流，从而降低涡流强度，进一步降低噪音。
实施例4
参见图11，本实施例中，控制终端为手持控制器6，手持控制器6的内部设置有传输单元，手持控制器6的上表面设置有控制按钮7和显示屏8，显示屏8在控制按钮7的上方，所述传输单元和控制系统4连接，控制系统4设置在负载架14上。具体的，控制系统4包括摄像头控制单元、飞行控制单元和图像处理与目标识别单元。
在无人机执行侦察任务时，由地面指挥人员操纵手持控制终端上的各个控制按钮7，使无人机按照一定的姿态、路线进行静音飞行和环境侦察，手持控制器6的触摸式图像显示屏实时显示当前状态下无人机摄像头视野内的侦察图像。
具体的，摄像头控制单元用于控制摄像头5拍摄方向和拍摄角度，控制调节红外滤光片的滤光功能，同时将摄像头5拍摄的图片传递至图像处理与目标识别单元。
飞行控制单元用于接收传输单元传递的飞行指令，进而控制飞机的飞行姿态和飞行方向，该控制单元和现有的无人机飞行控制单元相同。
图像处理与目标识别单元，图像处理与目标识别单元具有两种工作模式，第一种是机器“搜索+比对+识别+锁定”模式，即事先在图像处理与目标识别单元中存储待搜索目标的图像，侦察过程中，微型双模摄像头视野内的图像经过处理后，不断与待搜索目标进行比对和识别，一旦比对中，即启动锁定功能，图像处理与目标识别单元向无人机飞行控制单元实时发送目标运动轨迹和坐标，引导无人机锁定和跟踪该目标；第二种是人工“搜索+比对+识别+锁定”模式，即事先无法确定待搜索目标，通过地面指挥人员观察无人机传输到手持控制终端上的图像进行分析判断，当地面指挥人员确定目标后，通过点选触摸显示屏上的目标进行选中，并发出锁定跟踪指令，然后图像处理与目标识别单元锁定该目标，并向无人机飞行控制单元实时发送目标运动轨迹和坐标，引导无人机锁定和跟踪该目标。
传输单元将图像处理与目标识别单元识别的目标和图片在显示屏8上显示，同时将控制按钮7的指令传递至摄像头控制单元和飞行控制单元，一方面能够将拍摄指令传递至摄像头控制单元，另一方面能够将飞行指令传递至飞行控制单元。
实施例5
进一步的，相对于实施例1，本实施例中摄像头5为双模摄像头，能够解决普通光学摄像头无法同时适用于光线充足和光线昏暗甚至黑暗环境中进行图像捕捉和成像的问题。具体的，参见图12，所述摄像头5由多个部件依次堆叠组成，按照从一侧到另一侧的安装顺序，所述摄像头5包括依次设置的可变光圈51、光学防抖和对焦马达52、电致变色红外滤光片53、光学透镜组54和光线传感器55，所述微型可变光圈51、光学防抖和对焦马达52、电致变色红外滤光片53、光学透镜组54和光线传感器55的中心点在同一轴线上，相邻的部件之间通过卡装在摄像头5的外壳中。
所述光线传感器55和模/数(A/D)转换模块连接，模/数转换模块和图像信号处理单元连接，所述图像信号处理单元和控制单元连接。
捕捉的光信号经过模/数(A/D)转换、图像信号处理(ISP，Image SignalProcessing)后，经无线传输技术在手持控制终端6上进行存储和显示。
所述微型可变光圈51围绕其内圈的周向设置有一圈光强传感器511，该光强传感器感受外界光线强弱，并反馈到摄像头控制单元，摄像头控制单元根据外部光线的强弱，控制电致变色红外滤光片53发生颜色改变，调节红外滤光片的滤光功能。更为具体的，光强传感器511感受外界光线的强弱，强弱程度以模拟信号输出的大小(比如电压、电流等)来表征。外部光线越强，则光强传感器511输出的模拟信号越大，摄像头控制单元调节电致变色红外滤光片53发生颜色改变的程度就越小(越接近透明状态)，电致变色红外滤光片53对外界光线的过滤就越少；相反，外界光线越弱，则光强传感器输出的模拟信号越小，摄像头控制单元调节电致变色红外滤光片53发生颜色改变的程度就越大，滤光片对外界光线的过滤就越多(把可见光尽可能吸收、允许红外光透过)。例如，当光强传感器511感受到外界光线充足，则摄像头控制单元调节供给电致变色红外滤光片53的电场强度，使电致变色红外滤光片53变为透明状态，光线全部透过滤光片到达透镜组54，经光线传感器55捕捉并进一步处理后进行成像；当光强传感器511感受到外界光线极弱、为黑暗环境时，摄像头控制单元调节电致变色红外滤光片53受到的电场强度，使红外滤光片53发生颜色变化，将可见光吸收、允许透过红外光，红外光经透镜组54后被光线传感器55捕捉，最后在手持控制终端6上进行存储和显示。
需要指出的是，以上给出的示例是在光线非常充足和光线非常不充足(或者完全黑暗)两个极端环境下的成像案例。实际上，从外界光线充足到完全黑暗是一个光线强度缓慢变化的过程，摄像头控制单元根据光强传感器511感受到的光线强弱变化程度，有针对性地、逐渐地改变电致变色红外滤光片53受到的电场强度，使电致变色红外滤光片53发生与外界光线强弱程度相适应的颜色变化。在外界光线强度介于很强和积弱两者之间的情况下，经过电致变色红外滤光片53的光线同时包含可见光和红外光，其中可见光部分经过模/数变换和信号处理后形成被拍摄环境的主要轮廓，而红外光部分经过模/数变换和信号处理后形成被拍摄环境主要轮廓下的具体细节信息，两者相互补充，使得微型双模摄像头在光线充足或者黑暗的环境中均能够有效成像。
摄像头控制单元能够接收手持控制器6传递的拍摄指令，进而通过动力装置能够控制摄像头5的拍摄角度。
实施例6
进一步的，本实施例公开了图像处理与目标识别单元，该单元的具体工作过程为：
微型双模摄像头实时捕捉它视野内的图像，图像传输到图像处理与目标识别单元。该单元对图像中的目标进行检测、分类，根据系统事先指定的需要识别的某个确定种类的目标(目标种类可以划分为：人、车辆、房屋、树木等，这里以人作为事先指定的需要识别的目标)，进行图像特征提取(把图像中所有的人的脸部特征提取出来)，并与特征库里面事先存储的待识别的人的脸部特诊进行比对，如果比对中，即启动锁定功能，图像处理与目标识别单元向无人机飞行控制单元实时发送目标运动轨迹和坐标，引导无人机锁定和跟踪该目标；如果没有比对中，将继续对微型双模摄像头接下来拍摄到的图像执行上述操作，直至搜索到待识别的目标。此外，如果在执行任务的过程中，地面指挥员先发现需要识别的目标，可以在手中的控制终端的屏幕上直接点选该目标，并发出锁定跟踪指令，然后图像处理与目标识别单元锁定该目标，并向无人机飞行控制单元实时发送目标运动轨迹和坐标，引导无人机锁定和跟踪该目标。
图像处理与目标识别单元在实现上述功能的时候，需要按照递进的关系完成以下三步工作：(1)，对不同种类的目标进行识别、检测和分类，将图像中的人、车辆、房屋、树木等分别进行归类，根据任务需求，保留有用的信息(如需要识别人，那么就把图像中所有人的信息保存下来，其他的车辆、房屋、树木等的信息就舍弃)。(2)，对识别出来的这些有用的信息(以识别人为例来讲)，开展人脸识别，通过脸部特诊的提取和比对，从微型双模摄像头捕捉的图像中找出与目标特征匹配的人脸；(3)，在完成人脸识别以后，启动锁定和跟踪功能。更为具体的步骤为：
步骤1，针对多目标识别、检测
参见图13，摄像头采集当前视野内的图像，AI图像处理芯片根据事先积累的经验，对接收到的每一帧图像进行算法处理，该算法为现有目标识别算法，能够检测类型，具体的为将图像中的一个或者多个人、动物、房屋、车辆、树木等目标分别检测出来，同类型的目标存入一个目标子集中并进行编号。
如果检测出的是动物、房屋、车辆或数目等目标，则将继续处理下一帧的图像信息并进行比对，不断循环。如果检测出人脸，则进行步骤2。
步骤2，对于人脸识别
参见图14，具体的流程包括以下步骤：
(1)对于上一步中已经进行分类和编号的目标，提取人脸子集中检测到的各个人脸信息，并对所有人脸信息按编号顺序进行脸部特征的提取；
(2)将提取到的各个人脸特征点信息分别与底库中目标人物的特征点进行匹配，如果匹配成功，则完成人脸识别，AI芯片将返回比中的人脸信息编号，进入下一步目标跟踪环节。如果匹配不成功，AI芯片将按顺序继续比对下一个人脸特征，直到比中；如果比对完一帧图像中所有人脸特征都没有比中，将继续处理下一帧的图像信息并进行比对，如此不断循环。
采用基于Mobilefacenet的轻量级目标/人脸识别算法，对检测到的目标人脸进行识别。基于Mobilefacenet的人脸识别模型支持在移动端设备上高性能运行，单个网络模型只有4M并且有很高的识别准确率。
步骤3，AI目标跟踪
设计TLD(Tracking-Learning-Detection)的轻量级目标跟踪算法，该算法与传统跟踪算法的显著区别在于将传统的跟踪算法和传统的检测算法相结合来解决目标在被跟踪过程中发生的形变、部分遮挡等问题。同时，通过一种改进的在线学习机制不断更新跟踪模块的“显著特征点”和检测模块的目标模型及相关参数，从而使得跟踪效果更加稳定、可靠。
该算法包括跟踪模块(tracker)，检测模块(detector)和学习模块(learning)三部分。跟踪模块是观察帧与帧之间的目标的动向。检测模块是把每张图看成独立的，然后去定位。学习模块将根据跟踪模块的结果对检测模块的错误进行评估，生成训练样本来对检测模块的目标模型进行更新，避免以后出现类似错误。
TLD目标追踪的工作流程如下：首先，检测模块由一系列包围框产生样本，经过级联分类器产生正样本，放入样本集；然后使用跟踪模块估计出物体的新位置，根据这个位置又产生正样本，然后从这些正样本里选出一个最可信的，同时把其他正样本标记为负；最后用正样本更新检测模块的分类器参数，并确定下一帧物体包围框的位置。
参见图15，更为具体的，包括以下过程：
跟踪模块根据物体在当前帧已知的位置估计它在下一帧的位置，采用Median-Flow追踪算法(中值流跟踪法)，计算当前位置和预测位置之间的欧氏距离作为追踪的度量；检测模块对每一帧图像都做全面的扫描，找到与目标物体相似的所有外观的位置，给它们加上包围框；根据跟踪模块得出的欧氏距离估算包围框内目标下一时刻位置和当前位置之间的新偏差，通过级联分类器(偏差分类器、集成分类器、神经网络分类器)产生正样本；
P专家根据目标下一时刻的新位置对检测模块原来生成的正样本进行更新，N专家从更新后的正样本里选出一个最可信的，并把这个最可信的正样本输送给检测模块和跟踪模块；学习模块通过不断迭代，训练分类器，改善检测模块和跟踪模块的精度，实现目标锁定和实时跟踪。
该方法能够实时捕捉视野内的图像，通过对图像中各类事物的识别，找到人脸信息，通过人脸识别，找到与目标特征匹配的人脸，完成人脸识别后，启动跟踪功能。该方法最大的特点在于能对锁定的目标进行不断的学习，以获取目标最新的外观特征，从而及时完善跟踪，以达到最佳的状态。开始时只提供一帧静止的目标图像，但随着目标的不断运动，系统能持续不断地进行探测，获知目标在角度、距离、景深等方面的改变，并实时识别，经过一段时间的学习之后，目标就再也无法躲过。该技术是采用跟踪和检测相结合的策略，是一种自适应的、可靠的跟踪技术。该方案中，跟踪模块和检测模块并行运行，二者所产生的结果都参与学习过程，学习后的模型又反作用于跟踪模块和检测模块，对其进行实时更新，从而保证了即使在目标外观发生变化的情况下，也能够被持续跟踪。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (21)
1.一种静音侦查飞行器，其特征在于，包括中心板(12)，所述中心板(12)连接有负载架(14)，所述负载架(14)中设置有控制系统(4)和摄像头(5)；
所述中心板(12)的四个角分别连接有一个悬伸臂(11)，所述悬伸臂(11)的外端上设置有静音电机(2)，所述静音电机(2)的动力输出轴连接有静音桨(3)；
所述静音桨(3)包括依次一体连接的旋转环(31)、桨叶(32)和尾部(33)，所述旋转环(31)和静音电机(2)的动力输出轴连接；
沿桨叶(32)的横截面方向，桨叶(32)的下表面为平面，桨叶(32)的上表面为弧面，在呈弧面的上表面上设置有凸起弧(323)，
尾部(33)和桨叶(32)通过连接部分(34)连接，连接部分(34)的宽度小于尾部(33)的宽度和桨叶(32)外端的宽度，尾部(33)的上表面设置有凸起弧(323)；
桨叶(32)上的凸起弧(323)沿桨叶(32)的长度方向设置，尾部(33)的凸起弧(323)沿尾部(33)的长度方向设置；
所述摄像头(5)连接和控制系统(4)连接，所述控制系统(4)通过电信号连接有手持控制器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述中心板(12)和悬伸臂(11)一体连接。
3.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述中心板(12)设置有多个螺纹孔(13)。
4.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述负载架(14)通过螺纹连接和中心板(12)连接。
5.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述负载架(14)为框架结构。
6.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，负载架(14)和中心板(12)的上端面连接，或者是负载架(14)和中心板(12)的下端面连接。
7.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述桨叶(32)包括内侧边(321)和外侧边(322)，内侧边(321)包括依次一体连接的第一轮廓线(3211)、第二轮廓线(3212)和第三轮廓线(3213)；外侧边(322)包括依次一体连接的第四轮廓线(3221)和第五轮廓线(3222)；第一轮廓线(3211)的第一端部和旋转环(31)连接，第三轮廓线(3213)的第二端部和尾部(33)连接；第四轮廓线(3221)的第一端部和旋转环(31)连接，第五轮廓线(3222)的第二端部和尾部(33)连接；
所述内侧边(321)在第一象限中，所述第四轮廓线(3221)在第四象限中，第五轮廓线(3222)为从第四象限向第一象限变化的弧形轮廓线。
8.根据权利要求7所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，第五轮廓线(3222)在第四象限中的任意一点和x轴的距离为D2，第四轮廓线(3221)和x轴的距离为D1，D2小于D1。
9.根据权利要求7所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述第一轮廓线(3211)为相对于x轴倾斜的直线，第二轮廓线(3212)为弧形轮廓线，第三轮廓线(3213)为平行于x轴的直线，所述第二轮廓线(3212)的顶点和第三轮廓线(3213)之间的垂直距离为h，h＞0。
10.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述桨叶(32)和尾部(33)之间通过连接部分(34)连接，连接部分(34)的宽度小于桨叶(32)的宽度，连接部分(34)的宽度小于尾部(33)的宽度。
11.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述尾部(33)长度方向与桨叶(32)长度方向的夹角为锐角。
12.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述桨叶(32)的上表面上阵列设置有若干排凸起线(35)，所述凸起线(35)设置在桨叶(32)的后部，所述凸起线(35)沿桨叶(32)的长度方向阵列；
所述尾部(33)的上表面阵列有凸起线(35)，所述凸起线(35)沿尾部(33)的长度方向阵列。
13.根据权利要求12所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述凸起线(35)为波浪形。
14.根据权利要求12所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，每一个凸起线(35)由若干个凸起柱(351)组成。
15.根据权利要求1所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，沿着一个凸起线(35)的走向，凸起柱(351)的高度变化曲线为正弦曲线。
16.根据权利要求1-15任意一项所述的静音侦查飞行器，其特征在于，所述摄像头(5)由可变光圈(51)、光学防抖和对焦马达(52)、电致变色红外滤光片(53)、光学透镜组(54)和光线传感器(55)依次堆叠组成。
17.根据权利要求16所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述电致变色红外滤光片(53)和控制系统(4)连接。
18.根据权利要求17所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述可变光圈(51)围绕其内圈的周向设置有一圈光强传感器(511)，所述光强传感器(511)和控制系统(4)连接。
19.根据权利要求18所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，外部光线越强，光强传感器(511)传递至控制系统(4)的模拟信号越大，控制系统(4)调节电致变色红外滤光片(53)发生颜色改变的程度越小；外部光线越弱，光强传感器(511)传递至控制系统(4)的模拟信号越小，控制系统(4)调节电致变色红外滤光片(53)发生颜色改变的程度越大。
20.根据权利要求18所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述控制系统(4)包括摄像头控制单元、飞行控制单元和图像处理与目标识别单元；
所述摄像头控制单元用于控制摄像头(5)的拍摄方向和拍摄角度，调节摄像头(5)的红外滤光能力；
所述飞行控制单元用于控制飞机的飞行姿态和飞行方向；
所述图像处理与目标识别单元用于识别、检测目标；确定目标为人后，进行人脸识别，比对中目标以后锁定目标，跟踪目标。
21.根据权利要求20所述的一种静音侦查飞行器，其特征在于，所述光线传感器(55)和图像处理与目标识别单元之间依次通过模/数转换模块和图像信号处理单元连接。
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