DE102017006877A1 - Apparatus and method for detecting missiles with a stereo camera system and a high-frequency scanner - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Flugkörpern mit einem Stereokamerasystem und einem Hochfrequenzscanner, der ein lineares Antennensystem aufweist.An apparatus and method for detecting missiles with a stereo camera system and a radio frequency scanner having a linear antenna system.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Flugkörpern mit den Merkmalen des Patentanspruchs
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist im Folgenden beschrieben und wird in der Zeichnung gezeigt.An advantageous embodiment is described below and is shown in the drawing.
Die Merkmale des Systems sind der Einsatz von multiplen Sensoren und Algorithmen zur Fusion der Sensordaten, eines linearen Antennen-Arrays, die Integration eines Stereo-Kamera-Systems und als Add-On eines Akustik-Systems. Ebenfalls ist ein gerichteter RF-Jammer enthalten, der zur automatischen, mechanischen Ausrichtung genutzt wird (Zusatzmodul).The features of the system are the use of multiple sensors and algorithms to merge the sensor data, a linear antenna array, the integration of a stereo camera system and as an add-on of an acoustic system. Also included is a directional RF jammer used for automatic mechanical alignment (add-on module).
Das System kombiniert drei Sensorprinzipien miteinander: einen Hochfrequenz (RF/HF)-Scanner, ein Kamera-System und zusätzlich akustische Sensoren.The system combines three sensor principles: a high frequency (RF / HF) scanner, a camera system and additional acoustic sensors.
Der Stand der Technik setzt auf Einzeltechnologien (z. B. Hersteller Drone Shield). Die Kombination aus RF-Scanner, Kamera-System und Akustik in einem kompakten System, mit dem Ziel einer möglichst genauen Lokalisierung von Unmanned Aerial Vehicle (UAV)/Pilot, ist bisher noch nicht umgesetzt worden.The state of the art relies on individual technologies (eg manufacturer Drone Shield). The combination of RF scanner, camera system and acoustics in a compact system, with the aim of the most accurate localization of unmanned aerial vehicle (UAV) / pilot, has not yet been implemented.
Durch die Kombination von Kamera/RF/Akustik ist es möglich, das Überwachungsgebiet in Zonen zu unterteilen (short, medium, long range). Es werden die Nachteile einer Technologie (z. B. Kamera bei optischer Behinderung) durch die Vorteile einer anderen Technologie (z. B. Einsatz von RF ist unabhängig von optischen Hindernissen) ausgeglichen. Die Überlagerung der Technologie erhöht zudem die Güte/Qualität der Lokalisierung und verringert einseitige aus dem Sensorprinzip bedingte Fehlalarme (z. B. Unterscheidung von UAV gegenüber einem Vogel).By combining camera / RF / acoustics, it is possible to divide the surveillance area into zones (short, medium, long range). The disadvantages of one technology (eg camera in case of optical interference) are compensated by the advantages of another technology (eg use of RF is independent of optical obstacles). The overlay of the technology also increases the quality / quality of the localization and reduces one-sided sensor-based false alarms (eg differentiation of UAV from a bird).
Das System setzt Algorithmen zur Fusion der Sensor-Daten aus RF/HF, Kamera und Akustik ein (z. B. Kalman Filter). Die heterogenen Daten werden mittels statistischen Modellen zusammengelegt, wodurch die Qualität/Güte der Daten erhöht wird.The system uses algorithms to merge sensor data from RF / HF, camera and acoustics (eg Kalman Filter). The heterogeneous data is merged by means of statistical models, which increases the quality / quality of the data.
Die bisherigen System setzen auf die Auswertung einzelner Sensoren (Technologien), ohne eine geschickte Verknüpfung von Informationen aus heterogenen Datenquellen. Es werden keine statistischen Modelle genutzt werden (z. B. Hersteller Dedrone).The previous system rely on the evaluation of individual sensors (technologies), without a clever combination of information from heterogeneous data sources. No statistical models will be used (eg manufacturer Dedrone).
Durch den Einsatz von Sensorfusion wird die Qualität/Güte der Lokalisierung erhöht. Es wird die Grundlage für die Identifikation von UAVs gelegen.The use of sensor fusion increases the quality / quality of localization. It lays the foundation for the identification of UAVs.
Es werden Algorithmen des Machine/Deep Learning (Artifical Neuronal Networks) genutzt, um UAV-spezifische Modelle zu entwickeln. Als Grundlage werden die fusionierten Daten der drei Sensoren verwendet. Das Modell wird aus Versuchen angelernt.Algorithms of Machine / Deep Learning (Artifical Neuronal Networks) are used to develop UAV-specific models. As a basis, the fused data of the three sensors are used. The model is learned from experiments.
Bisher nutzen die bekannten Systeme die Erkennung auf Grundlage von Einzel-Sensoren, ohne dem Einsatz von Computer-Modellen.So far, the known systems use recognition based on individual sensors, without the use of computer models.
Hinterlegt in einer Datenbank ermöglichen diese die Identifikation von UAVs, welche in den Detektionsbereich eingedrungen sind. Es kann zwischen UAV-Typen unterschieden werden basierend auf den Merkmalen, die im Modell hinterlegt worden sind. Dadurch ist ein UAV-typischer „Fußabdruck“ möglich, der eine eindeutige Identifikation ermöglicht.Filed in a database, these enable the identification of UAVs that have entered the detection area. It can be distinguished between UAV types based on the characteristics that have been deposited in the model. As a result, a UAV-typical "footprint" is possible, which allows a clear identification.
Die RF/HF-Sensor setzt auf ein lineares Antennen-Array mit mehr als 6 Antennen. Hierfür werden omnidirektionale Antennen für den 433 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz oder 5.8 GHz genutzt, die entsprechend der Wellenlänge geometrisch angeordnet sind (Abstand Array-Elemente). Um zwischen den Frequenzen (Center-Frequencies) umzuschalten, wird eine Multiplex-Verbindung realisiert. Im Wesentlichen wird die 2.4 GHz Frequenz geprüft; Erweiterungen sind für 433/915MHz und 5.8 GHz vorgesehen. Hierfür sind zum einen die Antennen im Array „hinzu-/abgeschalten“, oder falls nicht möglich, ist ein mechanischer/elektrischer Austausch des Antennen-Arrays vorgesehen.The RF / RF sensor relies on a linear antenna array with more than 6 antennas. For this purpose, omnidirectional antennas are used for the 433 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz or 5.8 GHz, which are geometrically arranged according to the wavelength (distance array elements). To switch between the frequencies (center frequencies), a multiplex connection is realized. In essence, the 2.4 GHz frequency is tested; Extensions are planned for 433 / 915MHz and 5.8 GHz. For this purpose, on the one hand, the antennas in the array "on / off", or if not possible, a mechanical / electrical exchange of the antenna array is provided.
Bisherige Erkennungssystemene zur Drohnenabwehr setzen entweder auf omnidirektionale Ein-Antennen-Systeme (kein Array) oder auf segmentierte bzw. gerichtete Antennen.Previous detection systems for drone defense use either omnidirectional single-antenna systems (no array) or segmented or directional antennas.
Der Vorteil von Antennen-Arrays gegenüber Ein-Antennen-Ansätzen ist die Möglichkeit der Lokalisierung von Drohnen. Es kann der Eintrittswinkel des VideoSignals von der Kamera des UAVs erkannt werden. Es kann ebenfalls das Steuersignal des Piloten empfangen und dessen Position bestimmt werden. Im Vergleich zu segmentierten Ansätzen liegt der Vorteil in einer geringen Rauschempfindlichkeit (Störsignalen), die im Besonderen im vielfältig (frei) genutzten ISM-Band auftreten kann. Im Gegensatz zu gerichteten Antennen ist bei einem Antennen-Array keine zusätzliche Mechanik notwendig (geringerer Verschleiß).The advantage of antenna arrays over single-antenna approaches is the possibility to localize drones. The entrance angle of the video signal can be recognized by the camera of the UAV. It can also receive the control signal of the pilot and determine its position. In comparison to segmented approaches, the advantage lies in a low noise sensitivity (interference signals), which can occur in particular in the manifold (freely) used ISM band. In contrast to directional antennas, an antenna array requires no additional mechanics (less wear).
Für die Auswertung der Antennen-Arrays wird auf Verfahren zur Analyse aus multiplen Input-Signalen (Signal Processing) gesetzt. Es wird auf Algorithmen des Direction-of-Arrival (DOA) aufgebaut, wie die des MUltiple SIgnal Classification (MUSIC). Für den Anwendungsfall der Erkennung von UAVs/Piloten wird der Algorithmus entsprechend erweitert. Der entwickelte Ansatz ist auf Steuer-/Video-Signale von Pilot/UAVs ausgerichtet, d. h. kann für Broadband-Signale mit Frequency Hopping (FHSS) von aktuell bis zu 56 MHz genutzt werden. Hierfür wird eine „Window“-Funktion realisiert, die auf Basis des zuvor bekannten typischen Charakters der Signale die Peilfrequenz auswählt. Nach der Identifikation des Signals, wird dieses durch einen Filter isoliert (Bandpass) und anschließend der Eintrittswinkel des Peil-Signals des UAVs und des Piloten auf das Antennen-Array bestimmt. Die Ermittlung des Eintrittswinkels erfolgt mittels Berechnung der Phasendifferenzen der Signale zwischen den Antennen im Array.For the evaluation of the antenna arrays, methods for the analysis of multiple input signals (Signal Processing) are used. It will open Algorithms of Direction-of-Arrival (DOA), such as the MUltiple SIgnal Classification (MUSIC). For the application of the detection of UAVs / pilots, the algorithm is extended accordingly. The developed approach is geared towards pilot / UAV control / video signals, ie it can be used for broadband signals with frequency hopping (FHSS) from currently up to 56 MHz. For this purpose, a "window" function is realized, which selects the DF frequency based on the previously known typical character of the signals. After the identification of the signal, this is isolated by a filter (bandpass) and then determines the entrance angle of the direction of the Ueil and the pilot on the antenna array. The determination of the entrance angle is done by calculating the phase differences of the signals between the antennas in the array.
Der Stand der Technik für die UAV-Lokalisierung basiert auf der Messung der Signalstärke (Amplitude) der RF-Kommunikation zwischen UAV/Pilot. Der Winkel kann bei segmentierten Antennen bestimmt werden (z. B. Hersteller Aaronia), wobei die Hardware-Entwicklung hierfür aufwändig ist.The state of the art for UAV localization is based on measuring the signal strength (amplitude) of RF communication between UAV / Pilot. The angle can be determined for segmented antennas (eg manufacturer Aaronia), whereby the hardware development is complicated.
Der Vorteil von software-basierten Berechungsverfahren liegt in der Flexibilität zur Anpassung an die Signal-Charakteristiken unterschiedlicher UAV-Typen (Fähigkeit zum Software-Update). Ebenfalls ist der Ansatz robust gegenüber Signal-Störungen, wodurch auch der Einsatz im innerstädtischen Bereich oder an Flughäfen (hohe Nutzung der Frequenzen) ermöglicht wird.The advantage of software-based calculation methods lies in the flexibility to adapt to the signal characteristics of different UAV types (software update capability). Also, the approach is robust to signal interference, which also allows the use in the urban area or at airports (high use of frequencies).
Das System beinhaltet zwei hochauflösende Kameras (Stereo-System), die im Abstand von ca. 1 m angebracht und mit einem „geringen“ optischen Winkel zueinander ausgerichtet sind. Es werden Verfahren zur Bildausauswertung genutzt, bspw. Background Subtraction zur Erkennung von kleinen bewegten Objekten im Betrachtungsbereich der Kameras (wie einem UAV). Ebenfalls sind Verfahren zur Identifikation des UAV-Typs im Einsatz, bspw. Faster R-CNN zur Erkennung von charakteristischen Merkmalen des fliegenden Objektes. Durch die geometrische Ausrichtung der beiden Kameras können Methoden der Stereo Vision angewendet werden. Hierfür werden die Video-Daten der beiden Camera's verglichen und der Schwerpunkt des UAVs bestimmt (relevanten Pixel in den Bildern identifiziert). Aufbauend kann die Bildtiefe gemessen und somit der Abstand zum UAV bestimmt werden.The system includes two high-resolution cameras (stereo system), which are mounted at a distance of about 1 m and aligned with a "small" optical angle to each other. Methods for image evaluation are used, for example background subtraction for detecting small moving objects in the viewing area of the cameras (such as a UAV). Also, methods for identifying the UAV type are in use, for example. Faster R-CNN for detecting characteristic features of the flying object. Due to the geometric alignment of the two cameras, methods of stereo vision can be applied. For this purpose, the video data of the two cameras are compared and the center of gravity of the UAV determined (relevant pixels identified in the images). Based on the image depth can be measured and thus the distance to the UAV can be determined.
Der Stand der Technik beschreibt die Bildauswertung von Mono-Kameras; diese werden zum einen als Sucher im Bild eingesetzt (z. B. Hersteller Belichter) und zum anderen zur Aufnahme von Videos über das UAV (z. B. Hersteller Dedrone).The prior art describes the image evaluation of mono cameras; These are used on the one hand as a viewfinder in the image (eg manufacturer imagesetter) and on the other to record videos via the UAV (eg manufacturer Dedrone).
Der Einsatz von Stereo-Kameras ermöglicht die Messung von Abständen (Tiefen) zum einfliegenden UAV. Über das UAV können vielfältige Informationen erfasst und gespeichert werden. So tragen Informationen über die 3D-Koordinaten und die Trajektorie des UAV dazu bei, eine Kartographie in einer 3D-Map vorzunehmen. Es können bestimmte Areale in der 3D-Map festgelegt werden, in denen UAV-Flüge erlaubt (grün), verboten mit Warnung (gelb) oder verboten/verhindert (rot) werden. Ebenfalls können in sicherheitskritischen Bereichen spezifische Aktionen (Warnungen, etc.) ausgelöst werden.The use of stereo cameras allows the measurement of distances (depths) to the incoming UAV. Via the UAV a variety of information can be collected and stored. Thus, information about the 3D coordinates and trajectory of the UAV contributes to cartography in a 3D map. Certain areas can be defined in the 3D map, where UAV flights are allowed (green), prohibited with warning (yellow) or forbidden / prevented (red). In safety-critical areas, specific actions (warnings, etc.) can also be triggered.
Das Akustik-Array ist ein Add-On und besteht aus mehreren omnidirektionalen Mikrophonen von bis zu 20 kHz (hörbarer Bereich). Analog zur Auswertung der RF-Signale, kann davon ausgegangen werden, dass die gleichen Verfahren zur Bestimmung des Eintrittswinkels eingesetzt werden können (nur geringere Frequenz).The acoustic array is an add-on and consists of several omnidirectional microphones of up to 20 kHz (audible range). Analogous to the evaluation of the RF signals, it can be assumed that the same methods can be used to determine the entry angle (only lower frequency).
Der Tand der Technik (z. B. Hersteller Drone Shield) beschreibt ebenfalls akustische Erkennungsmechanismen. Im Besonderen werden hier Richtmikrophone genutzt.The state of the art (eg manufacturer Drone Shield) also describes acoustic detection mechanisms. In particular, directional microphones are used here.
Der Vorteil von akustischen Arrays liegt in der Lokalisierung gegenüber einer einfachen Detektion (Geräusche der Propeller/Motoren des UAV). Ebenfalls ist eine Ausrichtung in einem weitaus geringen Maße notwendig als bei einem Einsatz von Richtmikrophonen. Darüber hinaus ist der Verschleiß geringer als bei motorbetriebenen Richtanlagen (keine beweglichen Teile).The advantage of acoustic arrays lies in the localization compared to a simple detection (noise of the propellers / engines of the UAV). Also, alignment is required to a much lesser extent than when using directional microphones. In addition, the wear is less than with motorized straightening equipment (no moving parts).
Die Gegenmaßnahme zur Abwehr gegenüber UAVs ist in einem Zusatzmodul vorgesehen, einer gerichteten RF-Jammer Einheit. Diese stört die Steuersignale zwischen Pilot/UAV mittels eines direktionalen/gerichteten RF-Störsenders. Im Signal wird ein Sägezahn mit einer hohen Signalstärke an das UAV gesendet, wodurch die Verbindung zum Piloten unterbrochen und dieser die Kontrolle über das UAV verliert. Typischerweise landet das UAV oder fliegt zum Ausgangspunkt automatisch zurück.The countermeasure to defend against UAVs is provided in an add-on module, a directed RF-Jammer unit. This disturbs the control signals between pilot / UAV by means of a directional / directed RF jammer. The signal sends a high-signal sawtooth signal to the UAV, breaking the pilot's connection and causing him to lose control of the UAV. Typically, the UAV lands or flies back to the starting point automatically.
Auch im Stand der Technik sind bereits RF-Jammer bekannt, die allerdings bisher omnidirektional Signale aussenden (z. B. Hersteller Apollo Shield); bei direktionalen Ansätzen manuell ausgerichtet werden müssen (z. B. Hersteller Battle) oder unmittelbar mechanisch mit dem Sucher verbunden sind (z. B. Hersteller Blighter).Even in the prior art RF jammers are already known, but so far omnidirectional emit signals (eg manufacturer Apollo Shield); must be aligned manually with directional approaches (eg manufacturer Battle) or directly mechanically connected to the viewfinder (eg manufacturer Blighter).
Der Vorteil des Ansatzes liegt in der automatischen Ausrichtung der RF-Jammer Einheit anhand der 3D-Koordinaten durch das System. Ebenfalls handelt es sich um ein gerichtetes Signal, wodurch umliegende HF/RF-basierte Empfänger der gleichen Frequenz nicht gestört werden (z. B. wifi-Netzwerke). Da es nicht direkt im Erkennungs/Lokalisierungs-System integriert ist, kann das Zusatzmodul in besonders sicherheitsbedürftigen Arealen aufgestellt werden.The advantage of the approach lies in the automatic alignment of the RF-Jammer unit based on the 3D coordinates through the system. It is also a directional signal that does not interfere with surrounding RF / RF based receivers of the same frequency (eg wifi networks). Since it is not integrated directly in the recognition / localization system, the add-on module can be installed in areas that are particularly in need of security.
Das System ist in der Art und Weise aufgebaut, dass mehrere Systeme miteinander verbunden werden können (Module). Ebenfalls hat jedes Modul eine Vorzugsrichtung für die Erkennung von UAVs und Piloten. Das sind ca. 120 Grad Winkel mit einer Reichweite von ca. 500 m (aufgrund des RF/HF-Parts). Eine wesentliche Verbesserung der Güte in der Lokalisierung erfolgt ab ca. 200 m, sobald UAVs durch das Stereo-Camera-System erkannt werden können.The system is designed in such a way that several systems can be interconnected (modules). Each module also has a preferred direction for the detection of UAVs and pilots. This is about 120 degrees angle with a range of about 500 m (due to the RF / HF part). A significant improvement in the quality in the localization takes place from about 200 m, as soon as UAVs can be detected by the stereo camera system.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102018202901A1 (en) * | 2018-02-27 | 2019-08-29 | Atos Convergence Creators Gmbh | Method and apparatus for repelling a detectable drone |
| US10731951B2 (en) | 2018-02-27 | 2020-08-04 | Atos Convergence Creators Gmbh | Method and apparatus for repelling a detectable drone |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2018145687A1 (en) | 2018-08-16 |
| DE112018000745A5 (en) | 2019-10-17 |
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