一種無人機靶向系統的製作方法

2023-12-01 11:47:31

本發明涉及無人機技術領域，具體地說，涉及一種無人機靶向系統。

背景技術：

無人機(uav)是指無人在機上駕駛、可自主控制或遙控的飛機武器系統，它可執行對空、對地(海)作戰任務，並具有可回收、可重複使用的特徵。

無人機與常規飛機既有聯繫又有區別，相較於常規分析，無人機沒有駕駛艙以及相關的環控救生設備。因此除了能夠降低飛機的重量和成本外，無人機還大大放寬了飛機設計的一些限制，例如飛機發動機的位置可以更加合理、飛機的機動過載可以更高等。

基於無人機的諸多特點，無人機開始在越來越多的領域得到應用。然而，現有的無人機多應用於軍事領域，其往往搭載有大型的武器系統。而對於偵查和追捕打擊恐怖分析和要犯等特殊警務任務，這種無人機顯然無法適用。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供了一種無人機靶向系統，所述系統包括：

多旋翼無人機；

雲臺攝像裝置，其安裝在所述多旋翼無人機底部，用於獲取探測區域的大視角視頻信息；

打靶裝置，其安裝在所述雲臺攝像裝置上並隨著所述雲臺攝像裝置轉動；

機載光學瞄準裝置，其安裝在所述打靶裝置上，用於獲取所述打靶裝置所指方向上的圖像信息。

根據本發明的一個實施例，所述系統還包括：

地面控制裝置，其與所述多旋翼無人機的無人機通信裝置通信連接，用於通過所述無人機通信裝置接收所述多旋翼無人機發送來的飛行狀態信息、雲臺攝像裝置發送來的大視角視頻信息和/或所述機載光學瞄準裝置發送來的圖像信息，還用於向所述多旋翼無人機發送相應的飛行控制指令、向所述雲臺攝像裝置發送轉動指令、向所述打靶裝置發送打靶指令。

根據本發明的一個實施例，所述地面控制裝置包括：

地面通信模塊，其用於與所述無人機通信裝置進行數據通信；

顯示模塊，其用於對所述地面通信模塊傳輸來的圖像數據進行可視化顯示；

地面站控制模塊，其與所述地面通信模塊連接，用於根據所述地面通信模塊發送來的數據生成相應的控制指令並將所述控制指令發送至所述地面通信模塊。

根據本發明的一個實施例，所述地面站控制模塊根據所述打靶裝置所指方向上的圖像信息提取有效圖像信息，並根據目標圖像信息和所述有效圖像信息生成視軸偏差角信息，根據所述視軸偏差角信息生成雲臺控制指令，並將所述雲臺控制指令通過所述地面通信模塊發送至所述雲臺攝像裝置，以控制雲臺攝像裝置轉動從而實現對目標的鎖定與跟蹤。

根據本發明的一個實施例，所述地面站控制模塊包括：

控制按鍵，其用於在用戶按下指定按鍵後從預設指令庫中調取該按鍵所對應的控制指令，並將該控制指令傳輸至所述地面通信模塊；和/或，

控制搖杆，其用於根據控制搖杆的當前狀態生成相應的控制指令，並將該控制指令傳輸至所述地面通信模塊。

根據本發明的一個實施例，所述機載光學瞄準裝置在瞄準並跟隨所述探測區域中的指定目標後生成跟隨指示信息；

所述地面站控制模塊通過所述地面通信模塊接收到所述跟隨指示信息後，生成振動指令並將所述振動指令傳輸至所述控制搖杆，以控制所述控制搖杆振動。

根據本發明的一個實施例，所述地面控制裝置還包括：

數據存儲模塊，其與所述地面通信模塊連接，用於對所述地面通信模塊傳輸來的數據進行存儲。

根據本發明的一個實施例，所述雲臺攝像裝置包括雙軸陀螺穩定雲臺，所述雙軸陀螺穩定雲臺通過兩軸兩框架結構固定掛載在所述多旋翼無人機正下方。

根據本發明的一個實施例，所述機載光學瞄準裝置包括ccd攝像模塊、紅外燈以及感光模塊，其中，

所述感光模塊與所述紅外燈連接，其用於採集所述探測區域的光線強度信息，當所述探測區域的光線強度小於預設光線強度閾值時，所述感光模塊生成紅外燈開啟指令並將所述紅外燈開啟指令發送至所述紅外燈，以開啟所述紅外燈。

本發明所提供的無人機靶向系統具有圖像處理功能以及良好的人機接口單元，其能夠建立信號處理、模式切換、大容量存儲、回放、優化程序等多任務管理，完成了基於數據鏈路的遠程視頻傳輸系統設計，具備記錄工作場景的復現和關鍵數據的記錄分析功能。

本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是根據本發明一個實施例的無人機靶向系統的結構示意圖；

圖2是根據本發明一個實施例的地面控制裝置的結構示意圖；

圖3是根據本發明一個實施例的瞄準跟蹤功能的實現原理圖；

圖4是根據本發明一個實施例的視覺穩定雲臺控制迴路示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。

同時，在以下說明中，出於解釋的目的而闡述了許多具體細節，以提供對本發明實施例的徹底理解。然而，對本領域的技術人員來說顯而易見的是，本發明可以不用這裡的具體細節或者所描述的特定方式來實施。

隨著高新技術在社會生活各領域的廣泛應用，犯罪與打擊犯罪的較量更集中地體現在對現代科技手段和新技術裝備的運用上。當前，世界各國都在實戰中探索新手段和新方法，反恐形勢的嚴峻性以及特殊情況下的打擊不法分子的手段局限對於警務系統提出了多方位、多層次的需求，自然也就要求在警用航空器以及空中警務設備的選用上呈現多元化。

針對現有技術中所存在的上述問題，本發明提供了一種無人機靶向系統，該系統利用多旋翼無人機執行快速反應的空中偵察、圖像傳輸以及靶標打擊，這樣也就把警務人員從危險境地解放出來，並且降低己方損耗。

圖1示出了本實施例所提供的無人機靶向系統的結構示意圖。

如圖1所示，本實施例所提供的無人機靶向系統優選地包括：多旋翼無人機101、雲臺攝像裝置102、打靶裝置103、機載光學瞄準裝置104以及地面控制裝置105。具體地，本實施例中，根據實際應用場景，多旋翼無人機101優選地採用特定軸距(優選地為1.8m軸距)的多旋翼無人機飛行器平臺，該多旋翼無人機101在地面控制裝置105的操控下調整自身的飛行速度、飛行高度以及飛行姿態。本實施例所提供的多旋翼無人101的續航時間優選地大於半小時，其載重優選地配置在5kg至7kg。

多旋翼無人機101優選地採用大容量電池來提供動力。需要指出的是，在本發明的不同實施例中，上述多旋翼無人機101還可以採用化石燃料來提供動力，或是採用大容量電池和化石燃料的混動方式來提供動力，本發明不限於此。多旋翼無人機優選地配置差分gps模塊，這樣也就可以實現對多旋翼無人機的精準定位。

本實施例中，雲臺攝像裝置102優選地安裝在多旋翼無人機101的底部，其用於採集探測區域的大視角視頻信息。具體地，雲臺攝像裝置102優選地為雙軸陀螺穩定雲臺，其利用兩軸兩框架結構固定掛載在多旋翼無人機101的正下方，兩軸兩框架結構能夠有效隔離多旋翼無人機101的各種振動、起伏以及顛簸幹擾，這由於消除雲臺攝像裝置102所獲取到的大視角視頻圖像的模糊和晃動。

雲臺攝像裝置102優選地包括成像清晰的低照度ccd攝像機，該低照度ccd攝像機能夠獲取到大視野、大場景的視頻圖像，並且其成像質量高，這也就為對目標的準確搜索和瞄準奠定了基礎。

打靶裝置103與機載光學瞄準裝置104固接，這樣打靶裝置103與機載光學瞄準裝置104便可以具有相同的運動。本實施例中，打靶裝置103優選地採用夾具與與雲臺攝像裝置102連接並且其能夠隨著雲臺攝像裝置102轉動，因此，打靶裝置103能夠隨著與雲臺攝像裝置102的俯仰、偏轉來調整自身的朝向。

本實施例中，打靶裝置103優選地包括通用部件和個性部件。其中，對於不同的應用場景，通用部件可以共用，即通用部件能夠滿足多種不同的應用場景的使用要求。而個性部件則是針對特定應用場景是配置的。因此，對於不同的應用場景，本實施例所提供的打靶裝置103可以通過僅更換對應的個性部件來使得自身滿足該應用場景的使用要求，這樣有助於簡化打靶裝置103的結構，並且還能夠提高打靶裝置103的使用效率。需要指出的是，在本發明的不同實施例中，打靶裝置103可以為槍械等設備。

機載光學光學瞄準裝置104優選地包括：ccd攝像模塊、紅外燈以及感光模塊。其中，感光模塊與紅外燈連接，其能夠採集探測區域的光線強度信息。當探測區域的光線強度信息小於預設光線強度閾值時，感光模塊會生成紅外燈啟動指令，並將該紅外燈啟動指令發送至紅外燈，以開啟紅外燈，從而為搜索瞄準目標景物自動補光，這樣也就使得該無人機靶向系統能夠滿足夜間隱蔽使用的要求。

需要指出的是，在本發明的不同實施例中，上述預設光線強度閾值可以根據實際需要配置為不同的合理值，本發明不限於此。本實施例中，上述預設光線強度閾值優選地配置為10lux。

本實施例中，ccd攝像模塊作為光學部分，其採用高清晰、低照度的ccd攝像頭。而為了使得機載光學瞄準裝置104以及打靶裝置103能夠準確的對目標物體進行搜索和瞄準，本實施例中，ccd攝像模塊優選地可以進行例如36倍的高倍連續變焦，同時，ccd攝像模塊還內置有可調十字分劃線，這樣有助於機載光學瞄準裝置104以及打靶裝置103實現對探測區域(例如2000米)內的目標物體的快速搜索和瞄準。

本實施例中，ccd攝像頭的具體參數為：電視制式nisc制式；圖像傳感器尺寸1/3英寸；最低照度0.01lux/f2.0；電視線650電視線；白平衡在自動、預置、室內、室外以及螢光等模型下可調；自動增益控制(可開關)；工作溫度範圍為-20℃至50℃；相對溼度為85％。

當然，在本發明的其他實施例中，ccd攝像頭的具體參數還可以配置為其他合理參數，本發明不限於此。

如圖1所示，本實施例中，地面控制裝置105與多旋翼無人機101所配備的無人機通信裝置通信連接，其用於通過無人機通信裝置來接收多旋翼無人機101的飛行狀態信息、雲臺攝像裝置102發送來的大視角視頻信息和/或機載光學瞄準裝置104發送來的圖像信息。此外，地面控制裝置105還能夠通過無人機通信裝置向多旋翼無人機101發送相應的飛行控制指令以控制多旋翼無人機101的飛行狀態，同時，其還能夠向雲臺攝像裝置102發送轉動指令以調節與他乃攝像裝置102、機載光學瞄準裝置104以及打靶裝置103的角度，此外，其還能夠向打靶裝置103發送打靶指令以控制打靶裝置103進行打靶。

圖2示出了本實施例中地面控制裝置105的結構示意圖。如圖2所示，本實施例中，地面控制裝置105優選地包括：地面通信模塊201、地面站控制模塊202以及顯示模塊203。

地面通信模塊201用於與無人機通信裝置進行數據通信。地面控制裝置105通過地面通信模塊201可以實現對多旋翼無人機101、雲臺攝像裝置102、打靶裝置103以及機載光學瞄準裝置104的遠距離控制。具體地，本實施例中，地面通信模塊201與無人機通信裝置之間的最大通信距離優選地配置為30km至60km。此外，根據實際需要，地面通信模塊201也可以支持外接數傳電臺。

當然，在本發明的其他實施例中，地面通信模塊201與無人機通信裝置之間的最大通信距離根據實際需要還可以配置為其他合理值，本發明不限於此。

地面站控制模塊202優選地包括加固型地面站控制單元和/或操作員手持控制單元，顯示模塊203優選地包括與加固型地面站控制單元相配合的第一顯示器以及與操作員手持控制單元相配合的第二顯示器。其中，加固型地面站控制單元通過地面通信模塊201接收雲臺攝像裝置102以及機載光學瞄準裝置104傳來的視頻信息，第一顯示器會根據上述加固型地面站控制單元所接收到的視頻信息進行可視化顯示。第一顯示器上裝有瞄準十字星窗口，這樣用戶也就可以在第一顯示器中清楚地看到瞄準信息。

加固型地面站控制單元包括控制按鍵，其用於在用戶按下指定按鍵後從預設指令庫中調取與該按鍵所對應的控制指令，並將該控制指令傳輸至地面通信模塊201，以有地面通信模塊201傳輸至無人機通信裝置，從而實現對多旋翼無人機、雲臺攝像裝置、打靶裝置和/或機載光學瞄準裝置的控制與調節。本實施例中，用戶通過按下加固型地面站控制單元的相應按鍵可以實現對多旋翼無人機進行航路規劃，並且還能夠控制多旋翼無人機的飛行速度、飛行高度以及飛行姿態，同時還能夠實現多旋翼無人機的一鍵起飛、定點懸停、一鍵回收以及防誤操作摔機等功能。

本實施例中，加固型地面站控制單元還具有與地面通信模塊連接的數據存儲模塊(例如大容量存儲器)，這樣加固型地面站控制單元也就可以將雲臺攝像裝置102以及機載光學瞄準裝置104傳來的視頻信息進行壓縮後存儲在上述大容量存儲器中，以備進行場景重現以及分析等。

操作員手持控制單元優選地包括用於進行精確瞄準和射擊的控制搖杆，其中，控制搖杆用於根據自身的當前狀態來生成相應的控制指令，並將該控制指令傳輸至地面通信模塊201，以由地面通信模塊201傳輸至無人機通信裝置。

本實施例中，控制搖杆配置為xyz軸打靶裝置的瞄準控制多旋翼無人機的飛行姿態(包括對無人機的升降、飛行方向以及副翼的狀態的控制)，其他按鍵用戶控制雲臺攝像裝置的俯仰和偏轉角度以及打靶裝置的瞄準和射擊以及相關模式的切換。

第二顯示器採用液晶顯示屏來實現，在液晶顯示屏的視鏡串口中加裝有瞄準具十字星窗口。通過地面通信模塊201，第二顯示器能夠實時清晰地接收雲臺攝像裝置的視野視頻以及機載光學瞄準裝置的瞄準視頻。

本實施例中，多旋翼無人機的飛行均可由加固型地面站控制單元和操作員手持控制單元來控制，其中，控制模式的切換由操作員手持控制單元的相應按鍵來實現。為了避免固定地面站控制單元和操作員手持控制單元同時向多旋翼無人機發送控制指令而造成控制衝突，本實施例中，操作員手持控制單元較加固型地面控制單元具有更高的優先級。

圖3示出了本實施例所提供的無人機靶向系統進行瞄準跟蹤的實現原理圖。本實施例中，多旋翼無人機在控制搖杆以及航線規劃的操作下飛行過程中，雲臺攝像裝置102會將採集到的大視角視頻信息傳送至地面控制裝置中的加固型地面站控制單元和操作員手持控制單元。加固型地面控制單元所對應的第一顯示器和/或操作人員手持控制單元所對應的第二顯示器會根據上述大視角視頻信息進行可視化顯示。

基於第一顯示器和/或第二顯示器所顯示的圖像，操作人員可以通過加固型地面控制單元或者操作人員手持控制單元來控制多旋翼無人機達到指定位置並調整無人機以及雲臺攝像裝置的姿態，以便能夠清楚地觀察到目標。

安裝在打靶裝置前端的機載光學瞄準裝置104(例如低照度ccd瞄準具攝像系統)會將特定製式(例如pla制式)的模擬視頻信號傳輸至地面控裝置105，地面控制裝置105中的模數轉換晶片會從上述視頻信息中提取出視頻同步信號和有效圖像信息。

利用圖像處理算法對上述有效圖像信息進行分析，並與目標圖像信息進行對比分析，可以計算得到目標所在位置信息(例如視軸偏差角信息)。基於上述視軸偏差角信息，地面控制裝置105能夠生成相應的雲臺控制指令。地面控制裝置105會將上述雲臺控制指令通過地面通信模塊傳輸至雲臺攝像裝置中的雲臺控制器303(例如mcu)，以由雲臺控制器303根據預設控制律得到控制驅動平臺電機轉動的偏角。雲臺控制器303利用上述偏角以及電極電位計305來控制電機304進行偏轉，從而實現對目標的鎖定與跟蹤。

本實施例中，無人機靶向系統的瞄準跟蹤功能滿足的參數條件優選地包括：a)視場角為57.8°至1.7°；b)穩定精度小於或等於1mrad；c)搜索範圍(方位)為-150°至+150°；d)搜索範圍(俯仰)為-110°至+20°；e)額定功耗小於或等於15w，峰值功耗小於或等於24w；f)工作穩定在-40℃至+50℃。

雲臺攝像裝置能夠有效隔離多旋翼無人機運動的影響，從而使得無人機靶向系統能夠準確地對目標進行瞄準和跟蹤。多旋翼無人機的運行以及外接幹擾直接影響到無人機靶向系統的穩定，而導致無人機靶向系統瞄準以及跟蹤不穩定的因素主要有摩擦、中心偏移、軸間耦合、傳感器噪聲，因此本實施例所提供的無人機靶向系統通過合理的機械布局以及減震措施來隔離高頻分量。

而對於低頻分量，本實施例所提供的無人機靶向系統採用了如圖4所示的雲臺攝像裝置低頻分量控制迴路來進行控制。結合圖3和圖4，本實施例中，無人機靶向系統在對目標進行圖像採集和跟蹤的過程中，低頻分量可以被系統中的姿態陀螺301以及加速度計302所感知，姿態陀螺301以及加速度計302會將所得到的平臺轉速信息傳輸至與雲臺控制器303。雲臺控制器303會對當前的控制信息(例如給定角速度)與上述平臺轉速信息進行和綜合，從而通過穩定控制器401和功率放大器402反饋給驅動電機304，從而抵消平臺的姿態變化，即實現對多旋翼無人機的姿態擾動的隔離，這樣也就能夠保持相關瞄準打擊設備的軸線更穩定，減弱無人機姿態變化的影響。

本實施例中，多旋翼無人機優選地採用高數據率的5.8g數字微波無線傳輸模塊回傳標準視頻信號，其具有標準的通訊接口，方便旋翼機與地面控制裝置的通訊。同時，多旋翼無人機與地面控制裝置之間的數據鏈路採用抗幹擾加密傳輸技術，保證工作過程的穩定性和安全性。

具體地，地面控制裝置通過該無線傳輸模塊發送對多旋翼無人機的控制命令，無人機在控制命令的操縱下執行飛行、視頻的拍攝任務，基於高數據率的鏈路傳輸，操作人員可以通過地面控制裝置的顯示屏幕清晰地看到目標。

機載光學瞄準裝置與多旋翼無人機上的無人機通信裝置通信連結，其能夠實時地將瞄準情況無線傳輸到地面控制裝置上，並將拍攝到的視頻信息發送給地面控制裝置，該數據鏈路傳輸在15公裡以上。

本實施例中，當機載光學瞄準裝置在瞄準並跟蹤探測區域中的指定目標後會生成跟蹤指示信息並將該跟蹤指示信息通過無人機通信裝置發送至地面控制裝置。地面站控制模塊在接收到上述跟蹤指示信息後，會生成振動指令並將該振動指令傳輸至控制搖杆，以使得控制搖杆振動，從而實現瞄準與跟蹤的提示。當然，在本發明的不同實施例中，控制搖杆振動所持續的時長可以根據實際需要配置為不同的合理值，本發明不限於此。

操作人員觀測手持控制單元顯示器中的十字線交點與目標重合併得到震動提醒後即可實施精確打擊，該方式取代了三點一線的傳統瞄準方式。操作人員可以充分利用有利地形、地物(高臺、牆角、塹壕凹坑等)、車輛等隱蔽方式操控多旋翼無人機飛行，進而進行觀察瞄準，保證了操作人員自身的人身安全，最大程度的減輕了操作人員在危險情況下近距離作戰的心理壓力。當操作人員固定位置便可在360°範圍內15公裡距離內快速觀察瞄準，精準射擊目標。

本實施例所提供的無人機靶向系統具有圖像處理功能以及良好的人機接口單元，其能夠建立信號處理、模式切換、大容量存儲、回放、優化程序等多任務管理，完成了基於數據鏈路的遠程視頻傳輸系統設計，具備記錄工作場景的復現和關鍵數據的記錄分析功能。

應該理解的是，本發明所公開的實施例不限於這裡所公開的特定結構或處理步驟，而應當延伸到相關領域的普通技術人員所理解的這些特徵的等同替代。還應當理解的是，在此使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，而並不意味著限制。

說明書中提到的「一個實施例」或「實施例」意指結合實施例描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，說明書通篇各個地方出現的短語「一個實施例」或「實施例」並不一定均指同一個實施例。

雖然上述示例用於說明本發明在一個或多個應用中的原理，但對於本領域的技術人員來說，在不背離本發明的原理和思想的情況下，明顯可以在形式上、用法及實施的細節上作各種修改而不用付出創造性勞動。因此，本發明由所附的權利要求書來限定。