一種無人機定向聲波驅離系統及方法與流程
2023-07-06 19:07:43 4
1.本發明涉及安全防範設備技術領域，更具體涉及一種無人機定向聲波驅離系統及方法。
背景技術：
2.聲波驅散器經過三十多年的發展，在邊防以及機場驅鳥等方向得到了越來越廣泛的應用，定向聲波驅散器是利用一個或多個高指向性聲波發射單元定向發生聲波的技術裝備，通常情況下是在正前方產生高壓強聲波，用於人員或者鳥獸的驅離。
3.隨著航空工業和信息技術的迅速發展，無人機在軍事領域和民用領域得到越來越廣泛的應用。無人機具備造價低廉、機動靈活、滯空時間長等特點，可以從事地面偵察和目標監視任務。現有的大多無人機雖然能夠對目標進行偵查，但是並不具備聲波驅離功能，無法通過聲波打擊、高聲壓驅散、廣播喊話等方式對目標群體進行驅離。因此研製一款具有機動式偵察、聲波打擊、高聲壓驅散、廣播喊話等功能於一體的無人機式強聲驅離非致命性武器具有迫切的需求。
技術實現要素：
4.本發明需要解決的技術問題是提供一種無人機定向聲波驅離系統及方法，以解決背景技術中的問題。
5.為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案如下。
6.一種無人機定向聲波驅離系統，包括無人機機體，無人機機體上設置有用於為無人機飛行提供動力的動力系統、用於為無人機提供電能的電源電氣系統、用於對無人機飛行進行控制管理的飛管系統、用於控制無人機整體運行的控制器、用於輸出高分貝聲波以對目標群體進行強聲驅離的發聲器以及用於進行目標圖像攝像的光電系統，動力系統的受控端連接於飛管系統的輸出端，飛管系統與控制器之間交互連接，發聲器的受控端連接於控制器的輸出端，控制器與光電系統交互連接；所述飛管系統交互連接有設置在地面處、用於對無人機進行遠程操控的地面站系統。
7.進一步優化技術方案，所述無人機機體包括機身，機身上通過快拆結構連接設置有若干能夠進行摺疊的支臂，每一支臂的端部頂端分別設置有螺旋槳，動力系統包括用於驅動螺旋槳旋轉的電機，機身的底端設置有能夠進行摺疊的起落架。
8.進一步優化技術方案，所述發聲器設置在機身的下方，發聲器包括外殼、電磁式壓縮中高頻換能器、號筒、溫度傳感器和電連接器；所述號筒為摺疊式結構，號筒包括內管、扣設在內管開口端的芯管和扣設在芯管開口端的外管，內管、芯管、外管之間形成摺疊式的聲波傳輸通道。
9.進一步優化技術方案，所述支臂為y型支臂，支臂包括主支臂以及與主支臂鉸接的兩個分支臂，主支臂與兩個分支臂之間通過鎖緊件鎖緊。
10.進一步優化技術方案，所述控制器包括：
11.位置控制器，用於根據期望位置、期望速度生成期望推力指令和姿態角指令，採用位置環、姿態環串級pid控制器對無人機運行位置進行控制，其中位置環採用p控制，速度環採用pid控制；
12.姿態控制器，用於根據期望姿態生成期望推力需求和力矩需求，採用姿態環、角速率環串級pid控制器對無人機運行姿態進行控制，其中姿態環採用p 控制，角速率環採用pid控制；
13.控制量分配單元，用於根據推力需求和力矩需求，通過動力系統控制各螺旋槳的動作量。
14.一種無人機定向聲波驅離方法，包括以下步驟：
15.對的目標情況進行拍攝，根據提供的目標情況信息，遠程遙控所述的一種無人機定向聲波驅離系統，使發聲器對準威脅性最大的群體目標；
16.選擇預製的驅離音源，通過發聲器進行驅離作業；
17.選擇預製的示警音源，離線編譯語料庫，進行示警作業。
18.進一步優化技術方案，在執行警戒巡邏任務時，選擇預製的廣播音源或者操作人員在控制端喊話，通過離線編譯系統，播放編譯後的廣播內容。
19.進一步優化技術方案，所述方法運用聲源陣列技術發射指向性聲波來對目標群體進行驅離。
20.進一步優化技術方案，在發聲器對準威脅性最大的群體目標前，進行空中飛行、偵察、可疑目標識別、鎖定跟蹤。
21.由於採用了以上技術方案，本發明所取得技術進步如下。
22.本發明綜合了無人機、強聲驅離和光電成像技術，是一種可以進行空中飛行、偵察、可疑目標識別、鎖定跟蹤、並進行主動強聲驅離作業的新型智慧安防系統。可在不搭載操作人員的情況下自主航行或遠程遙控並完成一定作戰與作業任務，行動隱蔽、機動靈活，可最大限度減少人員傷亡，在突發情況應急處置時提供了更靈活的戰略選擇，避免造成衝突升級。
23.本發明強聲驅離技術是運用聲源陣列技術發射指向性聲波。例如驅散噪音、示警音或者廣播等聲音信號，以一定的聲波發散角角度向目標群體發射聲波，從而對目標群體進行驅離，而在其它角度卻無不適，也可將聲音信息準確清晰地傳遞到數公裡以外，實現遠距離高清晰度傳輸語音信號。系統內部配置離線翻譯系統，可針對安防地區特點配置語料庫，對入侵的國外目標人群實施語音告警。
24.本發明通過發聲器對威脅性最大的群體目標發射聲波的方式，實現對具有威脅性目標群體的驅離；通過選擇預製的驅離音源，進行驅離作業，完成拒止行動，防止危險接近；選擇預製的廣播音源或者操作人員在控制端喊話，通過離線編譯系統，播放編譯後的廣播內容，勸阻無關人員不要進入警戒區域。
附圖說明
25.圖1為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的結構示意圖；
26.圖2為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的部分結構示意圖；
27.圖3為本發明一種無人機定向聲波驅離系統中快拆結構的結構示意圖；
28.圖4為本發明一種無人機定向聲波驅離系統中快拆結構打開時的結構示意圖；
29.圖5為本發明一種無人機定向聲波驅離系統中支臂的結構示意圖；
30.圖6為本發明一種無人機定向聲波驅離系統中發聲器的結構示意圖；
31.圖7為本發明一種無人機定向聲波驅離系統中號筒的結構示意圖；
32.圖8為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的側視圖；
33.圖9為本發明一種無人機定向聲波驅離系統原理框圖；
34.圖10為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的發聲器陣列圖；
35.圖11為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的控制算法總體框架圖；
36.圖12為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的位置控制器的算法示意圖；
37.圖13為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的姿態控制器的算法示意圖；
38.圖14為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的機載軟體架構示意圖；
39.圖15為本發明一種無人機定向聲波驅離系統的地面站系統的總體框架示意圖。
40.其中：1、機身，2、支臂，21、主支臂，22、分支臂，23、鎖緊件，3、起落架，4、快拆結構，41、第一連接框，42、第二連接框，43、銷軸，44、擺動搖杆，45、定位槽，5、螺旋槳，6、發聲器，61、外殼，62、電磁式壓縮中高頻換能器，63、號筒，631、內管，632、芯管，633、外管，64、溫度傳感器， 65、電連接器。
具體實施方式
41.下面將結合附圖和具體實施例對本發明進行進一步詳細說明。
42.一種無人機定向聲波驅離系統，結合圖1和圖15所示，包括無人機機體、動力系統、電源電氣系統、飛管系統、控制器、發聲器、光電系統、地面站系統。
43.無人機機體上設置有動力系統、電源電氣系統、飛管系統、控制器、光電系統。
44.無人機機體包括機身1、支臂2、螺旋槳5和起落架3。
45.機身1上通過快拆結構4連接設置有若干能夠進行摺疊的支臂2。快拆結構 4包括第一連接框41和第二連接框42，第一連接框41與支臂相連接，第二連接框42與機身相連接，第一連接框和第二連接框分體設置且第一連接框和第二連接框的底端通過銷軸43鉸接；第二連接框的上方設置有擺動搖杆44，第一連接框41的上方設置有定位組件，定位組件上設置有對擺動搖杆進行定位的定位槽45。支臂與機身之間採用快拆一體化設計。擺動搖杆卡接至定位槽時，實現第一連接框與第二連接框之間的鎖緊定位；擺動搖杆向上擺動，脫離定位槽時，第一連接框的底端與第二連接框的底端之間可進行轉動，進而實現第一連接框與第二連接框之間的摺疊功能。
46.支臂2為y型支臂，支臂2包括主支臂21以及與主支臂鉸接的兩個分支臂 22，主支臂21與兩個分支臂22的上部之間通過鎖緊件23鎖緊，兩個分支臂22 的下部分別通過轉軸與主支臂21鉸接。將鎖緊件拔出，固定套鬆開，分支臂即可繞轉軸旋轉，實現支臂摺疊。
47.每一支臂2的端部頂端分別設置有螺旋槳5，機身1的底端設置有能夠進行摺疊的起落架3。起落架可實現摺疊，實現便於運輸。起落架上設置有起落架鎖緊件，將起落架鎖緊件拔出，使得鎖緊螺母鬆開，將兩側起落架碳管繞螺栓旋轉成即實現起落架摺疊。
48.動力系統用於為無人機飛行提供動力。動力系統包括用於驅動螺旋槳5旋轉的電機，各一螺旋槳5分別通過一電機進行驅動。
49.電源電氣系統用於為無人機提供電能。
50.飛管系統用於對無人機飛行進行控制管理，動力系統的受控端連接於飛管系統的輸出端，飛管系統用於對動力系統進行控制。
51.控制器用於控制無人機整體運行，控制器與飛管系統之間通過線束系統交互連接。
52.發聲器用於輸出高分貝聲波以對目標群體進行強聲驅離，發聲器的受控端連接於控制器的輸出端。
53.發聲器設置在機身1的下方，發聲器包括外殼61、電磁式壓縮中高頻換能器62、號筒63、溫度傳感器64和電連接器65。外殼61的內部設置有電磁式壓縮中高頻換能器62、號筒63、溫度傳感器64和電連接器65，其中號筒63設置為錐形狀，電連接器65用於實現與控制器之間的電連接，溫度傳感器64用於檢測發聲器的溫度狀況並能夠將其溫度信息反饋至控制器。電磁式壓縮中高頻換能器62能夠利用電動力學法在導電金屬中產生聲波，該結構為現有結構，此處不再贅述。
54.本發明中的發聲器進行模塊化設計，每一個聲源為一個發聲器模塊，可以快速自由組合，形成發聲器陣列：1
×
2陣列。
55.聲學號筒材質選用abs+pc，結合了兩種材料的優異特性，abs材料的成型性和pc的機械性、衝擊強度和耐溫、抗紫外線(uv)等性質。
56.聲學號筒外形的設計關係到號筒的各項性能指標以及與驅動單元的匹配問題。設計合適的號筒，將截止頻率設定在所需重放的最低頻率以下，可以有效地輻射聲波。同時，號筒喉口面積選擇與驅動單元的聲阻抗匹配，使聲信號非線性失真降到最小。
57.本發明中號筒為摺疊式結構(三段式號筒)，節省空間，還可以防水。雨滴不能直接進入發聲單元內部，而是沿著號筒壁流出來。三段式號筒由內管631、芯管632、外管633三段組成。芯管扣設在內管開口端，外管扣設在芯管開口端，內管、芯管、外管之間形成摺疊式的聲波傳輸通道。
58.號筒具備防水功能如下：內管631埠被芯管632遮蓋，阻擋水滴直接進入內管631，水滴沿芯管632的外壁滴流到外管633的內壁，因外管633內壁的傾斜角度，水滴因重力作用而流出，不會進入內管631中，進而使得號筒具備防水功能。
59.由振膜發出的聲音，從內管出發，在芯管頂部反射，轉180
°
沿內管外壁和芯管內壁向下，在外管頂部第二次被反射，再轉180
°
沿外管向外輻射。
60.下面描述號筒在計算外形設計中的計算過程：
61.號筒是截面積連續變化的管，設號筒出口面積為s，號筒喉口面積為s0，δ稱為蜿蜒指數。根據諧振頻率、振膜速度頻率的關係，為了使強聲設備主波束寬度≤
±
15
°
(2khz@-3db)，保證單只號筒出口指向性≤
±
15
°
(2khz@-3db)，將號筒設計為指數式，滿足以下公式：
62.s＝s0e
δx
63.蜿蜒係數計算得到0.009(計算採用長度單位為mm)，號筒內管出口和喉部的面積比r0為25，內管長120mm，號筒的擴聲效果滿足指標要求。號筒設計公式如下：
64.r0＝25
65.δ＝0.009
66.x∈[0，120]
[0067]
內管出口半徑：
[0068]
芯管出口半徑：
[0069]
外管出口半徑：
[0070]
根據蜿蜒係數，由公式f＝δc/4π，δ＝9(單位為m)，得到該號筒截止頻率為243.5hz，即號筒可以重放243.5hz以上頻率段的聲音信號。
[0071]
本發明強聲驅離技術是運用聲源陣列技術發射指向性聲波。例如驅散噪音、示警音或者廣播等聲音信號，以一定的聲波發散角角度向目標群體發射聲波，從而對目標群體進行驅離，而在其它角度卻無不適，也可將聲音信息準確清晰地傳遞到數公裡以外，實現遠距離高清晰度傳輸語音信號。系統內部配置離線翻譯系統，可針對安防地區特點配置語料庫，對入侵的國外目標人群實施語音告警。
[0072]
聲源陣列技術發射指向性聲波的具體工作原理為：當聲波波長接近甚至小於發聲源尺寸時，聲波將呈現出越來越強的定向特性。利用信號頻率越高對應波長越短的特性，將聲音通過調製向超聲波頻率搬移，使調製後信號的波長遠小於發聲器尺寸，從而在發聲器尺寸不大的條件下獲得定向發送聲波的效果。攜帶聲音的超聲波可以獲得定向發送效果，但是超聲波已經超出了人類聽覺範圍。要使人們能夠聽到定向發送的聲音，在定向發送攜帶聲音信號的超聲波同時，還需要發射一個超聲波載波信號，使2列超聲波信號在空間中並行傳播。由於自由空間對超聲波的傳輸呈非線性特性，2列超聲波信號在自由空間傳輸過程中會產生相互作用，生成許多2列超聲波信號的「和頻」與「差頻」信號，其中的二次方差頻信號落人人們聽覺頻率範圍，可以直接聽到。
[0073]
聲波的頻率越高，波長越短，衍射現象越不明顯，傳播方向就越趨於直線。
[0074]
光電系統用於進行目標圖像攝像，並將拍攝圖像信息傳輸至控制器，控制器與光電系統之間交互連接。
[0075]
控制器為電磁式壓縮中高頻換能器提供預處理並放大的音頻信號，控制器由信號處理模塊、網絡控制模塊、濾波電源模塊和功率放大器組成，其中放大器採用d類數字功放。控制器中功率放大器採用模組設計，可擴展拼接多路放大器，適配發聲器的陣列組合模式，為不同無人機提供最輕量化與最小體積的控制器方案。
[0076]
電動多旋翼為垂直起降類飛行器，且升力線始終與機體軸重合，水平和垂直機動通過控制總升力大小與推力線方向(飛行器傾角)即可，俯仰、滾轉、偏航機動通過螺旋槳的推力差產生控制力矩進行控制，螺旋槳安裝位置只影響其產生力矩的大小，因此可將總體框架搭建為位置環控制器、姿態環控制器以及控制量分配單元組成，如圖6所示。
[0077]
位置控制器，用於根據期望位置、期望速度生成期望推力指令和姿態角指令，採用位置環、姿態環串級pid控制器對無人機運行位置進行控制，其中位置環採用p控制，速度環採用pid控制。其中考慮飛行器特性限制生成的指令，主要有速度限制、加速度限制，算法的示意圖結合圖7所示。
[0078]
姿態控制器，用於根據期望姿態生成期望推力需求和力矩需求，採用姿態環、角速率環串級pid控制器對無人機運行姿態進行控制，其中姿態環採用p 控制，角速率環採用pid控制。其中考慮飛行器特性限制生成的指令，主要有傾角限制、角速率限制，算法示意圖
結合圖8所示。
[0079]
控制量分配單元，用於根據推力需求和力矩需求，通過動力系統控制各螺旋槳5的動作量。
[0080]
為滿足後續機載軟體的靈活性及功能穩定性，機載軟體採用「嵌入式作業系統調度+功能模塊」的方式進行設計，同時在作業系統與功能模塊之間增加通訊代理單元，提高系統靈活性。軟體分為基礎功能、通訊代理、上層應用三層架構。
[0081]
基礎功能層中的作業系統選用實時作業系統μcosⅲ，通訊代理層藉助作業系統消息機制搭建進程間微通訊代理機制，上層應用根據功能需求劃分為狀態管理等11個功能模塊，示意圖如圖9所示。
[0082]
飛管系統交互連接有地面站系統，地面站系統設置在地面處，用於對無人機進行遠程操控。地面站系統總體框架使用qt的qml技術進行搭建，軟體的前後臺數據交互由qt基礎框架負責，業務層設計飛機類，實例化的飛機類為被控目標飛行器實體，所有數據交互，通訊均有實例化的飛機類處理。總體框架如圖10所示。
[0083]
界面設計依託飛行器操控流程，開展了界面ui、ue設計，設計的界面上包括遙測數據、控制指令、水平儀、羅盤、日誌消息、飛機列表、地圖操作區、地圖管理區等。
[0084]
一種無人機定向聲波驅離方法，包括以下步驟：
[0085]
對的目標情況進行拍攝，操作人員根據提供的目標情況信息，遠程遙控無人機定向聲波驅離系統，使發聲器對準威脅性最大的群體目標。
[0086]
操控人員遠程遙控無人機定向強聲驅離系統，選擇預製的驅離音源，進行驅離作業，完成拒止行動，防止危險接近。
[0087]
操控人員遠程遙控無人機定向強聲驅離系統，選擇預製的示警音源，離線編譯語料庫，進行示警作業，防止誤闖誤入、誤擊誤炸誤撞。
[0088]
在執行警戒巡邏任務時，選擇預製的廣播音源或者操作人員在控制端喊話，通過離線編譯系統，播放編譯後的廣播內容，勸阻無關人員不要進入警戒區域。
[0089]
本發明綜合了無人機、強聲驅離和光電成像技術，是一種可以進行空中飛行、偵察、可疑目標識別、鎖定跟蹤、並進行主動強聲驅離作業的新型智慧安防系統。具體地，本發明利用光電系統採集圖像，採用改進的混合高斯建模方法進行前景檢測，並提取出運動目標基本參數，利用kalman濾波器預估特定目標運動軌跡，結合速度分析識別特定目標，控制特寫跟蹤攝像頭對運動目標進行特寫跟蹤，鎖定可疑目標，對人臉進行檢測，進行人臉識別，與資料庫比對，有異常則發出警報。