对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法，属于无人机系统应用等领域。该无人机系统包括：无人机本体、机载光电转塔和地面控制终端，所述无人机本体具有获取装置，所述机载光电转塔具有光电传感器和稳瞄平台，所述地面控制终端具有确定装置、跟踪指令生成装置、解算装置和预测装置。本发明提供的上述技术方案能实时输出被跟踪的地面移动目标的经纬度等地理坐标信息，还对原始地理坐标信息准确快速拟合，预测评估其运动趋势，并对原始地理坐标信息进行筛选，实现移动目标轨迹展示与预测，其得到的定位精度逼近静态定位，能够满足火炮等武器初始对准要求，并为无人机情报系统与全军情报收集网络融合处理提供了可能。
【专利说明】对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无人机系统应用、光电稳瞄、图像处理、摄影测量、遥测数据处理领域，特别涉及一种对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法。
【背景技术】
[0002]在无人机的使用过程中，以图像侦察为主。随着对目标定位的需求，例如引导战斗机或导弹进行火力打击，校正火炮瞄准参数等，无人机开始具有目标定位能力。
[0003]现有技术中，目标定位的实现方法为:无线链路接收无人机的空间位置、光轴稳定平台的摄像的参数，将某一时刻的侦察图像“冻结”后，目标定位计算与转塔伺服机构是否仍跟踪目标无关，目标点的坐标由地面指挥站中操作手选择并判定。已知图像像素点屏幕坐标，可以确定目标的地理坐标，此方法主要应用在对地面静态目标如隐匿中的坦克、建筑物等。其执行流程如附图1所示。
[0004]此种处理技术通常有两个特点:
[0005]1、非同帧数据“冻结”方式，也即是电视画面“冻结”时，视频数据与遥测数据采用不同的信道传输到地面。这种方式未考虑数据的同步问题，地面数据处理也是按照视频数据与遥测数据的获得时刻进行同步化处理。因为未考虑视频产生、压缩、解压、链路传输延时等因素，会产生较大误差。
[0006]2、准实时获取同区段内多个目标信息，也即是能够在特点I的基础上，对冻结后的电视画面内任意多个目标进行重复定位。这种方式虽然能较大程度上精细化描述同时刻视场内信息，但因实际应用中多个目标并非同时或同向移动，此方式信息获取存在较大滞后。
[0007]此外，还有其它仅为理论阶段的方法诸如基于图像匹配的目标定位方法，精度较高但实战性较差，尚未工程化；通信距离约束下双无人机定位方法和空间两点交会无人机定位方法，原理简单误差引入元素较少，但缺乏可操作性。这些方法难以工程实现且在实际应用过程中，都无法对地面移动目标实时定位，且对固定目标位置计算精度不高，而且无法实现动态定位和目标行为预测。
【发明内容】
[0008]为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法，所述无人机系统包括:无人机本体、机载光电转塔和地面控制终端；所述机载光电转塔具有:光电传感器，用于获取含有地面移动目标的图像；稳瞄平台，用于获取所述稳瞄平台的高低角和方位角，并接收所述地面控制终端发送的跟踪指令，对待定位的地面移动目标进行实时跟踪，所述跟踪指令包括高低角跟踪指令和方位角跟踪指令；所述无人机本体具有:获取装置，用于获取所述无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和所述无人机本体与所述待定位的地面移动目标的相对高度；所述地面控制终端具有:确定装置，用于通过触碰所述图像中的地面移动目标而确定所述待定位的地面移动目标，得到所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息，所述第一坐标信息为在图像中的坐标信息；跟踪指令生成装置，用于根据所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息、所述稳瞄平台的高低角和方位角生成所述跟踪指令；解算装置，用于根据所述第一坐标信息、所述无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度、以及所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，所述第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息；预测装置，用于根据所述待定位的地面移动目标在将来第三时刻hT的第二坐标信息和已解算的在第四时刻rT以前的第二坐标信息预测所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1) T的第二坐标信息；其中，h，r都为自然数，T为采样时间。
[0009]在如上所述的无人机系统中，优选，所述确定装置具体包括:显示单元，将所述光电传感器获取的图像显示出来；第一确定单元，检测所述显示单元显示的图像上的触碰信号，将所述触碰信号对应的地面移动目标确定为待定位的地面移动目标，并将所述触碰信号转化为所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息。
[0010]在如上所述的无人机系统中，优选，所述跟踪指令生成装置，具体用于:根据公式A生成跟踪指令；其中:
【权利要求】
1.一种对地面移动目标动态定位的无人机系统，其特征在于，所述无人机系统包括: 无人机本体、机载光电转塔和地面控制终端； 所述机载光电转塔具有: 光电传感器，用于获取含有地面移动目标的图像； 稳瞄平台，用于获取所述稳瞄平台的高低角和方位角，并接收所述地面控制终端发送的跟踪指令，对待定位的地面移动目标进行实时跟踪，所述跟踪指令包括高低角跟踪指令和方位角跟踪指令； 所述无人机本体具有: 获取装置，用于获取所述无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和所述无人机本体与所述待定位的地面移动目标的相对高度； 所述地面控制终端具有: 确定装置，用于通过触碰所述图像中的地面移动目标而确定所述待定位的地面移动目标，得到所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息，所述第一坐标信息为在图像中的坐标信息； 跟踪指令生成装置，用于根据所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息、所述稳瞄平台的高低角和方位角生成所述跟踪指令；` 解算装置，用于根据所述第一坐标信息、所述无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度、以及所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，所述第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息； 预测装置，用于根据所述待定位的地面移动目标在将来第三时刻hT的第二坐标信息和已解算的在第四时刻rT以前的第二坐标信息预测所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1) T的第二坐标信息； 其中，Kr都为自然数，T为采样时间。
2.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述确定装置具体包括: 显示单元，将所述光电传感器获取的图像显示出来； 第一确定单元，检测所述显示单元显示的图像上的触碰信号，将所述触碰信号对应的地面移动目标确定为待定位的地面移动目标，并将所述触碰信号转化为所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息。
3.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述跟踪指令生成装置，具体用于: 根据公式A生成跟踪指令； 其中:
4.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述解算装置具体包括: 第一转换单元，用于根据大地坐标系与空间直角坐标系的转换关系，将所述无人机本体在当前时刻的第二坐标信息转化为所述无人机本体在当前时刻的第三坐标信息，所述第三坐标信息为在空间直角坐标系中的坐标信息； 解算单元，用于根据公式B进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息； 第二转换单元，用于根据空间直角坐标系与大地坐标系的转换关系，将所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息转化为所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息； 其中:
5.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述预测装置具体包括: 第三转化单元，用于将已解算的在第四时刻rT以前的第二坐标信息转化为在第四时刻rT以前的第四坐标信息，其集合为: S1 = {[X(l)，Y(I)] I = 1,2,...r}，所述第四坐标信息为在高斯平面坐标系中的坐标信息； 第二确定单元，用于根据公式C确定预测所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1) T的第四坐标信息所需的采样数据，其集合为S2 ； 拟合单元，利用最小二乘法分别对集合S2的X方向的分量集合Sx和Y方向的分量集合Sy进行多项式拟合，分别得到X方向拟合函数及PD和Y方向的拟合函数Ky ； 预测单元，根据所述^ (^)预测所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1) T在X方向的位置信息为[(A + l)r];根据所述严(hT)预测所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+l)T在Y方向的位置信息为F、[(/7 + l)r];所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1) T的第四坐标信息为(& [(^ + 1)^]，Fsy [(A + l)r]); 第四转化单元，将所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+l)T的第四坐标信息转化为所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+l)T的第二坐标信息；
其中，公式(:为 S2 = {[X(h-r+l),Y(h-r+l)] |1 = I, 2,...r}； X 方向的分量集合 Sx 为{[(h-r+l)T,X(h-r+l)] |1 = I, 2,...r}； Y方向的分量集合 Sy 为{[(h-r+l)T，Y(h-r+l)] |1 = I, 2,...r}； I为自然数。
6.根据权利要求5所述的无人机系统，其特征在于，所述预测装置还具有筛选单元，所述筛选单元具体用于: 设置判断门限Qm和判据Q，并根据公式D和公式E对所述已解算的在第四时刻rT以前的第四坐标信息进行筛选，如果已解算的在第四时刻rT以前的某一时刻的第四坐标信息小于等于所述判断门限Qm则保留，否则用在所述某一时刻的前一时刻的第四坐标信息代替； 其中，所述公式D和公式E分别为
7.—种对地面移动目标动态定位的方法，基于权利要求1~6任一权利要求所述的对地面移动目标动态定位的无人机系统，其特征在于，所述方法包括: 机载光电转塔的光电传感器获取含有地面移动目标的图像，并将所述图像发送至地面控制终端的确定装置； 在确定装置中，操作者通过触碰所述图像中的地面移动目标而确定待定位的地面移动目标，得到所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息，所述第一坐标信息为在图像中的坐标信息； 无人机本体的获取装置获取所述无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和所述无人机本体与所述待定位的地面移动目标的相对高度； 所述地面控制终端的跟踪指令生成装置根据所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息、所述稳瞄平台的高低角和方位角生成跟踪指令，所述跟踪指令包括稳瞄平台的高低角跟踪指令和方向角跟踪指令； 所述机载光电转塔的稳瞄平台根据所述跟踪指令对所述待定位的地面移动目标进行实时跟踪； 地面控制终端的解算装置根据所述第一坐标信息、所述无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度、以及所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，所述第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息； 地面控制终端的预测装置根据所述待定位的地面移动目标在将来第三时刻hT的第二坐标信息和已解算的在第四时刻rT以前的第二坐标信息预测所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1) T的第二坐标信息； 其中，h、r均为自然数，T为采样时间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述跟踪指令生成装置根据公式A生成跟踪指令， 其中:
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预测装置在预测所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+l)T的第二坐标信息之前还包括: 设置判断门限Qm和判据Q，并根据公式D和公式E对所述已解算的在第四时刻rT以前的第四坐标信息进行筛选，如果已解算的在第四时刻rT以前的某一时刻的第四坐标信息小于等于所述判断门限Qm则保留，否则用在所述某一时刻的前一时刻的第四坐标信息代替； 其中，所述公式D和公式E分别为
【文档编号】G01C21/00GK103604427SQ201310666989
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】杨勇, 周乃恩, 吴洋 申请人:中国航天空气动力技术研究院