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CN113820709A - 基于无人机的穿墙雷达探测系统及探测方法 - Google Patents

基于无人机的穿墙雷达探测系统及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机的穿墙雷达探测系统及探测方法，此系统包括无人机、环境感知单元、穿墙雷达、云台和控制单元；无人机、环境感知单元、穿墙雷达、云台均与控制单元相连；穿墙雷达位于无人机上，用于对待测建筑物的外部结构、内部结构以及内部人员进行探测；环境感知单元位于无人机上，用于感知无人机的飞行环境信息，并将飞行环境信息发送至控制单元；控制单元根据飞行环境信息控制无人机的飞行，以使无人机与外墙体之间的距离保持在一定范围内；云台位于无人机上，穿墙雷达的收发天线位于云台上，控制单元根据飞行环境信息控制云台的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行。本发明具有结构简单、探测性能好等优点。

Description

基于无人机的穿墙雷达探测系统及探测方法
技术领域
本发明主要涉及雷达探测技术领域，具体涉及一种基于无人机的穿墙雷达探测系统及探测方法。
背景技术
穿墙雷达是近些年快速发展起来的一种对墙后目标进行探测的技术，它能够对墙体后的目标进行探测、成像、定位、跟踪与识别等，因此在城市巷战、反恐安保、灾害及人质救援方面有着广泛的应用。
传统的穿墙雷达是基于贴墙设备进行探测，这种近距离探测在实际应用中是非常危险的。因此，需要开展基于无人机的远距离穿墙雷达研究。在基于无人机的穿墙雷达中，无人机要么是悬停于某个固定点进行探测，要么设定为沿平行于墙壁的直线轨迹运动进行探测。但在真实的情况中，例如无人机悬停时，无法保证悬停精度，导致雷达前后抖动，造成检测性能下降甚至无法检测到目标；在平行运动时无人机位置往往也都是非直线的，同样会给穿墙雷达信号处理带来极大的困扰，造成探测性能下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种探测性能好的基于无人机的穿墙雷达探测系统及探测方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于无人机的穿墙雷达探测系统，包括无人机、环境感知单元、穿墙雷达、云台和控制单元；
所述无人机、环境感知单元、穿墙雷达、云台均与所述控制单元相连；
所述穿墙雷达位于所述无人机上，用于对待测建筑物的外部结构、内部结构以及内部人员进行探测；
所述环境感知单元位于所述无人机上，用于感知无人机的飞行环境信息，并将所述飞行环境信息发送至控制单元；所述飞行环境信息包括无人机与待测建筑物的外墙体之间的距离信息；
所述控制单元根据所述飞行环境信息控制无人机的飞行，以使无人机与外墙体之间的距离保持在一定范围内；
所述云台位于所述无人机上，所述穿墙雷达的收发天线位于所述云台上，所述控制单元根据所述飞行环境信息控制云台的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述环境感知单元包括视觉模块和测距雷达模块，所述视觉模块用于检测无人机视觉信息，所述测距雷达模块用于检测无人机与外墙体之间的距离。
所述测距雷达模块为激光雷达。
所述视觉模块为相机。
还包括地面站，所述地面站与所述控制单元通讯相连。
本发明还公开了一种基于如上所述的基于无人机的穿墙雷达探测系统的探测方法，包括步骤：
所述环境感知单元感知无人机的飞行环境信息，并将所述飞行环境信息发送至控制单元；所述飞行环境信息包括无人机与待测建筑物的外墙体之间的距离信息；
所述控制单元根据所述飞行环境信息控制无人机的飞行，以使无人机与外墙体之间的距离保持在一定范围内，同时控制云台的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行；
所述穿墙雷达对待测建筑物的外部结构、内部结构以及内部人员进行探测。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述探测包括定点探测和环绕飞行探测。
所述控制单元控制云台的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行的具体过程为：
环境感知单元开始工作，获取建筑物点云数据，提取数据点云法线，对点云法线聚类提取平面信息；利用多个平面信息，从中选取数据量最大的平面做法线角度提取，获取环境感知单元相对墙体的姿态信息，再利用姿态信息传输给云台，云台根据得到的数据信息计算自身姿态角度，并通过外部控制电机达到所需控制角度，达到墙体锁定的功能，实现收发天线的阵面与墙体的平行。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于无人机的穿墙雷达探测系统，通过环境感知单元获取无人机与墙体距离等飞行环境信息，在实现无人机常规避障的基础上，保障无人机与外墙体之间的距离保持在一定范围内，便于穿墙雷达对待测建筑物的探测；另外穿墙雷达的收发天线位于三轴稳定云台上，一方面可以保障收发天线的稳定性和精度（如无人机抖动也不会影响天线的稳定性），另一方面根据飞行环境信息能够控制三轴稳定云台的动作，使收发天线的阵面与外墙体保持平行，保障穿墙雷达的探测性能；另外通过三轴稳定云台的动作，也可以实现穿墙雷达侧面探测和上下方向探测等各个方向上的探测。
附图说明
图1为本发明的系统在实施例的方框结构图。
图2为本发明的系统在具体应用时的实施例图。
图例说明：1、无人机；2、环境感知单元；3、穿墙雷达；4、云台；5、地面站；6、控制单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本发明实施例的基于无人机的穿墙雷达探测系统，包括无人机1、环境感知单元2、穿墙雷达3、三轴稳定云台4和控制单元6（本实施例中，控制单元6优选为无人机1的飞控系统）；无人机1、环境感知单元2、穿墙雷达3、三轴稳定云台4均与控制单元6相连；穿墙雷达3位于无人机1上，用于对待测建筑物的外部结构、内部结构以及内部人员进行探测；环境感知单元2位于无人机1上，用于感知无人机1的飞行环境信息，并将飞行环境信息发送至控制单元6；飞行环境信息包括无人机1与待测建筑物的外墙体之间的距离信息；控制单元6根据飞行环境信息控制无人机1的飞行，以使无人机1与外墙体之间的距离保持在一定范围内；三轴稳定云台4位于无人机1上，穿墙雷达3的收发天线位于三轴稳定云台4上，控制单元6根据飞行环境信息控制三轴稳定云台4的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行。
本发明的基于无人机的穿墙雷达探测系统，通过环境感知单元2获取无人机1与墙体距离等飞行环境信息，在实现无人机1常规避障的基础上，保障无人机1与外墙体之间的距离保持在一定范围内，便于穿墙雷达3对待测建筑物的探测；即由于无人机1与墙体之间的距离稳定，通过运动补偿算法就能够使得无人机1相对于墙体而言处于静止状态，便于后面雷达信号的对消处理以及微多普勒目标的检测；
另外穿墙雷达3的收发天线位于三轴稳定云台4上，一方面可以保障收发天线的稳定性和精度（如无人机1抖动也不会影响天线的稳定性），即环境感知单元2以及无人机1本身的IMU单元获取的无人机1姿态信息（包含抖动信息）能够实时传输给控制单元6，控制单元6实时的对无人机1抖动进行负反馈，利用外部控制电机使得云台达到想要控制的角度，补偿无人机1抖动，使得无人机1上的收发天线保持相对稳定；
另一方面根据飞行环境信息能够控制三轴稳定云台4的动作，使收发天线的阵面与外墙体保持平行，保障穿墙雷达3的探测性能；具体地，环境感知单元2获得了无人机1周围的点云数据，首先根据点云数据实时提取数据点云法线，对点云法线聚类提取平面信息，再利用多个平面，从中选取数据量最大的平面做法线角度提取，这样就能获取环境感知单元2相对墙面的姿态信息，最后利用姿态信息传输给云台4控制，控制到相对位置上来达到墙面锁定的功能，实现收发天线与墙体的平行，墙体保持平行后，雷达辐射出去的电磁波的最大方向能够与目标保持一致，这样使得目标处获得的雷达能量最高，雷达的检测能力也越强；
另外通过三轴稳定云台4的动作，也可以实现穿墙雷达3侧面探测和上下方向探测等各个方向上的探测，兼容复杂环境的多种工作模式。
在一具体实施例中，环境感知单元2包括视觉模块（如相机）和测距雷达模块（如激光雷达），视觉模块用于检测无人机1视觉信息，测距雷达模块用于检测无人机1与外墙体之间的距离；相机与激光雷达之间构成环境感知单元2，结构简单。
在一具体实施例中，无人机1主要负责搭载相机、激光雷达、三轴稳定云台4和穿墙雷达3，实现悬停定位、航迹飞行、自动着路等功能。另外无人机1中包括有数传通信单元，主要实现地面站5与无人机1之间的通信控制，包括穿墙雷达3的工作模式、最终目标结果、云台4实时位置等数据的传输。
环境感知单元2对前视可视化目标进行探测和目标重建，实时获取无人机1各个方向的障碍物信息，包括位置与形状特征等，实现无人机1的自动避障。其中相机和激光雷达搭载在无人机1上。当然，在其它实施例中，相机和激光雷达也可以搭载在云台4上（云台4可承重范围内）。
对于飞行平台而言，穿墙雷达3的探测性能只与收发天线的位置相关，收发天线的位置相对稳定，即使无人机1平台抖动很厉害，对探测性能不会有太大的影响。通过将收发天线的搭载在三轴稳定云台4上，能够保证天线位置的相对稳定性；再通过无人机1的飞行和三轴稳定云台4之间的配合，保证穿墙雷达3的收发天线阵面与墙体之间的距离和方位等参数，并保证收发天线阵面与墙体障碍物平行，极大保证系统的探测性能。
穿墙雷达3主要实现对建筑物内外结构的探测以及建筑物内部人员的探测，并实现建筑物结构和内部人员的定位。具体包括收发天线、发射机、接收机和信号处理单元，信号处理单元放置于无人机1机身上，而只将收发天线置于云台4上，从而降低三轴稳定云台4负荷，提高云台4动作响应速度，实现快速调整和对准。
地面站5主要完成无人机1的控制、激光雷达和穿墙雷达3数据的显示和指令的下发，属于激光雷达、穿墙雷达3和无人机1与用户交互的媒介。
本发明实施例还公开了一种基于如上所述的基于无人机的穿墙雷达探测系统的探测方法，包括步骤：
环境感知单元2感知无人机1的飞行环境信息，并将飞行环境信息发送至控制单元6；飞行环境信息包括无人机1与待测建筑物的外墙体之间的距离信息；
控制单元6根据飞行环境信息控制无人机1的飞行，以使无人机1与外墙体之间的距离保持在一定范围内，同时控制三轴稳定云台4的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行；
穿墙雷达3对待测建筑物的外部结构、内部结构以及内部人员进行探测。
在一具体实施例中，控制单元6控制三轴稳定云台4的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行的具体过程为：
环境感知单元2开始工作，获取建筑物点云数据，提取数据点云法线，对点云法线聚类提取平面信息；利用多个平面信息，从中选取数据量最大的平面做法线角度提取，获取环境感知单元2相对墙体的姿态信息，再利用姿态信息传输给三轴稳定云台4，三轴稳定云台4根据得到的数据信息计算自身姿态角度，并通过外部控制电机达到所需控制角度，达到墙体锁定的功能，实现收发天线的阵面与墙体的平行。
下面结合一完整的具体实施例对本发明的工作流程做进一步的详细说明：
首先将穿墙雷达3、相机、激光雷达和三轴稳定云台4安装于无人机1上，并上述各设备均由无人机1供电，设备数据通过数传通信系统传输至地面站5；
当地面站5操作人员开始执行定点探测任务需求后，无人机1起飞后，按照要求悬停于某处，相机与激光雷达实时探测前方墙体的位置，并按照避障要求的距离对无人机1的位置进行调整；无人机1悬停后，根据相机和激光雷达传输的信息，调整云台4的位置，保证收发天线的阵面与墙体平行，并保证收发天线阵面的位置与墙体的位置为设定的一个固定值，比如5m；
此后，穿墙雷达3开始对建筑物内部的人员进行定点探测，当探测到目标后，穿墙雷达3通过数传通信系统传输至地面站5并显示；其中定点探测能够显示局部的建筑物结构和人员目标。
当开始执行环绕飞行探测任务需求后，无人机1起飞，并按照预定航线绕建筑物飞行，同时激光雷达能够提前获取横向移动时前方的障碍物位置，并进行重建，待无人机1飞行时，保证天线阵面与障碍物之间始终保持平行；
然后穿墙雷达3开始对建筑物内外部结构进行探测，并对建筑物内部的人员进行同步探测，并将获得的人员目标与建筑物结构通过数传通信系统传输至地面站5并显示；
完成一个航迹飞行和目标探测后，无人机1将自动降落或者执行下一次飞行探测任务。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于无人机的穿墙雷达探测系统，其特征在于，包括无人机（1）、环境感知单元（2）、穿墙雷达（3）、云台（4）和控制单元（6）；
所述无人机（1）、环境感知单元（2）、穿墙雷达（3）、云台（4）均与所述控制单元（6）相连；
所述穿墙雷达（3）位于所述无人机（1）上，用于对待测建筑物的外部结构、内部结构以及内部人员进行探测；
所述环境感知单元（2）单元位于所述无人机（1）上，用于感知无人机（1）的飞行环境信息，并将所述飞行环境信息发送至控制单元（6）；所述飞行环境信息包括无人机（1）与待测建筑物的外墙体之间的距离信息；
所述控制单元（6）根据所述飞行环境信息控制无人机（1）的飞行，以使无人机（1）与外墙体之间的距离保持在一定范围内；
所述云台（4）位于所述无人机（1）上，所述穿墙雷达（3）的收发天线位于所述云台（4）上，所述控制单元（6）根据所述飞行环境信息控制云台（4）的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的穿墙雷达探测系统，其特征在于，所述环境感知单元（2）包括视觉模块和测距雷达模块，所述视觉模块用于检测无人机（1）视觉信息，所述测距雷达模块用于检测无人机（1）与外墙体之间的距离。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的穿墙雷达探测系统，其特征在于，所述测距雷达模块为激光雷达。
4.根据权利要求2或3所述的基于无人机的穿墙雷达探测系统，其特征在于，所述视觉模块为相机。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于无人机的穿墙雷达探测系统，其特征在于，还包括地面站（5），所述地面站（5）与所述控制单元（6）通讯相连。
6.一种基于权利要求1～5中任意一项所述的基于无人机的穿墙雷达探测系统的探测方法，其特征在于，包括步骤：
所述环境感知单元（2）感知无人机（1）的飞行环境信息，并将所述飞行环境信息发送至控制单元（6）；所述飞行环境信息包括无人机（1）与待测建筑物的外墙体之间的距离信息；
所述控制单元（6）根据所述飞行环境信息控制无人机（1）的飞行，以使无人机（1）与外墙体之间的距离保持在一定范围内，同时控制云台（4）的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行；
所述穿墙雷达（3）对待测建筑物的外部结构、内部结构以及内部人员进行探测。
7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，所述探测包括定点探测和环绕飞行探测。
8.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，所述控制单元（6）控制云台（4）的动作以使收发天线的阵面与外墙体保持平行的具体过程为：
环境感知单元（2）开始工作，获取建筑物点云数据，提取数据点云法线，对点云法线聚类提取平面信息；利用多个平面信息，从中选取数据量最大的平面做法线角度提取，获取环境感知单元（2）相对墙体的姿态信息，再利用姿态信息传输给云台（4），云台（4）根据得到的数据信息计算自身姿态角度，并通过外部控制电机达到所需控制角度，达到墙体锁定的功能，实现收发天线的阵面与墙体的平行。
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