基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统及方法与流程

本发明涉及无人机回收领域，尤其是涉及一种基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统及方法。

背景技术：

车载旋翼无人机是一种以陆地车辆作为基站的作战机种，拥有侦查、反制、战场动态管控等作战能力，能最大程度地适应陆地的工作环境、自然环境和作战环境。目前，旋翼无人机回收引导方式的研究应用主要有激光引导、gps引导和电视跟踪引导等。其中激光引导和电视跟踪引导的核心技术是图像处理技术，将旋翼无人机飞控系统中预存的图片与机载摄像头所拍摄图片进行实时比对，寻找降落平台；gps引导的核心技术是空间定位及导航技术，通过地面基站实时解算旋翼无人机的空间位置信息，向旋翼无人机飞控系统发送指令，令其返航。

以上旋翼无人机回收引导方式虽然简单易行，但是陆地战场情况多变，通常要进行夜间作战、恶劣天气情况作战，在这些极端条件下，激光引导和电视跟踪引导将不再具备优势；gps引导在引导精度上表现一般，位置结算较慢，实时性较差。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有旋翼无人机回收引导方式存在的不能实现旋翼无人机全天候回收、不能适应各种作战环境以及不能实现车载动态回收等问题，提供一种基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统及方法，可以有效提高旋翼无人机作战环境的普适性，实现旋翼无人机的自主降落、全天候动态回收。

基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统，其特征在于，包括：车载gps系统、车载毫米波雷达系统、车载旋翼无人机回收系统、供电系统和中央控制器，

所述车载gps系统用于获取车辆的实时位置信息，并将该实时位置信息传送至旋翼无人机；

所述车载毫米波雷达系统包括fm信号调制器、压控振荡器、定向耦合器、环形器、混频器、收发天线、低通滤波器和信号处理器，fm信号调制器的输入端与中央控制器的高低电平控制端连接，fm信号调制器的输出端与压控振荡器的输入端连接，fm信号调制器用于以fmcw调频连续波方式产生所需要的调制信号；压控振荡器用于产生ghz级别、连续周期等幅信号，压控振荡器的输出端与定向耦合器的输入端连接，定向耦合器的输出端分别与环形器的输入端、混频器的输入端连接，定向耦合器用于将一部分连续周期等幅信号输送至混频器作为本振信号，另一部分连续周期等幅信号输送至环形器由收发天线以电磁波形式向空中发射；环形器的收发复用端与收发天线连接，环形器的输出端与混频器的输入端连接，环形器用于对旋翼无人机反射回来的回波信号进行放大，以满足发射信号所需功率值，并将放大后的回波信号发送给混频器；混频器用于对放大后的回波信号与本振信号进行混频处理，得到差频信号；低通滤波器的输入端与混频器的输出端连接，低通滤波器的输出端与信号处理器的输入端连接，低通滤波器用于滤除差频信号中的噪声信号；信号处理器的输出端与中央控制器上的ad采样端口的输入端连接，信号处理器用于放大滤波后的差频信号，从而使得滤波后的差频信号强度达到中央控制器采集信号的强度要求；

所述供电系统分别与车载gps系统、车载毫米波雷达系统、车载旋翼无人机回收系统、供电系统和中央控制器的电压输入端连接，用于提供车载gps系统、车载毫米波雷达系统、车载旋翼无人机回收系统、供电系统和中央控制器相应的额定工作电压；

所述中央控制器用于采集滤波放大后的差频信号，并向所述车载gps系统、车载毫米波雷达系统、车载旋翼无人机回收系统及旋翼无人机发送控制指令，用于完成旋翼无人机的返航、降落及回收。

其中，所述车载gps系统包括gps模块和无线通信模块，gps模块用于获取车辆的实时位置信息；无线通信模块用于向旋翼无人机传送车辆的实时位置信息。

其中，所述中央控制器采用infineon公司生产的型号为xmc4100的微控制器芯片。

其中，所述压控振荡器产生的连续周期等幅信号的频段为24ghz。

基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导方法，其特征在于，该方法采用所述的系统，具体包括以下步骤：

步骤一、中央控制器向旋翼无人机的飞控系统发送返航指令，同时中央控制器启动车载gps系统实时获取车辆所在位置并将实时位置信息传送到旋翼无人机的飞控系统，旋翼无人机向车辆所在位置返航，车载gps系统在旋翼无人机返航的过程中实时计算车辆与旋翼无人机之间的距离；

步骤二、将步骤一中车载gps系统实时计算的车辆与旋翼无人机之间的距离与旋翼无人机降落阈值进行实时比对，若旋翼无人机与车辆之间的距离在降落阈值之内，则由中央控制器启动车载车载毫米波雷达系统来获取旋翼无人机运动状态参数；

步骤三、由车载毫米波雷达系统中的fm信号调制器输出所需要的信号波形；信号波形经过压控振荡器产生连续周期等幅信号；随后，连续周期等幅信号输入至定向耦合器，进行耦合后的连续周期等幅信号一部分经过环形器后，通过收发天线向空中发射电磁波信号，简称为发射信号，当发射信号遇到处于降落阈值内的旋翼无人机时，旋翼无人机的机体会将该发射信号反射回来；

步骤四、由旋翼无人机的机体反射回来的电磁波信号通过收发天线进行信号采集，反射回来的电磁波信号简称回波信号，回波信号输入至环形器经过放大后，再输入至混频器，同时，将步骤三中进行耦合的连续周期等幅信号的另一部分也输入至混频器，将发射信号与回波信号进行混频处理，得到差频信号；

步骤五、将差频信号输入至低通滤波器，滤除混杂在其中的噪声信号，得到滤波后的差频信号；再将滤波后的差频信号输入至信号处理器对其进行放大；

步骤六、由中央控制器的ad采样端口对信号处理器放大后的差频信号进行ad采样；

步骤七、中央控制器利用快速傅利叶变换算法对采集的差频信号进行频谱分析，从频谱谱峰中提取旋翼无人机与车辆间的距离及相对速度信息；

步骤八、通过收发天线收发信号所处位置以及收到回波的相位差计算得到旋翼无人机相对于车辆的方位角；

步骤九、将车载gps系统在旋翼无人机降落过程中实时计算的车辆与旋翼无人机之间的距离与旋翼无人机回收距离阈值进行实时比对，若旋翼无人机与车辆之间的距离在回收距离阈值之内，则由中央控制器启动车载无人机回收系统完成旋翼无人机的回收。

其中，步骤二中所述降落阈值为3m～100m。

其中，所述旋翼无人机运动状态参数包括旋翼无人机飞行高度、速度及俯仰角。

其中，所述回收距离阈值为0m～3m。

其中，步骤七中，中央控制器利用快速傅利叶变换算法对采集的差频信号进行频谱分析，从频谱谱峰中提取旋翼无人机与车辆间的距离及相对速度信息的具体过程如下：

获取相邻的两个调频周期内旋翼无人机的中心频率fa与fa′，其中μ为信号调制斜率，t为信号调制周期，f0为毫米波雷达发射信号的载频，c为光速，v1为在第一个调制周期内旋翼无人机的速度，r1为在第一个调制周期内旋翼无人机与车辆的距离，v2为在第二个调制周期内旋翼无人机的速度，r2为在第二个调制周期内旋翼无人机与车辆的距离，信号调制周期t的阈值小于10ms，旋翼无人机的速度变化值忽略不计，在两个相邻调频周期内，旋翼无人机的中心频率差值为δr为在一个信号调制周期t内旋翼无人机相对于车辆的位移，该中心频率差值δf中包含了旋翼无人机与车辆的距离信息与速度信息，即通过该中心频率差值δf获得旋翼无人机与车辆间的距离及相对速度信息。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明所述的基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统能够实现旋翼无人机的全天候、动态、自主回收，能够更强地适应各种作战环境；

2、本发明所述的基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统采用了频段为24ghz的毫米波，不易被截获，不易被破解，大大提升了作战的安全性，并在很大程度上提升了旋翼无人机的回收精度；

3、由于本发明所述的基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导方法利用了信号处理技术解算旋翼无人机与车辆间的距离、相对速度及俯仰角等信息，因此本发明在一定程度上节约了成本；

4、本发明所述的基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导方法利用快速傅里叶变换算法进行频率调制，该算法实现简单，计算量较小，能满足车载旋翼无人机回收引导系统的实时性要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统中毫米波雷达工作原理简图。

图2为本发明基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统的结构框图。

图3为本发明基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导方法的方位角测量原理图。

图4为本发明基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导方法的流程图。

图中各标记如下：1-旋翼无人机、4-车辆、5-车载gps系统、6-车载毫米波雷达系统、7-车载旋翼无人机回收系统、8-供电系统、9-中央控制器、10-gps模块、11-无线通信模块、12-fm信号调制器、13-压控振荡器、14-定向耦合器、15-环形器、16-混频器、17-收发天线、18-低通滤波器、19-信号处理器、20-ad采样端口。

具体实施方式

为了更清楚地表明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细的叙述。

参阅图1和图2，基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统包括车载gps系统5、车载毫米波雷达系统6、车载旋翼无人机回收系统7、供电系统8和中央控制器9，

所述车载gps系统5包括gps模块10和无线通信模块11，gps模块10用于实时获取车辆4的位置信息；无线通信模块11用于向旋翼无人机实时传达车辆4的位置信息；

所述车载毫米波雷达系统6包括fm信号调制器12、压控振荡器13、定向耦合器14、环形器15、混频器16、收发天线17、低通滤波器18和信号处理器19，fm信号调制器12的输入端与中央控制器9的高低电平控制端连接，fm信号调制器12的输出端与压控振荡器13的输入端连接，fm信号调制器12用于以fmcw调频连续波方式产生所需要的调制信号；压控振荡器13用于产生ghz级别、连续周期等幅信号，具体频段为24ghz，压控振荡器13的输出端与定向耦合器14的输入端连接，定向耦合器14的输出端分别与环形器15的输入端、混频器16的输入端连接，定向耦合器14用于将一部分连续周期等幅信号输送至混频器16作为本振信号，另一部分连续周期等幅信号输送至环形器15由收发天线17以电磁波形式向空中发射；环形器15的收发复用端与收发天线17连接，环形器15的输出端与混频器16的输入端连接，环形器15用于对旋翼无人机1反射回来的回波信号进行放大，以满足发射信号所需功率值，并将放大后的回波信号发送给混频器16；混频器16用于对放大后的回波信号与本振信号进行混频处理，得到差频信号；低通滤波器18的输入端与混频器16的输出端连接，低通滤波器18的输出端与信号处理器19的输入端连接，低通滤波器18用于滤除差频信号中的噪声信号；信号处理器19的输出端与中央控制器9上的ad采样端口20的输入端连接，信号处理器19用于放大滤波后的差频信号，从而使得滤波后的差频信号强度达到中央控制器9采集信号的强度要求；

所述供电系统8通过设计一系列电压转换电路，为各个系统及模块提供相应的额定工作电压，使车载gps系统5、车载毫米波雷达系统6及车载旋翼无人机回收系统7正常运行，供电系统8分别与车载gps系统5、车载毫米波雷达系统6、车载旋翼无人机回收系统7及中央控制器9的电压输入端连接；

所述中央控制器9用于采集滤波放大后的差频信号，并向所述车载gps系统5、车载毫米波雷达系统6、车载旋翼无人机回收系统7及旋翼无人机1发送控制指令，用于完成旋翼无人机1的返航、降落及回收，优选的，中央控制器9采用infineon公司生产的型号为xmc4100的微控制器芯片；

以上所述各系统及模块均可集成化并固定于任一基板上组成基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导系统，并由该基板固定于车辆4顶部。

结合图1、图3和图4，基于毫米波雷达的车载旋翼无人机回收引导方法，包括以下步骤：

步骤一、中央控制器9向旋翼无人机1的飞控系统发送返航指令，同时中央控制器9启动车载gps系统5，由车载gps系统5中的gps模块10通过四颗定位卫星实时获取车辆4所在位置，车载gps系统实时记录位置信息，再由无线通信模块11将该位置信息传递给正在飞行的旋翼无人机1的飞控系统，旋翼无人机1向车辆4所在位置返航，车载gps系统5在旋翼无人机1返航的过程中实时计算车辆4与旋翼无人机1之间的距离；

步骤二、将车载gps系统5在旋翼无人机1返航的过程中实时计算的车辆4与旋翼无人机1之间的距离与旋翼无人机1降落阈值进行实时比对，该降落阈值为3m～100m，若旋翼无人机1与车辆4之间的距离在降落阈值之内，则由中央控制器9启动车载毫米波雷达系统6来获取旋翼无人机1的高度、速度及俯仰角信息；

步骤三、由车载毫米波雷达系统6中的fm信号调制器12输出所需要的信号波形；信号波形经过压控振荡器13产生连续周期等幅信号；随后，连续周期等幅信号输入至定向耦合器14，进行耦合后的连续周期等幅信号一部分经过环形器15后，通过收发天线17向空中发射电磁波信号，简称为发射信号，当发射信号遇到处于降落阈值内的旋翼无人机1时，旋翼无人机1的机体会将该发射信号反射回来；

步骤四、由旋翼无人机1的机体反射回来的电磁波信号通过收发天线17进行信号采集，后简称回波信号，回波信号输入至环形器15经过放大后，再输入至混频器16，同时，将步骤三中进行耦合的连续周期等幅信号的另一部分也输入至混频器16，将发射信号与回波信号进行混频处理，得到差频信号；

步骤五、将差频信号输入至低通滤波器18，滤除混杂在其中的噪声信号；得到滤波后的差频信号；再将滤波后的差频信号输入至信号处理器19对其进行放大；

步骤六、由中央控制器9的ad采样端口20对放大后的差频信号进行ad采样；

步骤七、利用快速傅利叶变换算法对采集的差频信号进行频谱分析，相邻的两个调频周期内，旋翼无人机1的中心频率分别为fa与fa′，可以由两个相邻的调制周期的频谱图得到具体数值，分别为

以上两式中，μ为信号调制斜率，t为信号调制周期，f0为毫米波雷达发射信号的载频，c为光速，v1为在第一个调制周期内旋翼无人机1的速度，r1为在第一个调制周期内旋翼无人机1与车辆4的距离，v2为在第二个调制周期内旋翼无人机1的速度，r2为在第二个调制周期内旋翼无人机1与车辆4的距离；

信号调制周期t的阈值小于10ms，由于信号调制周期t极短，旋翼无人机1的速度变化极小，旋翼无人机1的速度变化值忽略不计，可近似认为v1≈v2。那么在两个相邻调频周期内，旋翼无人机1的中心频率差值为

上式中，δr为在一个信号调制周期t内旋翼无人机1相对于车辆4的位移。所以，该中心频率差值δf中包含了旋翼无人机1与车辆4的距离信息与速度信息，通过该中心频率差值δf可计算出旋翼无人机1与车辆4的距离及相对速度信息；

步骤八、通过收发天线17收发信号所处位置之间的几何距离r以及收到回波的相位差b计算得到旋翼无人机1相对于车辆4的方位角ɑ；

步骤九、将车载gps系统5在旋翼无人机1降落过程中实时计算的车辆4与旋翼无人机1之间的距离与旋翼无人机1回收距离阈值进行实时比对，该回收距离阈值为0m～3m，若旋翼无人机1与车辆4之间的距离在回收距离阈值之内，则由中央控制器9启动车载无人机回收系统7完成旋翼无人机1的回收。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。