用于小型无人机的电容近距离目标精确探测方法

技术领域

本发明属于小型无人机近距离攻击目标时的精确探测、定距与起爆控制领域，具体为用于小型无人机的电容近距离目标精确探测方法，涉及准静电场电容探测及一体化电极设计与仿真，近距离目标精确探测、定距与抗干扰方法。

背景技术

随着无人作战理念的不断深化，小型攻击型无人机在现代作战中具有极大的潜力。现阶段小型攻击型无人机一般利用人在回路控制，操作员通过摄像头返回的视频信息操作无人机飞向目标，利用撞向目标的瞬间冲击力进行发火控制。鉴于无人机质量较小、飞行速度低，碰击目标时，尤其是动目标，冲击过载较小，若触发开关灵敏度设置较高，会带来飞行过程安全性隐患，在飞行过程中速度的突变以及章动等影响可能造成出现飞行中炸的可能；若触发开关灵敏度设置较低，飞行器在较低速度碰击目标时，存在因冲击过载较低而导致瞎火的可能，降低了作用可靠性。因此应用于小型无人机，采用触发作用方式将存在安全性和作用可靠性之间的矛盾，且考虑攻击目标主要为人员等有生力量，触发作用方式存在毁伤效能低的问题。因此，应用于该类小型无人机引信不宜采用触发引信类型，鉴于小型无人机尺寸及重量要求，以及战斗部杀伤威力，起爆距离控制在10cm～20cm范围内较为合适，即采用超近距离的近炸控制模式更能满足引战配合要求。

现有近程探测主要以无线电与激光探测为主，在近距离探测时其探测精度在低速时较高但在速度较高时探测误差较大，无线电探测对电磁干扰环境抗干扰性能较差，激光探测在雨雪环境探测性能差，并且二者成本都相对较高。电容探测具有成本低、安全可靠、抗电磁干扰等优势。现阶段电容探测在民用中被作为接近传感器使用，距离精度为mm量级，但主要用于相对速度较低场合，一般小于1m/s。军用中国内外用于高速中小口径弹药近距离近炸控制，主要采用模拟信号处理方式，炸高一般控制在0.5m以上。接近传感器在处理速度上不满足无人机10m/s的飞行速度要求，军用近炸控制距离及精度不满足无人机超近距离的探测起爆控制要求。

发明内容

本发明的目的是为了实现小型无人机近距离的攻击目标时的近炸起爆控制而提高毁伤效果，首先结合无人机型体结构设计了电容探测器的一体化电极结构，通过仿真方法可得到最优化的结构布局，并给出了针对雨天干扰环境下电容探测器的探测性能仿真方法，然后设计了一种基于状态机的数字化目标识别算法以提高复杂环境中近距离探测时的抗干扰性能。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

用于小型无人机的电容近距离目标精确探测方法，包括以下步骤：

(1)与无人机型体共型的一体化双电极电容探测器结构布局仿真；

(1.1)电容探测器采用双电极电容探测系统；

(1.2)针对小型四旋翼无人机，根据四旋翼无人机结构特征，利用空间场仿真软件对其进行电极分布设计。在COMSOL空间场仿真软件中，对用于小型四旋翼无人机的电容探测电极结构进行建模，分别以无人机的旋翼外框为施感电极、支撑底座为感应电极及旋翼外框为感应电极、支撑底座为施感电极进行无人机与目标交会仿真。

(1.3)通过步骤(1.2)仿真可分别得出，旋翼外框为施感电极、支撑底座为感应电极时交会过程中感应电容的变化特性，旋翼外框为感应电极、支撑底座为施感电极时径向交会过程中感应电容的变化特性，通过对比发现旋翼外框作为施感电极时，其径向交会过程感应电容变化稳定且变化幅值较大。

(1.4)对步骤(1.3)中选定的电容探测器电极分布结构，进行无人机穿过雨幕时的电容变化特性仿真。通过在距离目标一定距离处设计雨幕环境，通过Comsol仿真无人机径向交会过程穿越雨幕的感应电容变化特性；

(1.5)利用步骤(1.3)与步骤(1.4)得到的交会过程中目标感应电容变化特性及雨幕干扰特性作为设计信号处理、目标识别与抗干扰方法的数据。

(2)基于状态机的数字化目标识别与精确定距及抗干扰处理；

(2.1)通过空间场仿真方法，分别对交会过程及穿过雨幕的干扰进行仿真，并得出了交会过程中感应电容的变化规律，对此规律进行分析，得到干扰物信号特征并设计针对干扰的滤波算法。

(2.2)设计电容探测硬件系统，对探测过程进行检波电压A/D采样及步骤(2.1)中的滤波处理。

(2.3)对滤波后信号进行多状态分析，进而进行目标准确识别及近距离精确定距。通过对数字滤波后检波电压幅值及幅值变化量检测判断是否有目标的出现，如果连续满足幅值及幅值变化量条件则判断存在目标，并对检波电压变化率进行计算，进而精确识别目标。

(2.4)若步骤(2.3)中信号保持连续性且满足预置变化率阈值，系统启动定时器，如果定时达到预置的时长且检波电压达到预置的变化量大小则判断为达到起爆点火距离。

(2.5)若检测信号满足(2.4)中的预置条件，输出起爆点火信号。

本发明技术方案具有的技术效果：

(1)针对小型四旋翼无人机结构特征，对无人机进行电容目标探测的一体化电极结构设计，设计仿真方法得到交会时感应电容变化相对更灵敏的电极分布方案，并根据电极结构分布，对无人机穿过雨幕模型进行仿真得出无人机穿过雨幕时感应电容的变化特性。

(2)针对小型攻击型无人机目标精确打击及可靠起爆控制问题，所设计算法可以在近距离条件下对目标进行精确定距，进而有效提高对目标的打击毁伤能力。

附图说明

图1为本发明的无人机四旋翼外框设置为施感电极，支撑底座设置为感应电极空间模型图；

图2为本发明的无人机四旋翼外框为感应电极，支撑底座为施感电极空间模型图；

图3为本发明的无人机四旋翼外框设置为施感电极，支撑底座设置为感应电极时径向交会过程中的感应电容变化曲线；

图4为本发明的无人机四旋翼外框为感应电极，支撑底座为施感电极时径向交会过程中的感应电容变化曲线；

图5为本发明的无人机穿过雨幕空间模型图；

图6为本发明的无人机径向交会过程中穿过雨幕感应电容与正常环境感应电容变化对比；

图7为本发明的系统实现结构框图；

图8为本发明的目标识别算法的状态转换图。

具体实施方式

本发明根据电容探测原理，设计双电极探测系统，前端探测电极进行目标感测，目标出现时对电极周围静电场的扰动而使探测电极与后端固有电极之间的电容发生变化，进而使得检波信号发生变化。

通过空间场仿真软件针对小型四旋翼无人机，仿真对比旋翼外框为施感电极、支撑底座为感应电极和旋翼外框为感应电极、支撑底座为施感电极径向交会过程中感应电容变化的特性，同过对比分析发现旋翼外框为施感电极、支撑底座为感应电极其径向交会过程中感应电容变化更为稳定。

通过空间场仿真软件对不同干扰环境下的弹目交会过程进行仿真分析，得出了干扰信号特征，根据干扰信号特征及应用背景环境噪声特征，设计了加权滑动数字滤波算法和基于状态机的目标识别算法。

结合附图说明本发明的具体技术方案。

用于小型无人机的电容近距离目标精确探测方法，包括以下步骤：

(1)与无人机共型的一体化双电极电容探测器结构布局仿真；

(1.1)电容探测器采用双电极电容探测结构；

(1.2)针对小型四旋翼无人机，根据四旋翼无人机结构特征，利用空间场仿真软件对其进行电极分布设计。在COMSOL空间场仿真软件中，对小型四旋翼无人机进行建模，设置空间介质为空气，介电常数为1，无人机介电常数为∞。分别以无人机的旋翼外框为施感电极、支撑底座为感应电极，见图1，及旋翼外框为感应电极、支撑底座为施感电极，见图2，进行无人机与目标径向交会仿真。

(1.3)通过步骤(1.2)仿真可得出旋翼外框为施感电极、支撑底座为感应电极径向交会过程中感应电容的变化特性，见图3，及旋翼外框为感应电极、支撑底座为施感电极径向交会过程中感应电容的变化特性，见图4，通过对比发现旋翼外框为施感电极时，其径向交会过程感应电容变化稳定且变化幅值较大。

(1.4)对步骤(1.3)中选定的无人机电极分布结构，进行无人机穿过雨幕时的电容变化特性仿真。通过在距离目标一定距离处设计雨幕环境，见图5，距离目标50cm-70cm、雨滴直径0.3cm、雨幕间距3cm，通过Comsol仿真无人机径向交会过程出现瞬间雨幕的感应电容变化特性，见图6；

(1.5)利用步骤(1.3)与步骤(1.4)得到的交会过程中的目标电容变化特性及干扰特性作为设计信号处理、目标识别与抗干扰方法的数据。

(2)基于状态机的数字化目标识别与精确定距及抗干扰处理；

(2.1)通过空间场仿真方法，分别对交会过程及穿过雨幕的干扰进行仿真，并得出干交会过程感应电容的变化规律，对此规律进行分析，得到干扰物信号特征并设计针对干扰的滤波算法。

(2.2)设计电容探测硬件系统，见图7，包括振荡电路、检波电路、模拟滤波电路、微处理器控制电路等，对探测过程进行检波电压A/D采样及步骤(2.1)中的滤波处理。

(2.3)对滤波后信号进行多状态分析，进而进行目标准确识别及近距离精确定距，见图8。通过对数字滤波后检波电压幅值及幅值变化量检测判断是否有目标的出现，如果连续满足幅值及幅值变化量条件则判断存在目标，并对检波电压变化率进行计算，进而精确识别目标。

(2.4)若步骤(2.3)中信号保持连续性且满足预置变化率阈值，系统启动定时器，如果定时达到预置的时长且检波电压达到预置的变化量大小则判断为达到起爆距离。

(2.5)若检测信号满足(2.4)中的预置条件，输出起爆点火信号，见图8，表1。

表1状态机算法示意图中符号含义表

为使得电容探测系统具有更好的适用性及较高的鲁棒性，设计基于多状态分析的状态机算法，即将弹目交会过程中检波电压的变化趋势定义为不同的状态，通过综合分析各个状态之间的逻辑关系，进而判断是否存在目标及是否达到攻击距离。基于状态机的目标识别算法主要包含五个状态：分别为无目标状态NT(No Target)、可疑目标状态ST(Suspected Target)、目标出现TA(Target Appear)、确认目标CT(Certain Target)、到达攻击位置状态AP(Attack Position)。

结合交会过程中的信号特征，设计如下的目标识别准则：

1)由图8可知，当无目标出现时检波电压趋于一条直线，检波电压值浮动较小，单片机对检波电压数据进行实时采样，当检波电压幅值满足启动电压时，开始计算检波电压的变化量。当检波电压变化量幅度大于设定阈值，则探测系统进入“ST”状态。如果检波电压变化量幅值不满足预置阈值条件，则探测系统继续保持“NT”状态不变。

2)系统进入“ST”后继续对检波电压变化量进行检测，当检波电压变化量连续4次大于预置阈值，系统进入“TA”状态，否则探测系统转入“NT”状态。

3)当系统处于“TA”状态时，开始计算检波电压变化率，通过对信号预处理后的数据进行差分运算获得检波电压的变化率。当检波电压变化率大于设定阈值，开启计数模式，当变化率连续4次满足预置条件，探测系统进入“CT”状态，。否则，探测系统进入“ST”状态。

4)系统进入“CT”状态后，探测系统即认定为确定目标，同时，信号处理模块打开定时器。为精确测量炸高，信号处理模块进行如下操作：

a)计算“CT”状态i时刻到k时刻的检波电压变化量来确定是否到达合理炸高控制范围内，如果此段时间内检波电压的变化量满足预设条件，则到达指定炸高，探测系统在k时刻输出点火信号。

b)通过结合预置弹速与计时器信息，计算出弹药飞行距离，进而对打击位置进行控制。当条件a、b任意条件满足进入状态“AP”。如果在此状态过程中，存在检波电压变化率变化不单调则探测系统进入“TA”状态。

当信号满足状态机目标识别算法中的检波电压幅值、检波电压幅值变化量、幅值变化率及最终的时间或检波电压幅值变化量预置条件时，启动起爆控制信号。