技术摘要：
基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测装置及方法，属于无人机探测领域，搭载在无人机上，主要包括无线通信模块、中央处理器、全景成像系统、旋转超声模块及极坐标轨迹绘制模块，旋转超声模块包括旋转模块、超声测距模块、旋转角度计算模块及测速模块；地面指挥系  全部
背景技术：
近年来由于无人机技术的快速发展，导致无人机越来越普及，渐渐进入了寻常百 姓家，由此也引发了一些新的问题。比如在机场，军事基地这些禁飞区，总会出现一些违规 放飞无人机的，这些无人机对机场的秩序产生恶劣影响，威胁人员生命财产安全，也会泄露 国家秘密。但是无人机具有低慢小的特点，这就导致地面的雷达系统，对这些黑飞无人机束 手无策，所以说现在就迫切的需要一种能够对这些民用无人机进行探测的装置，这种装置 安装在无人机上能够在空中对违规的黑飞无人机进行探测，从而能够快速准确得出探测到 的无人机方位，速度等。 中国专利号CN109856592A，公开日为2019-06-07，名称为“一种无人机的超声定位 装置及其定位方法”，定位装置包括安装于输电线路杆塔上的超声波发射单元以及安装于 无人机上的超声波接收定位单元，实现了对无人机与输电线路杆塔之间相对位置的定位。 中国专利号CN111105429A，公开日为2020-05-05，名称为“一种一体化无人机检测 方法”，采用单个可见光监控摄像头，对待检测区域的全景图像进行背景建模和阈值设置, 得到背景模型和阈值图,并根据背景模型和阈值图,对连续多帧待检测区域全景图像进行 全景检测,得到待追踪目标，实现目标的检测、跟踪与识别任务。 无人机现在属于应用比较广泛的民用飞行器，在无人机技术的成熟以及推广之 后，如何在空中对违规飞行的无人机进行探测，已经越来越成为一个热点问题，而上述无人 机探测装置存在一些缺点。 上述提及的“一种无人机的超声定位装置及其定位方法”是在无人机检修电杆的 时候，判断无人机与电杆的相对位置，该方法仅限于无人机维修电杆的时候使用，对于空中 其他环境下的无人机定位就起不到应有的作用了。其超声波发射模块固定在电杆上，这种 不适合对于空中违规飞行无人机的探测。 上述提及的“一种一体化无人机检测方法”虽然仅仅靠一个摄像头实现了探测，但 是对于复杂环境下，在有烟雾、夜晚，或者出现异常光斑的情况下，摄像头探测就不稳定了， 所以这样的装置对环境要求比较苛刻，无法满足对复杂环境的适应能力。
技术实现要素：
本发明的目的是为了适应空中复杂的外界环境，提高设备的容错率，而提出了一 种基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测装置及方法，采用了全景成像与超声旋转 相结合的方式，并且将超声测距与旋转机构组合起来，主要目的是结合无人机空中飞行灵 活的特点，在无人机上搭载该探测装置，然后借助于全景成像技术，超声旋转技术，两者一 静一动相结合，可以快速准确的在空中对违规操作的黑飞无人机进行探测，监视目标无人 5 CN 111596297 A 说　明　书 2/9 页 机，从而了解目标无人机与搭载有探测装置的无人机相对距离，然后通过数学模型的建立， 得出目标无人机的速度，以及飞行轨迹。最终提高了在空中探测无人机的准确性以及效率， 避免对人工调整无人机朝向的过度依赖。在全景成像技术出现异常的光斑的时候，可以借 助旋转超声来判断该光斑是目标无人机，还是只是光学异常。在旋转超声遇到鸟群的干扰 的情况下，又可以通过全景成像来判断出鸟群干扰。从而保证了稳定，准确的发现目标无人 机的方位。 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 本发明提出了一种基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测装置，其特征在 于，该探测装置包括地面指挥系统、无线通信模块、中央处理器、全景成像系统、供电系统、 旋转超声模块、电动推杆、极坐标轨迹绘制模块、固定座及基座，其中旋转超声模块包括旋 转模块、超声测距模块、旋转角度计算模块及测速模块；所述基座固定在搭载有所述探测装 置的无人机顶部；所述固定座固定在基座上，固定座为中空的正方体结构；所述地面指挥系 统通过无线通信模块与中央处理器通信连接，同时地面指挥系统与搭载有所述探测装置的 无人机通信连接，地面指挥系统用于控制搭载有所述探测装置的无人机工作状态，以及实 时接收中央处理器采集的无人机目标识别数据，并根据无人机目标识别数据向搭载有所述 探测装置的无人机发送飞行指令，使得搭载有所述探测装置的无人机向目标无人机靠近完 成跟踪任务，地面指挥系统具有用于实时监控目标无人机的显示界面，显示界面分为：用于 显示全景图像的第一显示区域，和用于显示极坐标轨迹图的第二显示区域；所述无线通信 模块固定在基座的外部，无线通信模块用于将中央处理器所采集的无人机目标识别数据传 送给地面指挥系统；所述中央处理器设置在固定座内部，中央处理器分别与全景成像系统、 旋转超声模块及极坐标轨迹绘制模块双向通信连接，中央处理器用于向全景成像系统、旋 转超声模块及极坐标轨迹绘制模块发送工作指令，并接收全景成像系统、旋转超声模块及 极坐标轨迹绘制模块反馈的信息，以获取无人机目标识别数据；所述全景成像系统固定在 固定座的外部，全景成像系统用于采集搭载有所述探测装置的无人机所处环境的全景图 像；所述供电系统设置在固定座内部，供电系统分别与无线通信模块、中央处理器、全景成 像系统、旋转超声模块、电动推杆及极坐标绘制模块的电压输入端相连；所述旋转模块包括 旋转圆盘及用于驱动旋转圆盘旋转的步进电机，步进电机与中央处理器通信连接；所述超 声测距模块用于实时获取目标无人机与搭载有所述探测装置的无人机之间的距离，并将获 取的距离信息传送给中央处理器；所述测速模块设置在固定座内部，测速模块分别与超声 测距模块、中央控制器、旋转角度计算模块相连，测速模块具有计时器，测速模块用于获取 目标无人机的速度信息，并将获取的速度信息传送给中央处理器；所述旋转角度计算模块 设置在固定座内部，旋转角度计算模块与旋转模块相连，同时旋转角度计算模块分别与中 央控制器、搭载有所述探测装置的无人机自身的GPS导航系统通信连接，旋转角度计算模块 用于获取目标无人机相对于搭载有所述探测装置的无人机的偏转角度信息，并将偏转角度 信息传送给中央处理器；所述电动推杆设置在旋转圆盘和固定座之间，同时电动推杆与中 央处理器通信连接，通过中央处理器的指令电动推杆执行伸出或者收缩动作，带动旋转圆 盘和固定座相互远离或靠近，用于防止全息成像系统和旋转超声模块互相干扰；所述极坐 标轨迹绘制模块与中央处理器通信连接，极坐标轨迹绘制模块用于绘制目标无人机在极坐 标下的极坐标轨迹图，并将极坐标轨迹图传送给中央处理器。 6 CN 111596297 A 说　明　书 3/9 页 进一步，所述中央处理器采用STM32F401微控制器芯片。 进一步，所述全景成像系统由四个高清摄像头组成，四个高清摄像头分别固定在 固定座的四个侧面上。 进一步，所述超声测距模块数量为六个，六个超声测距模块沿旋转圆盘的外圆周 面周向均匀分布在旋转圆盘上，位于旋转圆盘同一直径上的两个超声测距模块为一组，共 分成三组，第一组超声测距模块呈水平布置，第二组超声测距模块呈向上倾斜布置，第三组 超声测距模块呈向下倾斜布置。 作为本发明一种优选的实施方式，所述超声测距模块采用SSD-ME007Y50H超声测 距模块，第一组超声测距模块呈水平设置，第二组超声测距模块呈向上倾斜14度设置，第三 组超声测距模块呈向下倾斜14度设置。 其中，所述旋转角度计算模块是由安装在旋转圆盘上的霍尔角度传感器组成的。 本发明还提出了基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测方法，其特征在 于，该方法采用所述的探测装置进行探测，具体包括如下步骤： 步骤一、地面指挥系统控制搭载有所述探测装置的无人机升空，搭载有所述探测 装置的无人机升空后，中央处理器向全景成像系统发出工作指令，全景成像系统响应所述 工作命令并执行全景图像采集动作，并将采集到的全景图像反馈给中央处理器； 步骤二、中央处理器接收全景成像系统向其传送的全景图像，并通过无线通信模 块将全景图像传回地面指挥系统，地面指挥系统接收全景图像并将其显示在显示界面上， 地面工作人员根据全景图像，控制搭载有所述探测装置的无人机向目标无人机靠近； 在搭载有所述探测装置的无人机向目标无人机靠近的过程中，中央处理器向旋转 超声模块中的旋转模块发送工作指令，旋转模块响应所述工作指令并执行旋转动作，与此 同时中央处理器向电动推杆发送指令，电动推杆响应指令并执行相应动作，保证全景成像 系统和旋转超声模块互不干扰； 中央处理器向旋转超声模块中的超声测距模块发出测量搭载有所述探测装置的 无人机与目标无人机之间距离的指令，超声测距模块响应指令并执行测量距离动作，并向 中央处理器实时反馈距离信息； 步骤三、中央处理器将所述距离信息通过无线通信模块传送给地面指挥系统，搭 载有所述探测装置的无人机与目标无人机之间到达有效距离时，地面指挥系统调整搭载有 所述探测装置的无人机的飞行高度，使搭载有所述探测装置的无人机和目标无人机处在一 个平面上；中央处理器向旋转角度计算模块和测速模块发送工作指令，旋转角度计算模块 和测速模块响应所述工作指令并开始工作，获取目标无人机相对于搭载有所述探测装置的 无人机的偏转角度信息以及目标无人机的速度信息，并将目标无人机相对于搭载有所述探 测装置的无人机的偏转角度信息以及目标无人机的速度信息传送给中央处理器； 步骤四、中央处理器向极坐标轨迹绘制模块发送工作指令，极坐标轨迹绘制模块 响应所述工作指令执行绘制目标无人机在极坐标下的极坐标轨迹图动作，并将其所绘制的 极坐标轨迹图传送给中央处理器； 步骤五、中央处理器将所述极坐标轨迹图和目标无人机的速度信息通过无线通信 模块传送给地面指挥系统； 步骤六、地面指挥系统接收所述极坐标轨迹图和速度信息，并将所述极坐标轨迹 7 CN 111596297 A 说　明　书 4/9 页 图显示在显示界面上，通过比对全景图像和极坐标轨迹图完成对空中目标无人机的探测。 其中，步骤三中所述的有效距离为搭载有所述探测装置的无人机与目标无人机之 间距离小于10米。 通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明具有灵活性高，稳定性 好，精准度高，安全性高的优点，能够对目标无人机的位置进行精准定位。全景成像和超声 旋转相结合，能在复杂环境下快速，稳定的寻找目标无人机。360度无死角的探测出目标无 人机的方位，并且通过数学模型的建立，计算出此时目标无人机的速度，将这些信息发回给 地面指挥系统，从而通过该探测装置实现了对空中的民用无人机的探测。 本发明的进一步有意效果如下： 1、本发明最突出的特点是将超声测距模块与旋转机构相结合，从而实现在不依靠 人工调节无人机的朝向，不考虑操作人员的熟练程度的情况下，提升发现目标的准确性，快 速性。通过引入旋转机构，超声测距模块不但可以像雷达一样通过旋转扫描的方式对感兴 趣的方位立体角进行扫描测距，而且可以将测得的数据通过中央处理器进行图形重建，在 地面指挥系统的显示界面上将目标无人机相关信息显示出来，为地面指挥系统提供目标无 人机的重要信息。 2、全景成像系统有四个方向的摄像头，超声测距模块借助于旋转结构，实现了360 度无死角的全景探测。将全景成像技术与旋转超声技术相结合，在地面指挥系统中形成两 幅对比图，可以直观的观测目标无人机的位置信息，运行轨迹等，从而实现了对空中无人机 的探测。 3、由于超声测距模块采用互为冗余备份的设计，提高了工作时候的稳定性。在某 一个超声测距模块发生故障以后，另一个就会替换它的功能，从而保证系统可以稳定工作。 4、由于超声波测距模块是有探测角度限制的，为了克服这些限制，本发明改变超 声波测距模块的倾斜角度，三对超声波测距模块中，一对向上倾斜14度布置，一对水平布 置，一对向下倾斜14度布置。从而保证在水平面360度无死角探测的同时，竖直方向也有较 宽广的探测范围。这样可以保证尽可能大的数值探测范围。保证三维空间探测的效率。 附图说明 此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，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为基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测装置结构框图。 图2为基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测装置结构示意图。 图3为旋转圆盘的外圆周面沿周向六等分以后，六个超声测距模块的分布图。 图4为基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测装置中旋转超声模块的工作 原理图。 图5为基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测装置中测速模块的原理图。 图6为基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测装置中地面指挥系统收到的 全景图像和极坐标轨迹图的实时对比效果图。 图7为基于全景成像及超声旋转对空中无人机的探测方法的流程图。 图中各标记如下：1-地面指挥系统；2-无线通信模块；3-中央处理器；4-全景成像 8 CN 111596297 A 说　明　书 5/9 页 系统；5-供电系统；6-旋转超声模块；7-电动推杆；8-旋转模块；9-超声测距模块；10-旋转角 度计算模块；11-测速模块；12-极坐标轨迹绘制模块；13-旋转圆盘；14-固定座；15-高清摄 像头；16-基座。