用于小型无人机的电容近距离目标精确探测方法

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明方法是通过下述技术方案实现的：

3、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：

4、(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；

5、(1.1)电容探测器采用双电极电容探测系统；

6、(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。

7、(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。

8、(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；

9、(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。

10、(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；

11、(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。

12、(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。

13、(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。

14、(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。

15、(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。

16、本发明技术方案具有的技术效果：

17、(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。

18、(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。

技术特征：

1.用于小型无人机的电容近距离目标精确探测方法，其特征在于，首先结合无人机型体结构设计电容探测器的一体化电极结构，通过仿真方法得到最优化的结构布局，并给出针对雨天干扰环境下电容探测器的探测性能仿真方法，采用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。

2.根据权利要求1所述的用于小型无人机的电容近距离目标精确探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供一种用于小型无人机的电容近距离目标精确探测方法，其特征在于，首先结合无人机型体结构设计电容探测器的一体化电极结构，通过仿真方法得到最优化的结构布局，并通过仿真给出了雨天干扰环境下电容探测器的探测性能，采用基于状态机的数字化目标识别算法提高了复杂环境中近距离目标探测的抗干扰性能。本发明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毁伤控制能力。

技术研发人员：宋承天,许可煜,吴雨桐,潘立志
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11