一种融合声学和光学传感器的小型垂直起降无人机及目标探测方法

本发明涉及无人机技术与目标探测，具体为一种融合声学和光学传感器的小型垂直起降无人机及目标探测方法。

背景技术：

1、我国西部边境存在大量高海拔无人区，具有环境背景噪声低、净空条件好、人员巡查难度大等特点，对无人化、全天候的目标探测手段存在迫切需求。传统边境管控多依赖固定监控点位与人工巡逻，存在部署灵活性差、覆盖盲区多、高海拔地区人员保障困难等问题。

2、现有无人值守探测方案主要包括固定式声学探测站、光电监控球机、雷达探测等类型。其中固定式声学探测站可通过麦克风阵列实现远距离声源定位与识别，但位置固定，无法抵近查证与持续跟踪；纯光学探测设备受光照、气象条件影响大，远距离弱小目标发现概率低，且无法实现非视距探测；雷达探测设备功耗高、体积大，易暴露部署位置，不适用于隐蔽值守场景。

3、小型垂直起降无人机，尤其是共轴双旋翼构型，具有体积小、可折叠、垂直起降、悬停性能好等优势，已在侦察、安防领域得到广泛应用。但现有侦察无人机多为人工遥控或预规划航线飞行，不具备“地面静默值守—声学自主预警—主动起飞查证—光学精确跟踪”的全自主工作能力。此外，若无人机飞行过程中开启声学探测，自身旋翼与电机噪声会严重掩盖目标声信号，导致机载声学探测信噪比极低、实用性差。

4、综上所述的问题，为此，我们提出一种融合声学和光学传感器的小型垂直起降无人机及目标探测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种融合声学和光学传感器的小型垂直起降无人机及目标探测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种融合声学和光学传感器的小型垂直起降无人机，包括平衡杆、共轴双螺旋桨、两组无刷电机、中央机体、底部支撑支架、光学传感单元、分布式声学传感器阵列以及机载处理与飞控单元；

4、两组无刷电机上下同轴安装于中央机体上部，分别驱动上下两副共轴双螺旋桨反向旋转，抵消反扭力矩；

5、底部支撑支架共三支，呈正三角形均匀布置于中央机体下部，既是降落支撑结构，也是声学传感器的安装载体；

6、分布式声学传感器阵列包含至少3个声学传感器，分别安装于三支底部支撑支架的末端，形成最大空间孔径的声学接收阵列；

7、光学传感单元安装于中央机体底部，集成可见光相机与红外热像仪，配合两轴稳定云台实现目标成像与跟踪；

8、机载处理与飞控单元集成于中央机体内部，分别与分布式声学传感器阵列、光学传感单元、无刷电机、调距机构电连接，统筹声信号处理、目标识别定位、飞行控制与传感器任务调度。

9、进一步地，所述分布式声学传感器阵列采用工业级mems硅麦克风，测量频段覆盖20hz～12.5khz，单传感器量程30～120db，功耗低于1w。机载处理单元内置多点定位算法模块，基于到达时间差法（tdoa）结合广义互相关相位变换（gcc-phat）算法，利用三支传感器的声信号时延差解算声源目标的水平方位角与直线距离，在高原低噪声环境下有效探测距离可达数公里。

10、进一步地，机载处理单元内置声指纹识别模块，提取目标声信号的梅尔频率倒谱系数（mfcc）与频谱包络特征，通过预训练的轻量型卷积神经网络分类器与预置声纹库比对，可识别人员、机动车辆、旋翼飞行器、固定翼飞行器等典型目标，并输出对应威胁等级。

11、进一步地，飞行控制方面，两组无刷电机采用差动调速控制，通过上下螺旋桨的转速差产生偏航力矩实现航向控制；共轴双螺旋桨配备电动调距机构，通过差动调整上下桨叶桨距产生俯仰与滚转力矩；通过同步调节两电机总转速实现高度控制。该构型无需额外舵面与多组旋翼，结构紧凑，折叠后体积小，适合单兵携带。

12、进一步地，全机采用模块化快拆设计：共轴双螺旋桨为可折叠桨叶，底部支撑支架、光学传感单元、分布式声学传感器均采用快插接口与中央机体连接，无需工具即可快速组装与拆卸，便于高原环境下运输与部署。

13、进一步地，系统具备低功耗值守模式：地面待机时关闭光学传感单元、动力系统与非必要外设，仅维持声学阵列与核心处理模块运行，整机待机功耗极低，可依靠内置电池实现数周以上连续值守。当声学探测到符合预设威胁等级的目标且距离小于起飞阈值时，自动唤醒飞控系统并执行自主起飞。

14、一种融合声学和光学传感器的小型垂直起降无人机目标探测方法，包括以下步骤：

15、s1、低功耗值守：无人机直立部署于警戒点位，进入低功耗待机状态，分布式声学传感器阵列以间歇采样模式持续采集环境声信号，实时传输至机载处理单元；

16、s2、声信号预处理与目标检测：机载处理单元对多路声信号依次进行分帧加窗、自适应降噪、带通滤波与端点检测，提取可疑运动声源的有效信号片段；

17、s3、声指纹识别与定位解算：对有效声信号提取mfcc声纹特征，与预置声纹库比对识别目标类型与威胁等级；同步基于多路声信号时延差，结合传感器空间坐标解算目标的方位角与直线距离；

18、s4、自主起飞触发：设置预警与起飞两级阈值，当识别为警戒目标且连续多帧定位距离均小于起飞阈值时，机载飞控单元启动动力系统，控制无人机自主垂直起飞；

19、s5、光学精确探测与跟踪：无人机爬升至预设观测高度后，依据声学定位结果引导光学云台转向目标区域，通过目标检测算法捕获并锁定目标，切换至自动跟踪模式，持续输出目标双光影像与融合定位坐标；

20、s6、自主返航值守：当目标离开警戒区域或持续丢失目标超过设定时间后，无人机自主返航至初始值守点垂直降落，关闭光学与动力系统，重新进入低功耗声学值守状态。

21、进一步地，步骤s2中声信号预处理具体包括：采用谱减法抑制稳态背景噪声，通过200hz～8khz带通滤波剔除风噪与低频结构振动干扰，基于短时能量与过零率双门限法进行端点检测，准确分割目标声信号片段。

22、进一步地，步骤s3中多点定位解算具体为：以三支声学传感器的空间坐标为基准，利用gcc-phat算法计算每两路信号的到达时间差，基于球面相交法建立方程组求解目标的水平方位角与斜距，并结合机载imu姿态数据对结果进行姿态补偿，提升定位精度。

23、进一步地，步骤s4采用两级触发与连续帧验证机制：一级预警阈值触发光学预热与飞控待机，二级起飞阈值触发起飞；同一目标连续n帧均满足阈值条件才执行起飞，有效抑制环境偶发噪声导致的虚警。

24、进一步地，步骤s5采用声光融合跟踪策略：光学锁定目标时以光学定位结果为准；目标短暂移出视场时，回退至声学引导模式进行区域扫描重捕；同时结合无人机gps/北斗坐标与云台姿态角，解算目标的绝对地理坐标。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、本发明无人机地面值守时执行声学探测，空中飞行时执行光学探测，从根本上避免了旋翼自噪声对声学探测的干扰，充分发挥声学远距离隐蔽预警与光学高精度成像的各自优势，大幅提升探测距离与识别准确率。

27、本发明无需人工遥控与持续供电，单机组网即可实现数周以上连续隐蔽值守；具备自主预警、自主起飞、自主跟踪、自主返航全流程能力，特别适合人员难以抵达的高原垭口、河谷通道等区域部署。

28、本发明采用共轴双旋翼、快拆折叠设计，整机体积小、重量轻，可单兵背负快速部署；三支支架兼做声学安装臂，在不增加额外结构的前提下最大化声学阵列孔径，提升定位精度。

29、本发明通过声纹类型识别、两级阈值触发、连续帧验证三重机制，有效过滤风声、落石等环境干扰虚警；声光互补的跟踪策略提升了复杂场景下目标跟踪的连续性与稳定性。

30、本发明预留载荷接口，可换装小型战斗部、组网通信模块等，拓展为边境封锁、组网警戒、察打一体等多种应用形态，兼具军用与民用安防价值。