一种无人机地面跟踪测试系统及方法与流程

本发明涉及无人机测试，特别涉及一种无人机地面跟踪测试系统及方法。

背景技术：

1、fpv无人机对运动目标的自主跟踪能力是其遂行侦察、监视、跟飞及协同等任务的核心功能之一。在研制和测试阶段，需要对机载视觉跟踪算法、伺服控制系统的动态响应及整机跟踪稳定性进行全面验证。

2、传统的无人机跟踪测试主要依赖外场实际飞行，即让无人机在空中跟踪一个真实运动目标（如车辆、船舶或其他飞行器）。这种方式存在以下突出问题：（1）安全风险高且成本巨大：试飞过程中无人机面临坠毁、失联、撞机等风险，且组织外场试验涉及空域协调、场地租赁、气象窗口等待，人力物力消耗极大，严重拖长研发周期，推高研制成本。（2）测试环境不可控、复现性差：外场光照、风力、气流扰动及目标运动轨迹难以精确复现，导致测试结果随机性大，无法定量对比不同算法或参数下的跟踪性能，不利于故障复现与定位。（3）极端/边界工况难以注入：诸如目标快速越顶、大角度俯冲、近距离急剧交叉、短暂进入视场盲区等危险或极端场景，在外场真机试飞时几乎无法安全、准确、重复地实施，导致跟踪系统的边界性能和鲁棒性难以得到充分考核。（4）地面半实物仿真手段覆盖不全：现有的地面仿真测试中，多采用仅改变目标视景方位、俯仰的两轴转台或固定滑轨，而无人机本身通常为静止或仅提供有限姿态运动，无法同步模拟无人机跟踪过程中因机动产生的方位回转和俯仰姿态变化，无法为机载传感器构建与实际飞行一致的相对运动学关系和观测几何，导致跟踪回路测试与真实飞行工况存在较大偏差。

3、因此，目前亟需一种能够在地面可控环境下高保真复现目标运动与无人机全姿态变化的跟踪测试系统。

技术实现思路

1、本发明提供了一种无人机地面跟踪测试系统及方法，可以实现无人机跟踪高精度的地面化测试，安全可靠，可显著缩短研发周期，降低研发成本。技术方案如下：

2、本发明实施例提供了一种无人机地面跟踪测试系统，所述系统包括：外壳、目标模拟模块、无人机姿态模拟模块和信号处理器；

3、所述目标模拟模块包括目标方位环道、目标方位轴系、目标俯仰环道和目标俯仰轴系；所述目标方位环道安装于所述外壳上，所述目标俯仰环道内嵌于所述目标方位环道的内侧，以使两个环道形成正交的旋转框架结构；被跟踪的目标物固定于所述目标俯仰环道的内侧；所述目标方位轴系和所述目标俯仰轴系分别用于带动所述目标物进行方位和俯仰运动；

4、所述无人机姿态模拟模块包括无人机方位环道、无人机方位轴系、无人机俯仰环道、无人机俯仰轴系以及无人机次方位轴系；所述无人机方位环道安装于所述外壳上且与所述目标方位环道同轴嵌套布置；所述无人机俯仰环道内嵌于所述无人机方位环道的内侧，以使两个环道形成正交的旋转框架结构，所述无人机次方位轴系安装于所述无人机俯仰环道的内侧，无人机安装于所述无人机次方位轴系上；无人机在跟踪目标物的过程中改变自身姿态，以带动无人机俯仰环道、无人机方位环道及无人机次方位轴系依次运动；

5、所述信号处理器分别与各轴系上的驱动设备和传感设备电连接，以根据测试要求生成驱动指令并启动闭环控制。

6、在一种可能的设计中，所述外壳由上部的顶壁、次顶壁，下部的台面、次台面，以及侧壁组成。

7、在一种可能的设计中，所述目标方位轴系包括两组，每组目标方位轴系均为中空结构；所述目标方位环道的顶端通过一组目标方位轴系安装在所述次顶壁上，底端通过另一组目标方位轴系安装在所述次台面上；

8、所述无人机方位轴系包括两组，每组分别同轴穿过一组目标方位轴系的中空结构，且所述无人机方位环道的顶端通过一组无人机方位轴系安装在所述顶壁上，底端通过另一组无人机方位轴系安装在所述台面上。

9、在一种可能的设计中，所述目标方位轴系包括目标方位驱动电机、目标方位角度传感器、目标方位轴承和目标方位轴；所述目标方位驱动电机用于驱动所述目标方位轴旋转，以带动目标物做方位向运动；所述目标方位角度传感器用于测量目标物的方位角；

10、所述目标俯仰轴系包括目标俯仰驱动器、目标俯仰角度传感器、目标俯仰轴承和目标俯仰轴，所述俯仰驱动器用于驱动所述目标俯仰轴旋转，以带动目标物做俯仰向运动；所述目标俯仰方位角度传感器用于测量目标物的俯仰角。

11、在一种可能的设计中，所述无人机方位轴系包括无人机方位角度传感器、无人机方位轴承、无人机方位轴、无人机方位导电滑环和三维力传感器；所述无人机方位角度传感器用于测量无人机的方位角；

12、所述无人机俯仰轴系包括无人机俯仰角度传感器、无人机俯仰轴承、无人机俯仰轴和无人机俯仰导电滑环；所述无人机俯仰方位角度传感器用于测量无人机的俯仰角。

13、在一种可能的设计中，所述无人机次方位轴系包括次方位角度传感器、次方位轴承、次方位轴、次方位导电滑环和无人机载板，所述无人机载板通过导轨和锁止机构与所述无人机俯仰环道连接，以调节所述无人机相对于所述无人机姿态模拟模块的重心位置。

14、在一种可能的设计中，所述无人机载板上设有可拆卸的随形转接板，用于适配不同型号的无人机。

15、在一种可能的设计中，所述目标物为红外目标模拟阵列，所述红外目标模拟阵列包括呈n1×n2矩阵排列的多个独立控温加热区域，每个所述独立控温加热区域配置有温度传感器，用于通过独立调节各独立控温加热区域的温度以模拟单个或多个红外目标源。

16、在一种可能的设计中，所述外壳的侧壁由多块可独立拆装的板状结构组成，所述侧壁拆卸后用于设置风阻发生装置，以模拟水平方向的气流扰动；

17、所述外壳采用吸热材料制成。

18、本发明实施例提供了一种无人机地面跟踪测试方法，应用于上述任一可能设计中的无人机地面跟踪测试系统，方法包括：

19、接收目标参数设定指令，基于所述目标参数设定指令生成目标运动轨迹和温度控制曲线；

20、驱动所述目标模拟模块按照所述目标运动轨迹运动，并按照所述温度控制曲线调节所述目标物的温度；

21、在所述无人机跟踪所述目标物的过程中，获取所述无人机的当前俯仰角度，并基于所述当前俯仰角度动态分配所述无人机方位轴系与所述无人机次方位轴系的方位旋转驱动，以联动模拟所述无人机的全姿态变化；

22、在同一时间轴下同步采集所述目标模拟模块的运动状态数据、所述无人机姿态模拟模块的姿态与受力数据，以及所述无人机的运行参数，生成结构化测试数据集。

23、本发明实施例提供了一种无人机地面跟踪测试系统及方法。在该系统中，通过目标方位轴系与无人机方位轴系的同轴嵌套布置，从机械结构层面统一了目标与无人机的旋转中心，消除了传统分体式布局带来的偏心视差，确保了地面测试中相对观测几何与真实飞行工况的高度一致性。同时，通过在无人机姿态模拟模块中引入方位、俯仰和次方位轴系，可以分别模拟无人机在跟踪过程中平飞、直里飞的方位回转及俯仰姿态变化，实现了无人机全姿态范围内的连续、平稳跟踪模拟，能够在可控的地面环境中高复现地构建复杂跟踪场景，显著降低了外场试飞的风险与成本，缩短了研发周期，为无人机跟踪系统的边界性能考核与算法迭代提供了高效、安全的验证平台。