捕捉技术应用于反无人机装置的仿生智能与机器人防御设备设计

仿生智能与机器人2（2022）100060一种基于捕获技术的反无人机装置陈英子a，李志清a，李晓，李龙川a，马树根b，张富春a，范超aa北京化工大学信息科学与技术学院，北京100089b日本滋贺立命馆大学机器人系，邮编：525-8577A R T I C L E I N F O关键词：黑客无人机反无人机无损检测捕捉技术1. 介绍A B S T R A C T本文设计了一种基于捕获技术的设备，解决了黑客入侵无人机所带来的问题。我们介绍了一个捕获设备的设计，仿真，控制方案和实现。 防护罩的设计是为了防止捕捉网散开。选用大功率驱动器同时驱动电机运动，保证了周围六个发射机构的同步性。最后，我们进行实验，以确认设计的可行性。在捕获目标后，我们进行一个拉脱力测试以确认捕获网的稳定性。与现有的捕获方法相比，可调、快速、可靠、环保，可无损伤地捕获目标表1中的每种方法。因此，所有现有的捕获技术-近年来，无人机造成了许多破坏事件。随着无人机制造成本的降低和应用领域的增加因此，民用无人机越来越多地出现在人们的生活中然而，无人机也越来越暴露出其缺陷，如制造飞行干扰事件、危害公共安全、泄露国家机密、侵犯公民近年来，机场净空保护区经常受到无人机干扰，严重威胁机场的飞行安全。飞机一旦被无人机击中，很可能被直接穿透，遭受致命打击。当无人机接近其飞行路线时，飞机只能改变航向以避免碰撞，这可能会导致大范围的航班延误，并严重扰乱机场秩序[6，7]。此外，无人机在没有专业操作员的情况下，很可能在空中失去控制，撞上无人机收集信息的效率高，对工作环境要求低;因此，犯罪分子利用这些特点窃取信息，侵犯个人隐私，甚至威胁信息安全[8然而，许多反无人机技术可用于处理这些问题[12反无人机技术分为非破坏性和破坏性[16]。大多数国家禁止破坏非法无人机;因此，在这种情况下，首选非破坏性方法，包括劫持，欺骗，地理围栏，射频（RF）干扰和捕获。以前的研究[17]总结了现有的方法，我们列出了缺点*通讯作者。电子邮件地址：lizhiqing@mail.buct.edu.cn（Z. Li）。https://doi.org/10.1016/j.birob.2022.100060但耐克具有某些缺点。在全面分析这些局限性之后，我们提出了一种基于捕获技术的反无人机装置。随后，我们提供了一个概述所提出的装置，说明其电气控制结构和实验实现，并总结其技术突破。2. 硬件设计2.1. 系统组件捕获装置的主要材料为7075铝合金。图1a示出了移除了保护盖的装置的示意图，图1b示出了其侧视图。该装置包括底座、六个发射机构、中心发射机构、网罩、捕网和防护罩。在致动装置之前，捕集网被折叠并放置在网壳体内，并且保护盖防止捕集网散开。保护盖附接到中央发射机构的质量块。中心发射机构安装在底座的中心，用于弹出保护盖。在底座的外圈上等距安装有六个用于发射捕捉网的发射机构。每个发射机构通过调节螺钉附接到基座，以调节发射机构的安装倾斜。调整螺钉如图所示。3，捕获装置的规格列于表2。每个发射装置都包含一个质量块，将其连接到捕获网。六条牵引线从接收日期：2022年5月20日;接收日期：2022年7月12日;接受日期：2022年7月31日2022年8月12日在线提供2667-3797/©2022作者。由Elsevier B.V.代表山东大学出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表仿生智能与机器人学期刊主页：www.elsevier.com/locate/birobY. Chen，Z.利湖，加-地Li等人仿生智能与机器人2（2022）1000602Fig. 1. 捕获装置：（a）取下保护盖后的装置示意图。 (b)器械侧视图。 (c)扩大抓捕网。 (d)发射后的捕获装置。（e）发射机制的组成部分表1中和技术。破坏性名称的缺点劫持仅适用于使用已知协议的无人机[18，19]电子欺骗可能由于手动控制而失败[20，21]表2无损破坏性无法防御改装的无人机[22]射频干扰会影响附近的设施[23激光不能用于非军事设施[28，29]对目标无人机具有破坏性[30]防空武器不能用于非军事设施[31]在发射后，不要释放多余的垃圾未折叠捕获设备规格。数字参数值1长度346毫米2宽度346毫米3高度245毫米4重量3.31 kg所述发射装置包括位于捕获网的圆周上并连接到发射机构的质量块的第一壳体。两条线从捕获网的中心以相反的方向引导，一条连接到中心发射机构的质量块如图 1d，这种连接确保捕获设备保持在一个捕获网如图所示。 1杯图图1e显示了发射装置的组成部分。质量块的底部有四个比钢球稍大的小圆孔。在机构启动之前，我们对质量块施加压力，使其运行到极限，压缩大弹簧。 此时，控制信号被发送到电机，电机将推动钢球，使其保持在小孔和保持架之间。上述操作锁定具有弹性势能的质量块。当捕获装置接收到动作信号时，电机缩回;因此，钢球从小孔中返回，装置失去锁定质量块的能力，然后在弹性势能的作用这种机械结构确保了设备的可靠性，从而可以快速动作Y. Chen，Z.利湖，加-地Li等人仿生智能与机器人2（2022）1000603（）下一页（）下一页（）0（）0（）（3）0���0���−���������可以从等式（1）中获得λ的值。（二）、（）下一页表3图二. 捕获过程。表4目标规格。参数折叠展开长度270 mm 560 mm宽度80 mm 270 mm高度80 mm 100 mm重量5 kg 5 kg大弹簧的参数数字参数值1弹簧线材65Mn2抗拉强度1600MPa3弹簧节圆直径（D）36 mm4弹簧有效圈数5剪切模量（G）79GPa2.2. 动作过程目前，市场上有不同尺寸的无人机。捕获设备是根据无人机的最大尺寸设计的。表3示出了折叠和展开状态下的目标的规格。目标模型被简化为矩形组件（图1）。 2）简化分析和设计过程。舰载无人机瞄准目标、调整发射后在此，弹簧1和弹簧2分别表示压缩状态和释放状态下的弹簧力。此外，是弹簧释放期间的位移，0是质量块和主网的等效质量，中文（简体）���0是质量块的初速度。0和0的值是已知的。大弹簧的初始长度为0= 150 mm，并且大弹簧在压缩和释放状态下的长度为���1= 80 mm，���2= 134 mm。���1������������=保护性覆盖。 50毫秒后，周围的六个发射机构同时弹出质量块以释放捕获网。质量块的运动导致捕获网在飞行期间以六边形形状扩张。捕获网与目标碰撞后，质量块由于弹力将目标阻挡并锁定在捕获网内图2显示了装置的动作过程。3. 参数计算3.1. 大型弹簧尺寸计算根据设计要求，������ 质量块必须达到5mScins。根据对发射机构初速度的要求，设计了发射机构大弹簧的尺寸������大弹簧的现有参数如表4所示。弹簧钢丝的直径可通过以下公式计算：随后，我们使用方程计算弹簧钢丝直径（一）.3.2. 发射角度目标无人机的最大直径为560毫米，捕获网需要至少缠绕目标一次。因此，捕获网的最大直径设定为3米。假设目标与装置底座之间的距离也为 3 m. 图3示出了系统的总体布局。发射 机构和设备中心轴之间的角度0可以使用以下等式来获得：��� = arctan���= 26.565千克在这里，m= 1.5 m是目标中心与网的外边界之间的距离。设备底座与目标中心之间的距离为m= 3 m。为了防止捕捉网在碰撞前反弹，=8 3（一）目标扩展到最大尺寸后，角度θ0应小于26.565°。调节螺钉调节角度θ0的大小，这里，λ是弹簧刚度，λ表示弹簧钢丝的直径，λ是弹簧的节圆直径。此外，λ表示弹簧的有效线圈数������、发射机构主要将大弹簧的弹性势能转换为质量块的运动能。当量（2）根据动量守恒得到：1+可调范围在20° C和30° C之间。通过调整角度 0，该设备可以捕获不同大小的目标。4. 动力学建模4.1. 系统分析所提出的捕获设备基于舰载无人机平台工作。舰载无人机接近目标顶部后，2 2角度和动作速度，中央发射机构，Y. Chen，Z.利湖，加-地Li等人仿生智能与机器人2（2022）1000604{||||||，2图三. 系统的布局角度这里，���������是作用在质点上的外力，���������是作用在质点上的内力。净质量表示为 1;是捕获净粒子的数量，而���μ是粒子的加速度。质点的内力由弹簧和阻尼（）部队。如果粒子A和粒子B通过弹簧连接，两个质量粒子之间的相互作用力如下：������=������+������=(��� (������,���− 0)+��� (���������,��������� ⋅���������,���)) ���,���(5)，，，式中，表示弹簧弹性系数，是弹簧阻尼系数。此外，0表示弹簧的原始长度，和， 是粒子之间的长度 ， 当弹簧处于张力下时。粒子间的相对速度表示为作为一名 医生，，而，=−���������| ���−������| 是从到的单位向量。任意质点系的内力可以概括如下：������������=∑������=1（六）捕获装置释放捕获网以捕获目标。以来舰载无人驾驶飞机具有推力补偿，我们假设，当后坐力产生时，作用在网上的外力包括大气阻力和重力。用于计算平均值的公式如下所示������������=���0��� −1������2(7)哪里装置动作的瞬间。4.2. 捕获网由于捕获网是柔性的，我们使用基于其物理特性的织物建模技术来模拟其变形过程。在这里，我们使用质量弹簧模型（图1）。（4）构建捕集网[32]。该网被分成许多网格，每个网格包括四个粒子（n，n），并且相邻的网格由公共粒子连接。每个粒子都有物理参数，如质量、力和能量。质点在各种力的作用下的运动构成了网的运动。粒子之间的相互作用相当于一个无质量弹簧的作用。质量弹簧模型有三种类型的弹簧：结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧。因此，该模型可以模拟网在三种情况下的力学性能：是重力加速度，是空气阻力系数-ficient表示空气密度，表示捕获网和质量块的迎风面积，表示捕获网与空气的相对速度。通过使用等式（4）求解微分方程（4）， （6）和（7），得到各时刻质点运动参数，从而可以模拟网的动态特性4.3. 碰撞分析在模拟捕网运动时，需要通过计算捕网上一点到目标中心的距离来判断捕网是否与目标发生碰撞。捕获net只能在它们碰撞后开始环绕目标。为了便于分析，将目标简化为矩形形状。我们使用以下公式来检测是否发生碰撞沿着平面外弯曲。在质量弹簧模型中，每个质点同时承受内力和外力。粒子的加速度和 作 用 在其 上 的 力 之 间 的关 系 由 牛 顿 第二 定 律 （ 等 式10 ） 获 得（4））：���−���0 <∕2−���������<−（八）+=���1���̈（四）���−���0<闪烁���2 −���，（9a）|���≥闪烁2 −���。|≥ ���∕2 −���.（9b）见图4。 Mass–springY. Chen，Z.利湖，加-地Li等人仿生智能与机器人2（2022）1000605图五. 运动模拟如果捕获网上一点的坐标是（，，） ，则目标的中心坐标是（0，0，0）。目标长度、宽度和高度 分别为L、和λ;λ表示捕获网的厚度。当等式（8）和（9a）同时满足时，该点穿透长方体目标模型。当等式满足（8）和（9 b）时，捕获网可能与长方体目标模型的前平面和后平面碰撞。5. 运动学仿真对该装置的动作过程进行了运动学仿真。整个系统符合动量和机械能守恒定律。网比质量块轻得多，当带着质量块飞行时，网对质量块几乎没有影响。当质量块和网一起发射时，质量块将以其固有的速度和方向运行。由于六个质量块是等距安装的，因此网将沿着设备轴线跟随质量块，示出了中心位置。见图6。 电力系统。对称性在网的展开过程中，我们忽略了网的初始状态对其飞行的影响。在本文中，我们只模拟了质量块的运动和网络包裹目标的过程。质量块和防护罩的运动过程仿真如图所示。5点工作过程分为防护罩弹出、质量块弹出、捕捉网张开、捕捉网缠绕目标四个阶段。捕获网展开和包裹目标的模拟如图所示。5b.在运动惯性效应的作用下，抓捕网包裹住目标后会反弹。此时捕捉网变形但未张开，仍包裹住目标，证明该装置能达到良好的捕捉效果。回弹过程的运动模拟如图所示。 5 c.6. 实验6.1. 电气系统捕获设备的电气系统由28 V供应（图6）。控制器可以调节输出电压和电机速度使用脉冲宽度调制。直线电机在6 V至9 V的电压范围内运行，这由控制器确保。同时，控制器通过改变驱动器的电压电极来控制电机的往复运动。中心和周围的六个电机连接到驱动器的两个输出端口，以控制它们的时序。不同的驱动程序可能具有不同的特性。为了避免不同驱动器对电机同步的影响，我们将 将周围发射机构的六个电机连接到同一驱动器的同一输出端口。 驱动器的驱动能力必须大于六个电机的峰值电流之和， 电机的调速电压是一致的。此外，我们使用具有一致特性的电机来减少错误。上述方法保证了电机转速的一致性，实现了同步触发。6.2. 实验和结果捕获装置安装在距地面1.89米处，目标距地面0.68米。为了提高Y. Chen，Z.利湖，加-地Li等人仿生智能与机器人2（2022）10006062表5见图7。 捕获过程的实验。捕获网的帮助下，弹性势能，但也是可靠的。实验设备设备名称类型数量捕获设备测试1 -0 1目标无人机模型1直流电源SS-6030 KDS 1控制器RoboMaster-C 1驱动器LXDC2412D 1电机LA 10 - 031 P 7表6性能参数。数量性能参数数值1初始速度5.29米闪烁2发射距离103米3拔出力≥ 0.5 N4工作温度±100℃5工作电压DC 28 V实验，捕获装置，捕获网和目标的大小我们使用的是设计尺寸的1scin3（参见表2和表3）。捕获网由渔网和鱼线组成，最大直径为1米。用于实验的设备总结在表5中。实验结果如图所示。7，这表明捕获网充分包裹了目标。捕获网在随后的摇动试验中没有脱落，证明捕获装置的拉脱力不低于0.5 N。从释放质量块到球网与目标碰撞约需0.175 s。速度和距离的公式如下：+12=(10)通过求解Eq. （10）在φ= 0.175 s时，φ= 5.29 m scins，满足对初速的要求。捕获设备的性能参数列于表6中。由于捕获网的直径是目标长度的六倍，因此该装置具有较大的公差。只要目标位于捕获设备下方3 m以内，且在以设备中心为圆心半径为2.2 m7. 结论本文介绍了一种可在空中操作的拦截黑客无人机的拦截装置的动力学建模、运动仿真和初步实验。与现有的反无人机系统相比，这项研究提供了几个技术突破：首先，这种设备不仅可以瞬间弹出并快速打开二是保护罩、捕获装置、捕获网、舰载无人机连成一体，防止捕获时释放垃圾。第三，它可以在不破坏目标和保留指控证据的情况下工作。最后，可以调整捕获设备的发射角度以捕获不同大小的目标。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认国家自然科学基金（批准号：2000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000051935005）。附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.birob.2022.100060上找到。引用[1]B. 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