一種基于機(jī)器視覺的空中受油引導(dǎo)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于飛行控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種基于機(jī)器視覺引導(dǎo)的空中受油引導(dǎo)控制方法。本發(fā)明是針對(duì)為拓寬作戰(zhàn)范圍為提高成功回收的幾率，具有加受油功能的飛機(jī)。其特征在于，實(shí)現(xiàn)空中加油的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確測量加油錐管和受油機(jī)之間的相對(duì)位置，以及對(duì)受油機(jī)實(shí)施有效的引導(dǎo)和控制。對(duì)于視覺引導(dǎo)系統(tǒng)來說，可以分為視覺導(dǎo)航與引導(dǎo)控制兩個(gè)主要組成部分。假定加油機(jī)進(jìn)行定高勻速直線平飛，在加油機(jī)的加油錐管上安裝輔助光學(xué)標(biāo)記，受油機(jī)上安裝攝像機(jī)，采用視覺測量技術(shù)實(shí)時(shí)測量加油錐管的位置和姿態(tài)，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)娘w行控制率對(duì)受油機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)，完成加油對(duì)接。本發(fā)明適應(yīng)受油任務(wù)特點(diǎn)、降低受油任務(wù)過程中飛行員操縱負(fù)擔(dān)，大大提高受油任務(wù)成功率。
【專利說明】—種基于機(jī)器視覺的空中受油引導(dǎo)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空飛行控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種基于機(jī)器視覺引導(dǎo)的空中受油引導(dǎo)控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]空中加油技術(shù)簡單地說，就是在空中一架航空器給另一架或數(shù)架航空器(或直升機(jī))加注燃油，使其航程加大，續(xù)航時(shí)間增長的技術(shù)。
[0003]傳統(tǒng)的加油方法有軟管-浮錨式加油方法、飛桁式(硬管)加油方法，還有一種方式是將上述兩種方法結(jié)合起來的混合式。不論空中加油機(jī)是采用上述任一種的空中加油設(shè)備或作業(yè)方式，其過程都大致如下:首先是加油機(jī)和受油機(jī)必須依照預(yù)定時(shí)間在預(yù)定地點(diǎn)會(huì)合，才能進(jìn)行空中加油作業(yè)。然后受油機(jī)和加油機(jī)實(shí)施銜接，銜接成功之后加油系統(tǒng)依據(jù)信號(hào)自動(dòng)接通油路。加油完畢后，受油機(jī)依據(jù)加油機(jī)的指揮進(jìn)行脫離，整個(gè)加油過程便順利完成。
[0004]在此過程中，在導(dǎo)航方法的選取上，當(dāng)加\受油機(jī)距離較遠(yuǎn)的情況下(大概3.2km左右)，傳統(tǒng)的慣導(dǎo)和GPS導(dǎo)航往往用于引導(dǎo)受油機(jī)靠近加油機(jī)，組成精確的加油編隊(duì)；在兩機(jī)距離比較近時(shí)(一般10m以內(nèi))，GPS已經(jīng)不能滿足自動(dòng)空中加油的精度要求，現(xiàn)代化的空中加油作業(yè)仍然需要飛行員正確且細(xì)心的操作，需要加油機(jī)與受油機(jī)的配合協(xié)調(diào)，才能安全完成加油任務(wù)。這樣加重了駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)并且成功率不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:本發(fā)明主要針對(duì)空中受油任務(wù)，提供一種基于機(jī)器視覺引導(dǎo)的空中受油引導(dǎo)控制方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于機(jī)器視覺引導(dǎo)的空中受油引導(dǎo)控制方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0007]第一，定義加油機(jī)、受油機(jī)、加油錐、攝像頭所在的坐標(biāo)系，通過各個(gè)坐標(biāo)系之間的變換來描述幾何位姿關(guān)系，視覺測量系統(tǒng)的功能就是求解加油錐坐標(biāo)系的中心到攝像機(jī)坐標(biāo)系中心(加油探頭)的距離；第二，對(duì)攝像頭采集圖像進(jìn)行彩色空間(RGB)到色相、飽和度和明度(HSV)化處理，H、S、V三個(gè)通道的圖像，選取其中的H、S通道圖像進(jìn)行給定閾值分害I]，此時(shí)，可以得到二值化的圖像；二值化圖像存在噪聲，用腐蝕，膨脹等形態(tài)處理，把噪聲去掉，對(duì)兩個(gè)通道的二值圖像進(jìn)行融合，然后檢測到LED光點(diǎn)，并為最后加油錐與攝像機(jī)相對(duì)位姿測量做準(zhǔn)備。RGB到HSV的變換的數(shù)學(xué)公式如下式所示:
[0008]

【權(quán)利要求】
1.一種基于機(jī)器視覺引導(dǎo)的空中受油引導(dǎo)控制方法，其特征在于，包括如下步驟:第一，定義加油機(jī)、受油機(jī)、加油錐、攝像頭所在的坐標(biāo)系，通過各個(gè)坐標(biāo)系之間的變換來描述幾何位姿關(guān)系，求解加油錐坐標(biāo)系的中心到攝像機(jī)坐標(biāo)系中心(加油探頭)的距離；第二，對(duì)攝像頭采集圖像進(jìn)行彩色空間(RGB)到色相、飽和度和明度(HSV)化處理，H、S、V三個(gè)通道的圖像，選取其中的H、S通道圖像進(jìn)行給定閾值分割，此時(shí)，得到二值化的圖像；二值化圖像存在噪聲，用腐蝕，膨脹等形態(tài)處理，將噪聲去掉，對(duì)兩個(gè)通道的二值圖像進(jìn)行融合，然后檢測到LED光點(diǎn)，并為最后加油錐與攝像機(jī)相對(duì)位姿測量做準(zhǔn)備；RGB到HSV的變換的數(shù)學(xué)公式如下式所示:
由于檢測對(duì)象是加油錐上的紅色LED點(diǎn)，通過RGB顏色空間到HSV空間的變換，得到三個(gè)通道H、S、V的值，然后對(duì)S通道的圖像進(jìn)行閾值分割，可以檢測到目標(biāo)點(diǎn)；第三，進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配，即匹配標(biāo)記連續(xù)幀圖像對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的位置；之前已經(jīng)采集到加油錐特征點(diǎn)P」在圖像上的投影方程，假定投影點(diǎn)集為A )，從攝像機(jī)采集圖像提取特征點(diǎn)得到的觀測點(diǎn)集為{Pl，P2,...pn}，其中Pj= (Uj, Vj)是圖像坐標(biāo)，而對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)集為
其沖Λ =(七Λ)是利用針孔投影成像模型計(jì)算得到的圖像坐標(biāo)；對(duì)于點(diǎn)集Pj,Pj，計(jì)算兩者之間的歐式距離矩陣Err，矩陣大小為mXn:
點(diǎn)集對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型如下: 假設(shè)有兩個(gè)點(diǎn)集A，B, Sik表示集合A中的點(diǎn)i與集合B中的點(diǎn)k之間的歐式距離，要建立A、B兩個(gè)點(diǎn)集之間的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即轉(zhuǎn)化為如下公式:
其中 S= (Sij I Sij = dist (aj, bj), aj e A, bj e B, i = 1...N, j = 1...M}； 測量得到LED點(diǎn)在圖像上的位置信息,然后與加油錐上的標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來,對(duì)應(yīng)點(diǎn)標(biāo)記可轉(zhuǎn)化為上述數(shù)學(xué)指派問題； P表示LED點(diǎn)在加油錐上的位置:
P= {p1；..., pN} A表示點(diǎn)集P通過旋轉(zhuǎn)矩陣R和轉(zhuǎn)移向量t以及攝像機(jī)投影變換到圖像坐標(biāo)系的點(diǎn)集:
A = Ia1 j...j aN}
B表示圖像檢測得到的特征點(diǎn)集:
B {bi，...，bf^} C表示點(diǎn)集A與點(diǎn)集B對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配，定義如下:
C = {(au bj) e A, b」e B} 第四，在特征點(diǎn)匹配后，進(jìn)行位姿計(jì)算，加油錐圖像特征點(diǎn)2D到3D的轉(zhuǎn)化，通過旋轉(zhuǎn)、縮放矩陣R和平移向量T的幾何變化，獲得加油錐到攝像機(jī)坐標(biāo)系的相對(duì)距離信息，然后轉(zhuǎn)化得到相對(duì)于受油機(jī)坐標(biāo)系的位置信息[Xte5glffi Ydrogue ZdroguJ ;已知受油機(jī)加油管在受油機(jī)坐標(biāo)系的位置信息[xpMbe yprobe zprobJ，那么空中加油的控制輸入為:
有GLSDC和LHM兩種算法來估計(jì)攝像機(jī)坐標(biāo)系下加油錐的位置和Euler角姿態(tài)[-< V；' 4 Ψ: θ: φ] 在機(jī)器視覺測量系統(tǒng)獲取受油機(jī)上授油錐的姿態(tài)和位置信息后傳給受油機(jī)的控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)受油機(jī)自身的姿態(tài)、位置信息與從機(jī)器視覺測量系統(tǒng)獲取的授油錐的信息進(jìn)行結(jié)算，得到受油機(jī)與授油錐之間的相對(duì)距離矢量!"^^與期望相對(duì)距離r相減得到誤差信號(hào)e ；e通過控制器模塊產(chǎn)生控制指令u以控制受油機(jī)。
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK104133480SQ201410154224
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】范彥銘, 張楊, 楊寧, 邵錚 申請(qǐng)人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所