[發明專利]無人機三自由度空中自主加油裝置

有效

• 申請號: 201610143932.0
• 申請日: 2016-03-14
• 公開（公告）號: CN105676859B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 段海濱;許衍;張聰;羅琪楠
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種無人機三自由度空中自主加油裝置，其特征在于：所述無人機包括加油機和受油機，該裝置安裝在加油機上，該裝置分為機械結構和控制系統兩部分；

所述機械結構包括一個機械平臺、加油桿、三個舵機、兩個攝像機和一個攝像機安裝架；

所述機械平臺用于固定安裝電源、英特爾微型計算機NUC模塊、單片機模塊和阻尼模塊；機械平臺下方安裝懸掛加油桿；所述三個舵機中每個舵機控制一個自由度，并相應配套舵盤完成機械運動；三個舵機采用相互垂直的安裝方式，分別完成加油桿的偏航、俯仰和伸縮運動；

所述舵盤分為兩個第一舵盤和一個第二舵盤；兩個第一舵盤為U字型，開口端分別固定在偏航和俯仰舵機上并且所在平面相互垂直，各自完成對相應自由度的控制；第二舵盤為圓盤形，固定在伸縮舵機上，完成加油桿的伸縮自由度的控制；

所述單片機模塊用于接收NUC模塊解算的加油機與受油機之間的視覺測量結果，通過單片機模塊的計算單元處理形成舵機指令，執行機構將舵機指令傳輸給舵機完成相應指令；

所述阻尼模塊包括兩個阻尼桿，對加油桿三個自由度運動起到阻尼作用；

所述的攝像機安裝架為T字型，倒裝在機械平臺下方，兩端以中間對稱分別各安裝一個攝像機，用于采集加油機當前航拍的圖像；圖像通過通信機構傳輸給NUC模塊，完成視覺信息解算，得到加油機與受油機的位置姿態；

控制系統包括：位姿信息處理單元、舵機控制單元和電源單元；

所述位姿信息處理單元負責對NUC模塊利用視覺信息算法處理得到的位姿關系進行處理，得到舵機的動作指令；

所述舵機控制單元負責將舵機動作指令轉換成舵盤旋轉角度，帶動舵盤完成相應動作；

所述電源單元為整個硬件系統提供電源；

所述裝置具體工作步驟如下：

步驟一：加油桿初始狀態為受到阻尼桿拉力的自然下垂狀態；當NUC模塊將視覺解算結果通過串口通信傳輸給單片機模塊，單片機模塊利用兩機之間的相對距離求得加油桿相對于飛行平面所需調整的角度；所述視覺解算結果為兩個無人機的坐標轉換關系，是一個旋轉矩陣R和一個平移矩陣T；

步驟二：舵盤角度由其內置機構決定，將舵盤的行程角度轉換成0到2500的編碼；在得到上述角度信息后，位姿信息處理單元將轉換得到的編碼傳輸給舵機控制單元，再由舵機控制單元帶動舵機進行動作；

其中，在步驟一中，對加油桿進行建模：

步驟1.1AB、BC為二自由度舵機組的舵面，AB是控制偏航的舵面，BC為控制俯仰的舵面；CO為加油桿，O點為加油桿端點，CO垂直于BC；

步驟1.2已知桿的狀態，求解空間坐標：

分別以A、B、C三點為原點建立“前—右—下”三個坐標系；設加油桿長為L，則O點在C系下的坐標為X_c，偏航角為ψ，俯仰角為θ，現求解O點在A系下的坐標；

為求得O點在A系下坐標，需將C系依次變換到B系、A系，即X_c→X_B→X_A

A.X_c→X_B

設C系到B系旋轉矩陣為R_CB，位移矩陣為T_CB；C系繞Y_C軸旋轉θ，再平移向量T_CB，得到B系

X_B＝R_CBX_C+T_CB(1)

其中

B.X_B→X_A

設B系到A系旋轉矩陣為R_BA，位移矩陣為T_BA；B系繞Z_A軸旋轉ψ，再平移向量T_BA，得到A系

X_A＝R_BAX_B+T_BA(2)

其中

C.X_A→X_S

X_S為舵機組坐標系原點，將A系平移向量T_AS即得到S系

X_S＝X_A+T_AS(3)

其中

綜上，由式(1)-(3)式得到加油桿端點O在S系下坐標為

X_S＝R_BAR_CBX_C+R_BAT_CB+T_BA+T_AS(4)

令X_S＝RX_C+T，則

R=RBARCB=cosψ-sinψ0sinψcosψ0001·cosθ0sinθ010-sinθ0cosθ=cosψcosθ-sinψcosψsinθsinψcosθcosψsinψsinθ-sinθ0cosθ---(5)]]>

T=RBATCB+TBA+TAS=cosψ-sinψ0sinψcosψ0001·0-2858+-661838+-26815=28sinψ-92-28cosψ+26111---(6)]]>

因此O點從C系到S系的變換公式為

XS=cosψcosθ-sinψcosψsinθsinψcosθcosψsinψsinθ-sinθ0cosθ·XC+28sinψ-92-28cosψ+26111---(7)]]>

O點在C系下坐標為X_c(O)＝(L,0,0)^T，在S系下坐標為X_S(O)＝(x_S,y_S,z_S)^T，代入式(7)得到

xsyszs=L cosψcosθ+28sinψ-92L sinψcosθ-28cosψ+26-L sinθ+111---(8)]]>

步驟1.3加油桿位姿關系逆解：

由視覺算法測量解算受油口相對加油機的空間坐標；該坐標經過坐標變換得到加油桿端點O的目標位置X_S(O)；因此，需要由X_S(O)推算出桿的位姿關系

Xg=Lψθ;]]>

A.加油桿的長度L

由于L相比于從A系到S系的位移矩陣中每個參數大很多，將桿的另外一個端點移到S系原點，則

L≈xS2+yS2+zS2---(9)]]>

B.加油桿俯仰角θ

θ=sin-1111-zSxS2+yS2+zS2---(10)]]>

C.加油桿偏航角ψ

ψ=sin-1(yS-26L2cos2θ+784)+sin-1(28L2cos2θ+784)---(11)]]>

由上述步驟，就能得到加油桿需要的俯仰、偏航角度以及桿的距離參數；之后就能通過通信協議將這些指令傳輸給舵機控制單元。