[發明專利]仿猛禽視覺導航的自主空中加油對接半物理系統及其方法

有效

• 申請號: 202010065454.2
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111258231B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 段海濱;孫永斌;謝磊;鄧亦敏;梁慶;魏晨;馬波
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;中國航空工業集團公司成都飛機設計研究所
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 李娜;王順榮

本發明公開一種仿猛禽視覺導航的自主空中加油對接半物理系統及其方法；系統包括加/受油機抗干擾底層控制模塊、多干擾軟管?錐套穩定控制模塊、視景與顯示模塊、使能與選擇模塊、仿生視覺近距相對導航模塊、受油機相對位置精確控制模塊。本發明提高了錐套區域及標志點的檢測效率及準確性；給出了仿生視覺導航與GPS導航源的切換邏輯，提供三種不同視覺導航方法，解決錐套距離較遠或標志點被部分遮擋情況下的視覺導航問題且視覺導航精度較高，能夠實現對接區域全過程視覺導航，提高視覺導航抗干擾性、穩定性；設計了GPS與視覺導航信號下的受油機相對位置控制律，能較好抑制近距對接過程中受油機受到的不同風干擾，提高相對位置控制精度。

技術領域

本發明涉及一種仿猛禽視覺導航的自主空中加油對接半物理系統及其方法，屬于無人機自主導航與控制領域。

背景技術

自主空中加油(Autonomous Aerial Refueling,AAR)技術是解決無人機在載重和續航能力上的缺陷提高無人機性能的一種有效途徑，空中加油技術通過提升無人機的續航能力可以顯著的提高無人機的任務執行能力，提高無人機的自主性。

軟式自主空中加油主要分為會合、對接、加油和分離四個階段，相比于其它階段，軟式空中加油對接階段面臨的情況最復雜，對導航與控制系統的要求最高、最難。軟式自主空中加油對接階段不僅需要準確獲取多種風干擾下加油錐套的位姿信息，而且需要對受油機進行相對位置精確控制，因此設計合理高效的無人機自主空中加油導航與控制方法至關重要。本發明旨在通過設計一種基于仿猛禽視覺導航的自主空中加油對接系統及其方法，提高無人受油機在對接過程中的近距導航與相對位置控制精度，促進軟式自主空中加油的成功實現，提高無人機的自主能力。

目前，自主空中加油過程中常用的導航技術包括慣性導航系統、差分GPS(GlobalPositioning System，GPS)系統等。慣性導航系統存在隨著時間不斷累加誤差的缺陷；GPS技術雖然使用起來非常方便，但是由于其依靠衛星來定位，精度和抗干擾能力有待加強。再者，由于與加油機相連的錐套在多種風干擾下相對于加油機的位置和姿態不斷變化，即使通過慣性和GPS導航得到了加/受油機之間的相對位置和姿態信息，也無法實現加油錐套和受油探頭之間的準確對接，因此傳統的導航方式無法實現加油錐套與受油探頭的近距相對導航。同時，在自主空中加油不同階段受油機的控制目標不同，對接階段的前后存在GPS與視覺信號的切換，因此需要設計無人受油機前向、側向與高度方向的精確相對位置控制。本發明針對現有軟式自主空中加油導航方法在加油錐套與受油探頭近距導航上的可行性、抗干擾性以及精確性等方面的不足，并且考慮GPS與視覺切換的受油機位置精確控制率，基于仿生視覺設計了仿猛禽視覺導航的自主空中加油對接半物理系統及其方法。

視覺導航技術通過圖像處理來提取目標的特征點進行位姿測量，從而為無人機提供導引信息。相對于其它導航系統，視覺傳感器具有輕便、低功耗、體積小、重量輕、成本低等特點，此外視覺導航系統的工作波段遠離當前電磁對抗的頻率范圍，在近距測量錐套的位置與姿態信息時精度較高。鑒于視覺導航能夠滿足多風干擾下加油錐套擺動過程中的位姿測量要求，與對接階段近距相對導航的穩定性、精確性、抗干擾性等要求有著緊密的契合之處，本發明提出了一種基于仿猛禽視覺導航的自主空中加油對接半物理系統及其方法，以解決現有軟式自主空中加油對接階段錐套位姿精確測量與受油機抗多風干擾位置精確控制上的不足，中國發明專利申請公開號為CN109085845A，名稱為一種自主空中加油對接仿生視覺導航控制系統及方法的發明專利申請，給出了一種針對自主空中加油對接導航與控制問題的系統及方法，但其缺陷是系統采用全數字仿真，仿真系統不夠真實；同時對近距導航過程中遠距標志點檢測不到及近距標志點遮擋兩種情況采用相同的處理方式，造成近距遮擋時視覺導航重投影誤差較大；并且控制系統在近距對接過程中沒有考慮多風干擾的影響，所設計的控制系統適用性較差。本發明提出的半物理系統及方法從更加全面、真實的角度解決自主空中加油對接過程中的導航與控制問題，以促進軟式自主空中加油近距對接地順利實現，有效提高無人機自主性。

發明內容