[发明专利]一种用于自主空中加油的圆形锥套视觉位姿解算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于自主空中加油的圆形锥套视觉位姿解算方法。

背景技术

空中加油能够延长航空器的飞行时间和作用范围，而自主空中加油(Aerial Autonomous Refueling，AAR)可为有人机空中加油降低风险，还可用于无人机，是现代航空领域的重要挑战之一。目前我国主要采用插头-锥套式(软式)空中加油方式，即加油机拖曳一根软管，软管末端挂载伞状的加油锥套，受油机通过飞行控制使得安装在机头区域的受油插头与加油锥套完成对接，进而实现油料的空中传送。

在此过程中，较为关键的一步是受油机在近距(距离在1m～20m之间)的情况下如何获得加油锥套与受油插头之间的精确相对位置和姿态信息，一般至少要求在对接时(即距离为1m以内)的位置误差要小于10cm，加油锥套端面中心与受油插头顶点的连线和加油口中轴线之间的角度偏差要小于10°。考虑到加油机尾流和大气紊流的影响，INS(Inertial Navigation System，惯性导航系统)和GPS(Global Positioning System，全球定位系统)等传统的导航方式定位精度较低，通常采用近距定位精度高、价格便宜、重量轻的视觉导航系统。为了提高系统的可靠性和精度，也会利用INS与视觉导航相组合的方式。

现有的大多数AAR视觉方法常采用特殊的光学标记安装在加油锥套上，包括LED光标、人工特殊颜色标记等。如美国国防预研局和NASA Dryden飞行研究中心早期联合发起的自主空中加油项目(AAR)中就使用了一套VisNav系统，该VisNav系统就需要在加油锥套上安装多个LED光标，而后利用半导体位置探测器PSD进行图像定位(见董新民，徐跃鉴，陈博，《自动空中加油技术研究进展与关键问题》，《空军工程大学学报(自然科学版)》，2008(12)，9(6)：1-5)。另外，国内空军工程大学的王旭峰等建立了自主空中加油的一个视觉相对导航半物理地面试验平台，并在加油锥套断面区域加装了红色标识环带，以增强特征区域与背景图像的对比度，从而可通过色彩识别获得图像定位信息(见王旭峰，董新民，孔星炜，《机器视觉辅助的插头锥套式无人机自主空中加油仿真》，《科学技术与工程》，2013(6)，13(18)：5245-5250)。而北航的解洪文等则在加油锥管端面上放置多个光学标记，并采用双目视觉的方式求解相对位置和姿态参数(见解洪文，王宏伦，《基于双目视觉的自动空中加油近距导航方法》，《北京航空航天大学学报》，2011，37(2)：206-209)。

上述这些方法要求加油锥套安装额外的光学标记，特别是需要供电的LED光标，增加了空中加油操作的风险。因此，一种不依靠额外标记、仅利用加油锥套本身特征的AAR视觉方法就具有更好的通用性、便利性和安全性。

通过对加油锥套形状特征的分析，可知其内部加油口为圆形的，半径约为13cm，成像后在图像中呈现明显的黑色圆块或椭圆块，利用这一明显的自身形状特征可降低图像定位处理的计算量，精确的图像定位结果能够为进一步的圆形特征视觉位姿解算提高精度。随着无人机的发展，自主空中加油的需求也就越来越迫切，而不依靠额外光学标记的自主空中加油视觉导航方法具有较高的通用性和便利性，特别是基于加油锥套内部圆形加油口的计算机视觉方法特征明显，图像处理速度快，后续的视觉位姿解算过程计算量小。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的自主空中加油方法中需要安装额外光学标记的不足、额外的带电装置带来更高的空中加油危险性的不足等，本发明从仅依赖加油锥套自身特征出发，提供一种用于自主空中加油的圆形锥套视觉位姿解算方法，该方法从投影变换关系出发，分别在摄像机坐标系和世界坐标系下建立圆形投影锥面方程，并根据“旋转变换不改变系数矩阵特征值”这一特性，计算世界坐标系下圆形投影锥面方程系数矩阵中的未知参数，进而可求解摄像机和加油锥套之间的位置和姿态信息，进一步可获得受油机受油插头和加油机加油锥套之间的相对位姿参数。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于自主空中加油的圆形锥套视觉位姿解算方法，仅利用加油锥套自身内部圆形加油口特征，分别在摄像机坐标系和世界坐标系下建立圆形投影锥面方程，并根据旋转变换不改变系数矩阵特征值这一特性，计算世界坐标系下圆形投影锥面方程系数矩阵中的未知参数，进而可求解受油插头和加油锥套之间的位置和姿态信息，具体包括如下步骤：

步骤1、载入内部加油口成像椭圆在图像坐标系下的平面方程、摄像机标定矩阵和圆形特征的半径，具体包括：