[发明专利]一种自主空中加油对接仿生视觉导航控制系统及方法

说明书

本发明一种自主空中加油对接仿生视觉导航控制系统及方法，该系统包括：加/受油机底层控制模块、多干扰软管‑锥套稳定控制模块、使能与选择模块、近距视觉相对导航模块、受油机相对位置精确控制模块。该方法如下：步骤一：受油机、软管‑锥套、多种风干扰建模，给定初始状态；步骤二：锥套位置稳定控制；步骤三：加/受油机相对位置计算，视觉使能判断；步骤四：相对位置精确控制；步骤五：利用仿鹰眼颜色视觉进行导航方法选择；步骤六：锥套所有标志点检测正常的近距视觉导航；步骤七：锥套距离远或者部分标志点被遮挡情况下的近距视觉导航；步骤八：选择利用GPS信号或视觉导航信号控制，并设计视觉导航下的控制；步骤九：判断对接是否成功。

技术领域

本发明涉及一种自主空中加油对接仿生视觉导航控制系统及方法，属于无人机导航与控制领域。

背景技术

自主空中加油(Autonomous Aerial Refueling,AAR)技术是解决无人机在载重和续航能力上的缺陷提高无人机性能的一种有效途径，空中加油技术通过提升无人机的续航能力可以显著的提高无人机的任务执行能力，提高无人机的自主性。

软式自主空中加油主要分为会合、对接、加油和分离四个阶段，相比于其它阶段，软式空中加油对接阶段面临的情况最复杂，对导航与控制系统的要求最高、最难。软式自主空中加油对接阶段不仅需要准确获取多种风干扰下加油锥套的位姿信息，而且需要对受油机进行相对位置精确控制，因此设计合理高效的无人机自主空中加油导航与控制方法至关重要。本发明旨在通过设计一种自主空中加油对接仿生视觉导航控制系统及其方法，提高无人受油机在对接过程中的近距导航与相对位置控制精度，促进软式自主空中加油的成功实现，提高无人机的自主能力。

目前，自主空中加油过程中常用的导航技术包括惯性导航系统、差分GPS(GlobalPositioning System，GPS)系统等。惯性导航系统存在随着时间不断累加误差的缺陷；GPS技术虽然使用起来非常方便，但是由于其依靠卫星来定位，精度和抗干扰能力有待加强。再者，由于与加油机相连的锥套在多种风干扰下相对于加油机的位置和姿态不断变化，即使通过惯性和GPS导航得到了加/受油机之间的相对位置和姿态信息，也无法实现加油锥套和受油探头之间的准确对接，因此传统的导航方式无法实现加油锥套与受油探头的近距相对导航。同时，在自主空中加油不同阶段受油机的控制目标不同，相同的控制率无法满足不同的控制目标，仅对接阶段的前后存在GPS与视觉信号的切换，因此需要设计无人受油机前向、侧向与高度方向的精确相对位置控制。本发明针对现有软式自主空中加油导航方法在加油锥套与受油探头近距导航上的可行性、抗干扰性以及精确性等方面的不足，并且考虑GPS与视觉切换的受油机位置精确控制率，基于仿生视觉设计了一种自主空中加油近距相对导航与控制系统及其方法。

视觉导航技术通过图像处理来提取目标的特征点进行位姿测量，从而为无人机提供导引信息。相对于其它导航系统，视觉传感器具有轻便、低功耗、体积小、重量轻、成本低等特点，此外视觉导航系统的工作波段远离当前电磁对抗的频率范围，在近距测量锥套的位置与姿态信息时精度较高。鉴于视觉导航能够满足多风干扰下加油锥套摆动过程中的位姿测量要求，与对接阶段近距相对导航的稳定性、精确性、抗干扰性等要求有着紧密的契合之处，本发明提出了一种自主空中加油对接仿生视觉导航控制系统及其方法，以解决现有软式自主空中加油对接阶段锥套位姿精确测量与受油机位置精确控制上的不足，促进软式自主空中加油近距对接地顺利实现，有效提高无人机自主性。

发明内容

本发明提供了一种自主空中加油对接仿生视觉导航控制系统及方法，其目的是提供一种软式自主空中加油对接过程中的导航控制系统及方法，旨在提高自主空中加油对接阶段近距相对导航的可靠性、抗干扰性以及精确性，并且设计与之相匹配的带有控制切换的相对位置精确控制方法，从而提高近距导航与控制的精度，促进软式自主空中加油的顺利实现，提高无人机的自主能力水平。

本发明针对软式自主空中加油对接阶段近距导航与控制问题，开发了一种自主空中加油对接仿生视觉导航控制系统，具体如下：