[发明专利]一种基于不变特征的锥套位姿解算方法

说明书

本发明公开了一种基于不变特征的锥套位姿解算方法，包括获取可用于不变特征构建三维空间信息的物理量；提取圆特征的图像信息，并根据圆特征解算位姿，得到两组可能的位姿解；提取图像中三线特征的图像信息，计算得分得到有效三线特征；利用有效三线特征，分别求解得到每个三线特征的位置参数；根据模型坐标系与世界坐标系的约束关系，选择正确姿态解；求解锥套姿态初始解；根据模型坐标系与世界坐标系的约束关系，求解锥套位置初始解；优化锥套位姿。本发明克服了自主空中加油近距视觉导航中锥套形变会影响特征三维空间信息的准确性从而导致单目视觉位姿解算精度下降问题，具有更简单的图像信息与空间信息的对应关系，便于特征的配准。

技术领域

本发明涉及计算机视觉领域，尤其涉及一种自主空中加油场景下单目视觉锥套位姿解算方法。

背景技术

空中加油技术自上世纪二十年代发明以来，对航空业产生能力巨大的影响。空中加油技术可以大大提到战斗机的作战能力，也可以为国际航班和运输的减少约30-40%的燃料。随着无人航空器的发展，自主空中加油(Aerial Autonomous Refueling，AAR)也应运而生，顺势而为。AAR可降低有人机空中加油的操作风险，还可实现无人机的自主加油，是现代航空领域的重要研究方向之一。

现有的文献报道中空中加油方式可分成软管式和硬管式两种。其中软管式空中加油方式由于经济性和灵活性，且被更多国家掌握，被证实更适合用于航空器的自主空中加油场景。我国主要应用的即为软管式空中加油方式。软管式加油系统由加油泵、调压系统、加油软管及锥套等组成，尾端的锥套装置连接软管，在运动过程中依靠气动力与软管拖拽力将撑开并在一定范围内运动。受油机的探头进入稳定伞内部的加油口并与之啮合并锁定，即可进行进一步的油料传输。软管式空中加油的关键之一是在近距(距离在1m-20m之间)的情况下，实时获取加油锥套与受油插头之间精确的实时位姿信息，尤其是在两者靠近的对接阶段(1m以内)，相对位置误差需保持在厘米级。INS（Inertial Navigation System，惯性导航系统）和GPS（Global Positioning System，全球定位系统）等传统的机载导航方式的相对定位精度低且存在应用场景的限制，不适合空中加油近距场景尤其是对接阶段。单目视觉具有结构简单、便于标定、维护方便有效视场大等优点，是目前空中加油对接阶段引导受油机探针与锥套的常用导航方法。

自美国率先验证了主空中加油项目（AAR）以来，各国借鉴其利用多个LED光标进行位姿解算的VisNav视觉导航系统的经验，开展了大量研究工作。现有的大多数自主空中加油视觉导航方法，常采用安装在锥套伞骨上的光学标记辅助的位姿解算方法，包括LED光标、光敏材料标记等。此外，也有一部分研究利用锥套自身的圆形特征进行位姿解算，但单圆位姿解算存在二义性的问题。

然而，由于锥套伞骨之间采用柔性连接的方式，在飞行过程中依靠气流将伞面撑开，锥套上铰链在加油口不同位置伞骨会随着气流变化在不同作用力的情况下和加油口平面法向量形成不同的夹角，使得锥套稳定伞呈现类似伞状的不同程度的开合状态。而单目视觉位姿测量技术中十分需提前获知三维空间信息，且确保二维图像信息与三维空间信息之间的准确对应。柔性的锥套结构使得三维空间信息处于实时变化的状态，不考虑锥套这一柔性结构的形变导致的空间结构变化会直接影响约束方程的准确性，导致了锥套位姿解算精度的降低，甚至解算失效的情况。

发明内容

发明目的：本发明为了克服柔性锥套结构形变带来的锥套位姿估计精度低，从而影响空中加油任务成功与否的问题，本发明从锥套自身结构出发，分析柔性锥套在飞行过程中的形变特点，提出了一种基于不变特征的锥套位姿解算方法。

技术方案：本发明的基于不变特征的锥套位姿解算方法，具体包括如下步骤：

步骤1、获取可用于不变特征构建三维空间信息的物理量，所述物理量包括圆特征和三线特征；

步骤2、提取圆特征的图像信息，并根据圆特征解算位姿，得到两组可能的位姿解，包括两个法向姿态 (维的单位向量)和两个位置 (维的向量)，其中；