[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

摘要

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。

主权项

1.一种自主空中加油对接仿生视觉导航控制系统，其特征在于：该系统由5部分组成，分别为：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；1)加/受油机底层控制模块，包括加/受油机俯仰角、滚转角、偏航角与速度控制；俯仰角控制实现对升降舵的控制，内环设计为俯仰角速度的PI控制，同时比例反馈迎角对飞机进行增稳，外环设计为俯仰角的PI控制，解算得到内环俯仰角速度指令，实现俯仰角稳定与控制；滚转角控制实现对副翼的控制，内环设计为滚转角速度的PI控制，外环设计为滚转角的PI控制，解算得到内环滚转角速度指令，实现滚转角稳定与控制；偏航角控制实现对方向舵的控制，比例反馈偏航角速度进行增稳，并设计偏航角的PI控制，实现偏航角稳定与控制；速度控制实现对油门推力的控制，设计速度的PI控制，解算得到期望的发动机推力，实现速度的稳定与控制；自主空中加油对接阶段，受油机通过相对位置精确控制模块得到俯仰角、滚转角与速度指令，作为受油机底层控制模块的输入，由于采用定直侧滑侧向偏离控制，偏航角一直保持为零；加油机假设为定直平飞状态，俯仰角保持配平状态值，滚转角、偏航角保持为零；2)多干扰软管‑锥套稳定控制模块，包括软管‑锥套模型、多种大气扰动模型以及锥套位置稳定控制；软管‑锥套模型，包括软管多刚体动力学与运动学、锥套动力学与运动学，软管‑锥套组合体与加油机固连在一起，建立的软管‑锥套模型由多段质量集中的连杆即软管与可控锥套组成，各段连杆与锥套容易受到多种大气扰动的影响；多种大气扰动模型，包括大气紊流、加油机尾流、受油机头波模型，模型建立软式自主空中加油对接过程风干扰环境，增强仿真系统的真实性，通过仿真分别得到三种大气扰动在坐标系三个方向上的风速分量并进行风速叠加，合成风速会作用到软管及锥套的质心处，进而影响软管与锥套受到的气动力，造成软管与锥套稳定位置的大幅震荡；锥套位置稳定控制，包括锥套侧向位置PID控制器、垂向位置PID控制器、锥套作动器分配，根据锥套稳定位置分别设计锥套位置侧向与垂向的PID控制器，得到侧向与垂向的期望主动控制力，并根据锥套气动，分配锥套相应的作动器产生实际的主动控制力，减小锥套飘摆的范围，降低自主对接的难度；3)使能与选择模块，包括视觉使能、视觉导航方法选择、控制选择；视觉使能，使得仿生视觉导航系统工作，获取虚拟现实VR仿真中的图像，进行视觉导航处理，首先进行视觉导航方法选择，视觉导航方法选择，包括VR视景仿真、仿鹰眼标志点检测、判断是否检测到所有标志点，对VR图像上的锥套标志点进行仿鹰眼检测，根据是否检测到所设计的锥套上的所有标志点，判断使用不同的近距视觉相对导航方法；控制选择，根据受油插头与加油锥套之间的视觉解算位置差，判断是否使用视觉导航信号；4)近距视觉相对导航模块，包括锥套检测正常、锥套距离远或者部分遮挡两种情况；根据视觉导航方法选择结果，如果锥套检测正常则进行标志点匹配，进而进行精确位姿估计；如果锥套距离过远或者部分遮挡，造成标志点不能全部检测到，则根据锥套颜色信息进行椭圆拟合，进而进行位姿估计；5)受油机相对位置精确控制模块，包括受油机高度控制、侧向偏离控制与前向偏离控制；高度控制以俯仰角控制为内环，前向偏离控制以速度控制为内环，侧向偏离控制采用受油机定直侧滑的方式，以滚转角为内环；通过反馈加/受油机之间的相对位置，进行相对位置精确控制。