一種基于機器視覺的空中受油引導控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于飛行控制【技術領域】，具體涉及到一種基于機器視覺引導的空中受油引導控制方法。本發(fā)明是針對為拓寬作戰(zhàn)范圍為提高成功回收的幾率，具有加受油功能的飛機。其特征在于，實現(xiàn)空中加油的關鍵在于準確測量加油錐管和受油機之間的相對位置，以及對受油機實施有效的引導和控制。對于視覺引導系統(tǒng)來說，可以分為視覺導航與引導控制兩個主要組成部分。假定加油機進行定高勻速直線平飛，在加油機的加油錐管上安裝輔助光學標記，受油機上安裝攝像機，采用視覺測量技術實時測量加油錐管的位置和姿態(tài)，設計適當?shù)娘w行控制率對受油機進行引導，完成加油對接。本發(fā)明適應受油任務特點、降低受油任務過程中飛行員操縱負擔，大大提高受油任務成功率。
【專利說明】—種基于機器視覺的空中受油引導控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于航空飛行控制【技術領域】，具體涉及到一種基于機器視覺引導的空中受油引導控制方法。

【背景技術】
[0002]空中加油技術簡單地說，就是在空中一架航空器給另一架或數(shù)架航空器(或直升機)加注燃油，使其航程加大，續(xù)航時間增長的技術。
[0003]傳統(tǒng)的加油方法有軟管-浮錨式加油方法、飛桁式(硬管)加油方法，還有一種方式是將上述兩種方法結合起來的混合式。不論空中加油機是采用上述任一種的空中加油設備或作業(yè)方式，其過程都大致如下:首先是加油機和受油機必須依照預定時間在預定地點會合，才能進行空中加油作業(yè)。然后受油機和加油機實施銜接，銜接成功之后加油系統(tǒng)依據(jù)信號自動接通油路。加油完畢后，受油機依據(jù)加油機的指揮進行脫離，整個加油過程便順利完成。
[0004]在此過程中，在導航方法的選取上，當加\受油機距離較遠的情況下(大概3.2km左右)，傳統(tǒng)的慣導和GPS導航往往用于引導受油機靠近加油機，組成精確的加油編隊；在兩機距離比較近時(一般10m以內)，GPS已經(jīng)不能滿足自動空中加油的精度要求，現(xiàn)代化的空中加油作業(yè)仍然需要飛行員正確且細心的操作，需要加油機與受油機的配合協(xié)調，才能安全完成加油任務。這樣加重了駕駛員的操縱負擔并且成功率不高。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是:本發(fā)明主要針對空中受油任務，提供一種基于機器視覺引導的空中受油引導控制方法。
[0006]本發(fā)明的技術方案:一種基于機器視覺引導的空中受油引導控制方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0007]第一，定義加油機、受油機、加油錐、攝像頭所在的坐標系，通過各個坐標系之間的變換來描述幾何位姿關系，視覺測量系統(tǒng)的功能就是求解加油錐坐標系的中心到攝像機坐標系中心(加油探頭)的距離；第二，對攝像頭采集圖像進行彩色空間(RGB)到色相、飽和度和明度(HSV)化處理，H、S、V三個通道的圖像，選取其中的H、S通道圖像進行給定閾值分害I]，此時，可以得到二值化的圖像；二值化圖像存在噪聲，用腐蝕，膨脹等形態(tài)處理，把噪聲去掉，對兩個通道的二值圖像進行融合，然后檢測到LED光點，并為最后加油錐與攝像機相對位姿測量做準備。RGB到HSV的變換的數(shù)學公式如下式所示:
[0008]

【權利要求】
1.一種基于機器視覺引導的空中受油引導控制方法，其特征在于，包括如下步驟:第一，定義加油機、受油機、加油錐、攝像頭所在的坐標系，通過各個坐標系之間的變換來描述幾何位姿關系，求解加油錐坐標系的中心到攝像機坐標系中心(加油探頭)的距離；第二，對攝像頭采集圖像進行彩色空間(RGB)到色相、飽和度和明度(HSV)化處理，H、S、V三個通道的圖像，選取其中的H、S通道圖像進行給定閾值分割，此時，得到二值化的圖像；二值化圖像存在噪聲，用腐蝕，膨脹等形態(tài)處理，將噪聲去掉，對兩個通道的二值圖像進行融合，然后檢測到LED光點，并為最后加油錐與攝像機相對位姿測量做準備；RGB到HSV的變換的數(shù)學公式如下式所示:
由于檢測對象是加油錐上的紅色LED點，通過RGB顏色空間到HSV空間的變換，得到三個通道H、S、V的值，然后對S通道的圖像進行閾值分割，可以檢測到目標點；第三，進行對應點匹配，即匹配標記連續(xù)幀圖像對應特征點的位置；之前已經(jīng)采集到加油錐特征點P」在圖像上的投影方程，假定投影點集為A )，從攝像機采集圖像提取特征點得到的觀測點集為{Pl，P2,...pn}，其中Pj= (Uj, Vj)是圖像坐標，而對應的投影點集為
其沖Λ =(七Λ)是利用針孔投影成像模型計算得到的圖像坐標；對于點集Pj,Pj，計算兩者之間的歐式距離矩陣Err，矩陣大小為mXn:
點集對應數(shù)學模型如下: 假設有兩個點集A，B, Sik表示集合A中的點i與集合B中的點k之間的歐式距離，要建立A、B兩個點集之間的一一對應的關系，即轉化為如下公式:
其中 S= (Sij I Sij = dist (aj, bj), aj e A, bj e B, i = 1...N, j = 1...M}； 測量得到LED點在圖像上的位置信息,然后與加油錐上的標記點對應起來,對應點標記可轉化為上述數(shù)學指派問題； P表示LED點在加油錐上的位置:
P= {p1；..., pN} A表示點集P通過旋轉矩陣R和轉移向量t以及攝像機投影變換到圖像坐標系的點集:
A = Ia1 j...j aN}
B表示圖像檢測得到的特征點集:
B {bi，...，bf^} C表示點集A與點集B對應點匹配，定義如下:
C = {(au bj) e A, b」e B} 第四，在特征點匹配后，進行位姿計算，加油錐圖像特征點2D到3D的轉化，通過旋轉、縮放矩陣R和平移向量T的幾何變化，獲得加油錐到攝像機坐標系的相對距離信息，然后轉化得到相對于受油機坐標系的位置信息[Xte5glffi Ydrogue ZdroguJ ;已知受油機加油管在受油機坐標系的位置信息[xpMbe yprobe zprobJ，那么空中加油的控制輸入為:
有GLSDC和LHM兩種算法來估計攝像機坐標系下加油錐的位置和Euler角姿態(tài)[-< V；' 4 Ψ: θ: φ] 在機器視覺測量系統(tǒng)獲取受油機上授油錐的姿態(tài)和位置信息后傳給受油機的控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)受油機自身的姿態(tài)、位置信息與從機器視覺測量系統(tǒng)獲取的授油錐的信息進行結算，得到受油機與授油錐之間的相對距離矢量!"^^與期望相對距離r相減得到誤差信號e ；e通過控制器模塊產(chǎn)生控制指令u以控制受油機。
【文檔編號】G05D1/10GK104133480SQ201410154224
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權日:2014年4月17日
【發(fā)明者】范彥銘, 張楊, 楊寧, 邵錚 申請人:中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設計研究所