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)，設計適當的飛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依據信號自動接通油路。加油完畢后，受油機依據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已經不能滿足自動空中加油的精度要求，現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；控制系統根據受油機自身的姿態(tài)、位置信息與從機器視覺測量系統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