CN105084285B - 加油设备与受油机自动对接的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制方法，该方法包括：确定上述受油机的受油座的第一空间位置；确定上述加油设备的伸缩管装置的第二空间位置；比较上述第一空间位置和上述第二空间位置，根据比较结果控制上述伸缩管装置对接到上述受油座。通过本发明，解决了相关技术中加油设备无法自动为受油机加油的问题，进而达到了加油机能够自动为受油机加油的效果。

Description

加油设备与受油机自动对接的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及空中加油技术领域，具体而言，涉及一种加油设备与受油机自动对接的控制方法及装置。

背景技术

空中加油能够提高战机作战效能，是增强战斗力的倍增器。空中加油主要有软式加油和硬式加油两种方式，与软式加油相比,硬式加油因为加油流量大、受油机操作负担轻、受油机受油设备简单等特点而具有明显的优势,是空中加油技术的发展方向。硬式加油过程为：当加油机和受油机进入加油状态后，加油机上的加油员放下伸缩管，通过控制小翼的偏转，改变小翼的气动力，控制伸缩管的俯仰和滚转运动；通过控制系统控制伸缩管的伸缩，使伸缩管端部的加油接头插入受油机背部的受油座，完成对接后，伸缩管作为燃油通道进行空中加油。

目前世界上仅美国对硬式空中加油这项先进技术有成功的工程应用，KC-135和KC-10为其空军著名的硬式加油机，但关于其控制系统设计尚无资料查询。我国仅有软式加油，且未形成广泛的军事应用，硬式加油还处于探索研究阶段。

硬式空中加油技术是高精度操纵技术，在对接过程中对加油员的操纵要求较高，工作负担繁重，且由于加油员视野范围有限，一旦出现加油员操作幅度过大，或在对接过程中不正确的操纵时，极有可能对受油机造成致命的伤害，不能完成加油任务的同时还影响飞行安全。

发明内容

本发明提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制方法及装置，以至少解决现有技术中加油设备无法自动为受油机加油的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制方法，该方法包括：确定所述受油机的受油座的第一空间位置；确定所述加油设备的伸缩管装置的第二空间位置；比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座。

优选地，确定所述受油机的所述受油座的所述第一空间位置包括：通过至少一个摄像头获取所述受油座的至少两个标识位，其中，所述至少两个标识位是按照预定的规则预先设置在所述受油座附近的预定区域内；根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置。

优选地，根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置包括：获取所述至少一个摄像头的摄像头自身参数，其中，所述摄像头自身参数包括：焦距，摄像头的空间安装位置；获取所述至少两个标识位分别通过所述至少一个摄像头形成的标识位成像参数，并根据标识位成像参数确定所述受油座的成像参数；根据所述摄像头自身参数和所述成像参数确定所述第一空间位置，其中，所述第一空间位置是所述受油座在第一坐标系中的坐标位置，所述第一坐标系是以所述伸缩管装置的万向节为原点，X轴沿伸缩管轴线方向指向受油座，Z轴在伸缩管对称面内垂直于X轴指向下方，Y轴根据右手定则确定。

优选地，比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座包括：根据所述第一空间位置获取所述受油座的俯仰角和所述受油座滚转角；从所述伸缩管装置的传感器获取所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角，其中，所述第二空间位置包括所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角；根据所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差确定所述伸缩管上的升降舵控制指令，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差确定所述方向舵控制指令，并根据所述伸缩管上升降舵控制指令和/或所述方向舵控制指令控制所述伸缩管装置对准所述受油座；在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

优选地，在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座包括：在检测到所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差小于俯仰角阈值，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差小于滚转角阈值，且所述受油座距离所述万向节的距离在所述伸缩管内管伸出可达范围内时，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

根据本发明的另一方面，提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制装置，包括：第一确定模块，用于确定所述受油机的受油座的第一空间位置；第二确定模块，用于确定所述加油设备的伸缩管装置的第二空间位置；控制模块，用于比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座。

优选地，所述第一确定模块还包括：获取单元，用于通过至少一个摄像头获取所述受油座的至少两个标识位，其中，所述至少两个标识位是按照预定的规则预先设置在所述受油座附近的预定区域内；第一确定单元，根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置。

优选地，所述第一确定单元还用于：获取所述至少一个摄像头的摄像头自身参数，其中，所述摄像头自身参数包括：焦距，摄像头的空间安装位置；获取所述至少两个标识位分别通过所述至少一个摄像头形成的标识位成像参数，并根据标识位成像参数确定所述受油座的成像参数；根据所述摄像头自身参数和所述成像参数确定所述第一空间位置，其中，所述第一空间位置是所述受油座在第一坐标系中的坐标位置，所述第一坐标系是以所述伸缩管装置的万向节为原点，X轴沿伸缩管轴线方向指向受油座，Z轴在伸缩管对称面内垂直于X轴指向下方，Y轴根据右手定则确定。

优选地，所述控制模块还包括：第一角获取单元，用于根据所述第一空间位置获取所述受油座的俯仰角和所述受油座滚转角；第二角获取单元，用于从所述伸缩管装置的传感器获取所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角，其中，所述第二空间位置包括所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角；对准控制单元，用于根据所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差确定所述伸缩管上的升降舵控制指令，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差确定所述方向舵控制指令，并根据所述伸缩管上升降舵控制指令和/或所述方向舵控制指令控制所述伸缩管装置对准所述受油座；伸缩控制单元，用于在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

优选地，所述伸缩控制单元还用于：在检测到所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差小于俯仰角阈值，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差小于滚转角阈值，且所述受油座距离所述万向节的距离在所述伸缩管内管伸出可达范围内时，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

通过本发明，采用以下技术方案，确定所述受油机的受油座的第一空间位置；确定所述加油设备的伸缩管装置的第二空间位置；比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座，解决了相关技术中加油设备无法自动为受油机加油的问题，进而达到了加油机能够自动为受油机加油的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的加油设备与受油机自动对接的控制方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的加油设备与受油机自动对接的控制装置的结构框图；

图3是加油装置与受油机自动对接的控制系统方法内部连接示意图；

图4是根据本发明实施例伸缩管装置的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的受油座标识的分布示意图；

图6a是根据本发明实施的受油座标识的常用图形一；

图6b是根据本发明实施的受油座标识的常用图形二；

图6c是根据本发明实施的受油座标识的常用图形三；

图6d是根据本发明实施的受油座标识的常用图形四。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实施例中提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制方法，图1是根据本发明实施例的加油设备与受油机自动对接的控制方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

步骤S102，确定所述受油机的受油座的第一空间位置；

在一个实施例中，确定所述受油机的所述受油座的所述第一空间位置包括：通过至少一个摄像头获取所述受油座的至少两个标识位，其中，所述至少两个标识位是按照预定的规则预先设置在所述受油座附近的预定区域内；根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置。

在一个优选实施例中，根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置包括：获取所述至少一个摄像头的摄像头自身参数，其中，所述摄像头自身参数包括：焦距，摄像头的空间安装位置；获取所述至少两个标识位分别通过所述至少一个摄像头形成的标识位成像参数，并根据标识位成像参数确定所述受油座的成像参数；根据所述摄像头自身参数和所述成像参数确定所述第一空间位置，其中，所述第一空间位置是所述受油座在第一坐标系中的坐标位置，所述第一坐标系是以所述伸缩管装置的万向节为原点，X轴沿伸缩管轴线方向指向受油座，Z轴在伸缩管对称面内垂直于X轴指向下方，Y轴根据右手定则确定。

步骤S104，确定所述加油设备的伸缩管装置的第二空间位置；

步骤S106，比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座。

在一个实施例中，比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座包括：根据所述第一空间位置获取所述受油座的俯仰角和所述受油座滚转角；从所述伸缩管装置的传感器获取所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角，其中，所述第二空间位置包括所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角；根据所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差确定所述伸缩管上的升降舵控制指令，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差确定所述方向舵控制指令，并根据所述伸缩管上升降舵控制指令和/或所述方向舵控制指令控制所述伸缩管装置对准所述受油座；在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

其中，在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座包括：在检测到所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差小于俯仰角阈值，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差小于滚转角阈值，且所述受油座距离所述万向节的距离在所述伸缩管内管伸出可达范围内时，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

通过上述步骤，解决了相关技术中加油设备无法自动为受油机加油的问题，进而达到了加油机能够自动为受油机加油的效果。

在本实施例中还提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图2是根据本发明实施例的加油设备与受油机自动对接的控制装置的结构框图，如图2所示，该装置包括：

第一确定模块22，用于确定所述受油机的受油座的第一空间位置；

第二确定模块24，用于确定所述加油设备的伸缩管装置的第二空间位置；

控制模块26，用于比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座。

在一个实施例中，所述第一确定模块22还包括：获取单元，用于通过至少一个摄像头获取所述受油座的至少两个标识位，其中，所述至少两个标识位是按照预定的规则预先设置在所述受油座附近的预定区域内；第一确定单元，根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置。其中，所述第一确定单元还用于：获取所述至少一个摄像头的摄像头自身参数，其中，所述摄像头自身参数包括：焦距，摄像头的空间安装位置；获取所述至少两个标识位分别通过所述至少一个摄像头形成的标识位成像参数，并根据标识位成像参数确定所述受油座的成像参数；根据所述摄像头自身参数和所述成像参数确定所述第一空间位置，其中，所述第一空间位置是所述受油座在第一坐标系中的坐标位置，所述第一坐标系是以所述伸缩管装置的万向节为原点，X轴沿伸缩管轴线方向指向受油座，Z轴在伸缩管对称面内垂直于X轴指向下方，Y轴根据右手定则确定。

在另一个实施例中，所述控制模块还包括：第一角获取单元，用于根据所述第一空间位置获取所述受油座的俯仰角和所述受油座滚转角；第二角获取单元，用于从所述伸缩管装置的传感器获取所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角，其中，所述第二空间位置包括所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角；对准控制单元，用于根据所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差确定所述伸缩管上的升降舵控制指令，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差确定所述方向舵控制指令，并根据所述伸缩管上升降舵控制指令和/或所述方向舵控制指令控制所述伸缩管装置对准所述受油座；伸缩控制单元，用于在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。其中，所述伸缩控制单元还用于：在检测到所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差小于俯仰角阈值，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差小于滚转角阈值，且所述受油座距离所述万向节的距离在所述伸缩管内管伸出可达范围内时，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

以下结合优选实施例对本发明进行说明。

本实施例提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制系统，如图3所示该系统包括：伸缩管装置、受油座及其标识、立体视觉成像装置、图像处理器、伸缩管控制计算机。

伸缩管装置为被控对象，由万向节、外管、内管、升降舵、方向舵和加油头组成，其外管尾部为万向节，用于与加油机相连，伸缩管装置可绕万向节做俯仰与滚转运动，万向节处安装有姿态传感器，用于测量伸缩管装置的俯仰姿态角和滚转姿态角，其内管端头安装有加油头，加油头可随内管进行伸缩运动，其外管端头安装有升降舵和一组偏航舵。

受油座及其标识位于受油机上，可根据实际情况选择机头、机背或机翼上，以受油座为中心，根据受油座周围的实际尺寸，分别对称的选择2组标识点，按顺时针顺序标记为X1、X2、X3、X4，要求X1、X3的连线与X2、X4的连线垂直，标识图案通常为圆形或正方形和圆形的组合图形，填充颜色可选择红色、黑色、白色。

立体视觉成像装置用于受油座及其标识信息的采集，立体视觉成像装置安装在加油机尾部伸缩管装置上方，并指向斜下方位置。由左右两个摄像机、镜头、滤光片、1个主动照明光源(夜间环境，需要开启主动照明光源)组成，通过对受油座及其标识进行实时图像采集，采集的图像通过视频线传送到图像处理器。

图像处理器对立体视觉成像装置采集的信息进行处理，并将处理得到的受油座姿态信息通过总线RS422传送给伸缩管控制计算机，图像处理器包括硬件平台和软件系统，其中硬件平台由双DSP嵌入式板卡和PC104板卡组成，其上运行的软件系统可实现不同光照环境及夜间环境下标识的识别和测量算法，通过解算最终得到受油座姿态信息，DSP与PC104间通过PCI总线实现数据交换、分配、管理。

伸缩管控制计算机判断所接收的数据是否有效，如果判断有效，则通过控制律解算输出伸缩管装置上的舵面控制指令，当舵面偏转时，改变控制伸缩管装置的气动力，进而控制其俯仰姿态和滚转姿态运动，当万向节处伸缩管姿态传感器测量值与受油座姿态信息之差在一定范围内，认为加油头与受油座对准，此时开启自动伸缩模式，使加油头插入受油座，完成自动对接；同时，伸缩管控制计算机实时监控自动对接工作状态，当伸缩管或受油座超出工作模态工作条件，或伸缩管控制计算机内部发生故障，使该工作模态自动退出时，伸缩管控制计算机将该工作模态断开状态信息发送给图像处理器。

本实施例还提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制方法，包括以下步骤：

第一步：当加油机与受油机进入加油位置，加油杆放下到位后，立体视觉成像装置对受油座及其标识进行实时图像采集，采集的图像通过视频线传送到图像处理器。

第二步：图像处理器接收到数据后，对受油座的标识采用图像识别算法及特征提取，提取特征值后，通过PCI将特征值传送给PC104并对左右图像进行匹配，当结果匹配好后，利用被测物体在两摄像机像平面上成像点的坐标求取受油座的空间三维坐标(X,Y,Z)。

第三步：得到受油座在左摄像机坐标系下的三维空间坐标后，进一步求出万向节坐标系下受油座俯仰角θ₂和受油座滚转角φ₂。

第四步：将万向节处伸缩管姿态传感器测得伸缩管俯仰角θ₁、伸缩管滚转角φ₁，以及图像处理器解算得到的受油座俯仰角θ₂和受油座滚转角φ₂传送给伸缩管控制计算机，伸缩管控制计算机根据当前飞行状态、自身故障状态及工作模态接通需要满足的所有制约条件进行综合判断是否可执行自动对接，如果判断可以执行自动对接，则将两个俯仰角之差Δθ＝θ₁-θ₂、两个滚转角之差Δφ＝φ₁-φ₂作为控制律输入，通过控制律解算得到伸缩管装置上升降舵控制指令δ_e和方向舵控制指令δ_r。当舵面按指令偏转时，改变了伸缩管装置的气动力，从而改变伸缩管俯仰角θ₁和伸缩管滚转角φ₁。

同时，伸缩管控制计算机实时监控自动对接工作状态，当伸缩管或受油座超出工作模态工作条件，或伸缩管控制计算机内部发生故障，使该工作模态自动退出时，飞伸缩管控制计算机将该工作模态断开状态信息发送给图像处理器，以供图像处理器清零，备下次启用。

其中，综合判断为：

A.首先进行伸缩管控制计算机无故障自检判断，如果伸缩管控制计算机无故障，则判断自动对接可执行；如果伸缩管控制计算机有故障，则判断自动对接无法执行。

B.加油机是否处于正常加油工作模态；如果是，则判断自动对接可执行；如果否，则判断自动对接无法执行。

C.传送给伸缩管控制计算机的伸缩管俯仰角θ₁、伸缩管滚转角φ₁、受油座俯仰角θ₂和受油座滚转角φ₂，这四个信号是否处于合理可控的范围，如果是，则判断自动对接可执行；如果否，则判断自动对接无法执行。

第五步：在执行第四步的同时，伸缩管控制计算机实时计算Δθ和Δφ，当Δθ和Δφ小于规定值时，认为伸缩管加油头与受油座对准，此时判断受油座距离万向节的距离是否在伸缩管内管伸出可达范围内，若在，则开启自动伸缩模式，使加油头插入受油座，完成自动对接；若不在，则向受油机发出调整位置信号。

本发明旨在克服现有空中加油技术中加油员工作负担繁重、加油员视野范围有限的缺点，以及避免加油员操作幅度过大或不正确的操纵而影响飞行安全，完成没有人在环的自动对接。

本发明优选实施例提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制系统，该系统包括：伸缩管装置、受油座及其标识、立体视觉成像装置、图像处理器、伸缩管控制计算机。

伸缩管装置为被控对象，如图4所示，由万向节1、外管2、内管3、升降舵4、方向舵5和加油头6组成，其外管尾部为万向节，用于与加油机相连，伸缩管装置可绕万向节做俯仰与滚转运动，万向节处安装有姿态传感器，用于测量伸缩管装置的俯仰姿态角和滚转姿态角，其内管端头安装有加油头，加油头可随内管进行伸缩运动，其外管端头安装有升降舵和一组偏航舵。

受油座及其标识位于受油机上，可根据实际情况选择机头、机背或机翼上，以受油座为中心，根据受油座周围的实际尺寸，分别对称的选择2组标识点，按顺时针顺序标记为X1、X2、X3、X4，要求X1、X3的连线与X2、X4的连线垂直，见图5，标识图案通常为圆形或正方形和圆形的组合图形，填充颜色可选择红色、黑色、白色，见图6a-6d。

立体视觉成像装置用于受油座及其标识信息的采集，立体视觉成像装置安装在加油机尾部伸缩管装置上方，并指向斜下方位置。由左右两个摄像机、镜头、滤光片、1个主动照明光源(如若夜间环境，需要开启主动照明光源)组成，通过对受油座及其标识进行实时图像采集，采集的图像通过视频线传送到图像处理器。

图像处理器对立体视觉成像装置采集的信息进行处理，并将处理得到的受油座姿态信息通过总线RS422传送给伸缩管控制计算机，图像处理器包括硬件平台和软件系统，其中硬件平台由双DSP嵌入式板卡和PC104板卡组成，其上运行的软件系统可实现不同光照环境及夜间环境下标识的识别和测量算法，通过解算最终得到受油座姿态信息，DSP与PC104间通过PCI总线实现数据交换、分配、管理。

伸缩管控制计算机判断所接收的数据是否有效，如果判断有效，则通过控制律解算输出伸缩管装置上的舵面控制指令，当舵面偏转时，改变控制伸缩管装置的气动力，进而控制其俯仰姿态和滚转姿态运动，当万向节处伸缩管姿态传感器测量值与受油座姿态信息之差在一定范围内，认为加油头与受油座对准，此时开启自动伸缩模式，使加油头插入受油座，完成自动对接；同时，伸缩管控制计算机实时监控自动对接工作状态，当伸缩管或受油座超出工作模态工作条件，或伸缩管控制计算机内部发生故障，使该工作模态自动退出时，飞伸缩管控制计算机将该工作模态断开状态信息发送给图像处理器。

本发明优选实施例还提供了一种加油设备与受油机自动对接的控制方法，包括以下步骤：

第一步：当加油机与受油机进入加油位置，加油杆放下到位后，立体视觉成像装置对受油座附近标识进行实时图像采集，采集的图像通过视频线传送到图像处理器。

第二步：图像处理器接收到数据后，DSP层采用空间域的平滑滤波方法对图像做平滑预处理。接下来针对受油座附近标识采用图像识别算法。针对图6a-6d中不同的圆形标记将采用不同的图像识别算法，具体识别及特征提取算法如下：

标识(a)识别及特征提取：首先采用灰度值结合形状的提取算法，提取出黑色方形区域，识别过程提取出的特征区域很多，再采用面积限制法去除大面积及小面积的非特征区域，然后在黑色区域中采用彩色识别算法提取红色的圆形区域，最后采用形心法提取每个红色圆形区域的中心点作为该标记的特征点。

标识(b)识别及特征提取：首先将RGB颜色空间转换到HIS颜色空间，然后采用彩色识别算法识别红色区域。通常情况下，所得到的边界是很不平滑的，物体区域有一定错判的空洞，背景区域散布着一些小的噪声物体，为了改善图像彩色分割后的质量，再采用采用二值形态学的运算(腐蚀、膨胀)对其进行处理，进一步改善图像质量。最后采用形心法提取每个红色圆形区域的中心点作为该标记的特征点。

标识(c)和标识(d)识别及特征提取：首先将RGB颜色空间转换到HIS颜色空间，然后采用彩色识别算法结合Harris角点提取算子,识别出标记的中心(红白或者黑白交叉点)位置。提取特征值后，通过PCI将特征值传送给PC104。应用互相关函数ZNCC算法对左右图像进行匹配，当结果匹配好后，利用被测物体在两摄像机像平面上成像点坐标求取空间点的三维坐标，具体计算方法如下:以左摄像机为例，设o_lx_ly_lz_l为左摄像机坐标系(原点o_l位于左摄像机在加油机上的安装点，z_l轴指向地心向下，y_l轴平行于成像平面且垂直于z_l轴，x_l轴右手定则确定)，像平面坐标系为O_lY_lZ_l，左像面点坐标为(Y_l,Z_l)；将万向节坐标系o_wx_wy_wz_w(原点o_w位于万向节处，x_w轴沿伸缩管轴线方向指向受油座，z_w轴在伸缩管对称面内垂直于x_w轴指向下方，y_w轴右手定则确定)作为基础坐标系，受油座是空间被测点，其空间坐标为P(X,Y,Z)。

由摄像机真空成像原理可知，空间点P在成像平面下，其摄像机坐标系与成像点的物理坐标满足如下关系式：

式中，为万向节坐标系到左摄像机坐标系的转换矩阵，其中为万向节坐标系到左摄像机坐标系的旋转矩阵，T_l＝(t_lx,t_ly,t_lz)^T为万向节坐标系到左摄像机坐标系的平移矩阵。以上各参数均可通过对万向节和左摄像机的位置标定来获取。

由以上公式可知，空间点P即受油座的三维坐标在万向节坐标系下可以表示为：

式中，A＝Y_lr₇-f_lr₁+f_lr₁r₉-f_lr₃r₇；B＝Y_lr₈-f_lr₂+f_lr₂r₉-f_lr₃r₈；

C＝Y_lt_z-f_lr₃t_z+f_lt_x+f_lr₉t_x；A′＝Z_lr₇-f_lr₄+f_lr₄r₉-f_lr₆r₇；

B′＝Z_lr₈-f_lr₅+f_lr₅r₉-f_lr₆r₈；C′＝Z_lt_z-f_lr₆t_z+f_lt_y+f_lr₉t_y。

第三步：得到受油座在万向节坐标系下的三维空间坐标后，进一步求出万向节坐标系下万向节与受油座连线的俯仰角θ₂、滚转角φ₂。具体计算方法如下：

第四步：将万向节处伸缩管姿态传感器测得伸缩管俯仰角θ₁、伸缩管滚转角φ₁，以及图像处理器解算得到的受油座俯仰角θ₂和受油座滚转角φ₂传送给伸缩管控制计算机，伸缩管控制计算机根据当前飞行状态、自身故障状态及工作模态接通需要满足的初步判断之外的其它所有制约条件综合判断是否可执行自动对接，如果判断可以执行自动对接，则将两个俯仰角之差Δθ＝θ₁-θ₂、两个滚转角之差Δφ＝φ₁-φ₂作为控制律输入，通过控制律解算得到伸缩管装置上升降舵控制指令δ_e和方向舵控制指令δ_r。当舵面按指令偏转时，改变了伸缩管装置的气动力，从而改变伸缩管俯仰角θ₁和伸缩管滚转角φ₁。

同时，伸缩管控制计算机实时监控自动对接工作状态，当伸缩管或受油座超出工作模态工作条件，或伸缩管控制计算机内部发生故障，使该工作模态自动退出时，飞伸缩管控制计算机将该工作模态断开状态信息发送给图像处理器，以供图像处理器清零，备下次启用。

第五步：在执行第四步的同时，伸缩管控制计算机实时计算Δθ和Δφ，当Δθ和Δφ小于规定值时，认为伸缩管加油头与受油座对准，此时判断受油座距离万向节的距离X是否在伸缩管内管伸出可达范围内，若在，则开启自动伸缩模式，使加油头插入受油座，完成自动对接；若不在，则向受油机发出调整位置信号。

本发明具有以下有益效果:本发明将传统加油设备与受油机对接的人工操纵方法改为由伸缩管装置、受油座及其标识、立体视觉成像装置、图像处理器、伸缩管控制计算机组成的自动对接控制系统及其控制方法。旨在克服现有空中加油技术中加油员工作负担繁重、加油员视野范围有限的缺点，以及避免加油员操作幅度过大或不正确的操纵而影响飞行安全，完成没有人在环的自动对接。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种加油设备与受油机自动对接的控制方法，其特征在于，包括：

确定所述受油机的受油座的第一空间位置；

确定所述加油设备的伸缩管装置的第二空间位置；

比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座；

确定所述受油机的所述受油座的所述第一空间位置包括：

通过至少一个摄像头获取所述受油座的至少两个标识位，其中，所述至少两个标识位是按照预定的规则预先设置在所述受油座附近的预定区域内；

根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置；

根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置包括：

获取所述至少一个摄像头的摄像头自身参数，其中，所述摄像头自身参数包括：焦距，摄像头的空间安装位置；

获取所述至少两个标识位分别通过所述至少一个摄像头形成的标识位成像参数，并根据标识位成像参数确定所述受油座的成像参数；

根据所述摄像头自身参数和所述成像参数确定所述第一空间位置，其中，所述第一空间位置是所述受油座在第一坐标系中的坐标位置，所述第一坐标系是以所述伸缩管装置的万向节为原点，X轴沿伸缩管轴线方向指向受油座，Z轴在伸缩管对称面内垂直于X轴指向下方，Y轴根据右手定则确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座包括：

根据所述第一空间位置获取所述受油座的俯仰角和所述受油座滚转角；

从所述伸缩管装置的传感器获取所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角，其中，所述第二空间位置包括所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角；

根据所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差确定所述伸缩管上的升降舵控制指令，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差确定所述方向舵控制指令，并根据所述伸缩管上升降舵控制指令和/或所述方向舵控制指令控制所述伸缩管装置对准所述受油座；

在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座包括：

在检测到所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差小于俯仰角阈值，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差小于滚转角阈值，且所述受油座距离所述万向节的距离在所述伸缩管内管伸出可达范围内时，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

4.一种加油设备与受油机自动对接的控制装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于确定所述受油机的受油座的第一空间位置；

第二确定模块，用于确定所述加油设备的伸缩管装置的第二空间位置；

控制模块，用于比较所述第一空间位置和所述第二空间位置，根据比较结果控制所述伸缩管装置对接到所述受油座；

所述第一确定模块还包括：

获取单元，用于通过至少一个摄像头获取所述受油座的至少两个标识位，其中，所述至少两个标识位是按照预定的规则预先设置在所述受油座附近的预定区域内；

第一确定单元，根据所述至少两个标识位确定所述第一空间位置；

所述第一确定单元还用于：

获取所述至少一个摄像头的摄像头自身参数，其中，所述摄像头自身参数包括：焦距，摄像头的空间安装位置；

获取所述至少两个标识位分别通过所述至少一个摄像头形成的标识位成像参数，并根据标识位成像参数确定所述受油座的成像参数；

根据所述摄像头自身参数和所述成像参数确定所述第一空间位置，其中，所述第一空间位置是所述受油座在第一坐标系中的坐标位置，所述第一坐标系是以所述伸缩管装置的万向节为原点，X轴沿伸缩管轴线方向指向受油座，Z轴在伸缩管对称面内垂直于X轴指向下方，Y轴根据右手定则确定。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制模块还包括：

第一角获取单元，用于根据所述第一空间位置获取所述受油座的俯仰角和所述受油座滚转角；

第二角获取单元，用于从所述伸缩管装置的传感器获取所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角，其中，所述第二空间位置包括所述伸缩管的俯仰角和所述伸缩管滚转角；

对准控制单元，用于根据所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差确定所述伸缩管上的升降舵控制指令，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差确定所述方向舵控制指令，并根据所述伸缩管上升降舵控制指令和/或所述方向舵控制指令控制所述伸缩管装置对准所述受油座；

伸缩控制单元，用于在检测到所述伸缩管装置对准所述受油座的情况下，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述伸缩控制单元还用于：

在检测到所述受油座的俯仰角和所述伸缩管的俯仰角之差小于俯仰角阈值，所述受油座滚转角和所述伸缩管滚转角之差小于滚转角阈值，且所述受油座距离所述万向节的距离在所述伸缩管内管伸出可达范围内时，控制所述伸缩管自动伸缩，使所述伸缩管的加油头插入到所述受油座。