CN105676859B - 无人机三自由度空中自主加油装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种无人机三自由度空中自主加油装置，用于模拟无人机空中加油半物理仿真平台中两个八旋翼无人机的模拟加油仿真。本发明旨在加油机获得受油机的成像后，通过无人机安装的英特尔NUC微型计算机(以下简称NUC)模块，利用其内在视觉处理程序解算出两机之间位姿关系，然后通过通信协议传输给加油杆装置中的单片机模块。单片机模块完成输出信息，驱动，执行指令，最终将加油杆以正确角度和姿态朝向受油机，为最终对接提供支持。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种无人机三自由度空中自主加油装置及其实施方法，属于自动化技术领域。
【背景技术】
空中加油技术是提高飞机远程作战效能的关键技术之一，是增强战斗力的放大器。空中加油不仅改变了以往的作战模式，而且还可以提高战绩的综合作战效能，已成为先进军用飞机完成作战任务不可缺少的保障措施。相对于软管式加油，硬管式空中加油因为加油量大、受油机操作负担轻、受油机受油设备简单而具有明显的优势，因而成为未来空中加油技术的发展方向。近年来，无人机的自主空中加油更是成为了自动化研究领域的一个热点。
加油杆装置是硬式空中加油的核心设备之一，当前环境对于无人机自主空中加油半物理验证设备中对于加油杆的模型装置缺乏研究成果，本发明旨在提出一种无人机三自由度空中自主加油装置，装置还拥有重量轻、机械结构强度高、实时性强等特点。可以用于无人机之间的空中加油试验验证，对于今后研究无人机空中加油问题有很好的拓展强度，具有良好的应用前景。
【发明内容】
本发明是一种无人机三自由度空中自主加油装置，用于模拟无人机空中加油半物理仿真平台中两个八旋翼无人机的模拟加油仿真。该发明旨在加油机获得受油机的成像后，通过无人机安装的英特尔NUC微型计算机(以下简称NUC) 模块，利用其内在视觉处理程序解算出两机之间位姿关系，然后通过通信协议传输给加油杆装置中的单片机模块。单片机模块完成输出信息，驱动，执行指令，最终将加油杆以正确角度和姿态朝向受油机，为最终对接提供支持。
本装置分为机械结构和控制系统两部分。
机械结构包括一个机械平台、一根可以二截伸缩的加油杆、三个舵机、两个摄像机和一个摄像机安装架。机械平台用于固定安装电源、NUC、单片机模块和阻尼模块。机械平台下方安装悬挂加油杆，加油杆可以二截伸缩，长度约为 2米，直径从6mm至16mm，中空结构。三个舵机中每个舵机控制一个自由度，并相应配套舵盘完成机械运动，其中两个第一舵盘行程为90度，用于控制加油杆的偏航和俯仰运动，一个第二舵盘行程为720度，用于完成加油杆的伸缩运动。
单片机模块用于接收无人机NUC模块解算的两个无人机之间的视觉测量结果，通过单片机模块的计算单元处理形成舵机指令，执行机构将舵机指令传输给舵机完成相应指令。
阻尼模块，包括两个阻尼杆，主要对加油杆三个自由度运动起到阻尼作用，一根外径6mm，1米长的阻尼杆内嵌于加油杆，对加油杆伸缩起到阻尼作用，另有一根阻尼杆的两端分别通过螺钉固定于机械平台上片和加油杆，对加油杆的偏航俯仰运动起到阻尼作用。
所述的3个舵机采用相互垂直的安装方式，旨在分别完成加油杆的偏航、俯仰和伸缩运动，两个第一舵盘为U字型，开口端分别固定在偏航和俯仰舵机上并且所在平面相互垂直，各自完成对相应自由度的控制，第二舵盘为圆盘形，固定在伸缩舵机上，完成加油杆的伸缩自由度的控制。最终，加油杆能够达到在一个近似于四分之一球面的位置运动伸缩，为两架无人机的空中加油验证提供便利。
所述的摄像机安装架为T字型，倒装在机械平台下方，两端以中间对称分别各安装一个摄像机，用于采集无人机当前航拍的图像。图像通过通信机构传输给NUC模块，就能完成视觉信息解算，得到无人机与加油机的位置姿态。
控制系统包括位姿信息处理单元、舵机控制单元和电源单元。
所述电源单元为整个硬件系统提供电源；
所述位姿信息处理单元负责对无人机中NUC利用视觉信息算法处理得到的位姿关系进行处理，得到舵机的动作指令；
所述舵机控制单元负责将先前舵机动作指令转换成舵盘旋转角度，带动舵盘完成相应动作。
所述位姿信息处理单元和舵机控制单元的控制方式为自动运行，根据用户内置的控制率，在加油机和受油机飞行期间，可将两者之间的实时相对位置姿态解算成舵机控制指令最终完成加油杆的对准。
具体工作步骤如下：
(1)加油杆初始状态为受到阻尼杆拉力的自然下垂状态。当无人机中的 NUC将视觉解算结果(即两个无人机的坐标转换关系，为一个旋转矩阵R和一个平移矩阵T)通过串口通信传输给单片机模块，单片机模块利用两机之间的相对距离求得加油杆相当于飞行平面所需调整的角度。
(2)舵盘角度已经由其内置机构决定，将舵盘的行程角度转换成0到2500 的编码。在得到上述角度信息后，单片机模块的位姿信息处理单元将转换得到的编码传输给舵机控制单元，再由控制单元带动舵机进行动作。为了防止舵机运动过快造成的不稳定现象，本装置采用了在舵机控制单元增加延迟机构以及安装阻尼杆的双重方式在基本保障实时性的条件下消除振荡。
本发明优点以及功效在于：
采用一种可在无人机飞行过程中实现加油杆自动控制对准的模型，可以实现在无人机(加油机和受油机)空中加油半物理仿真过程中，加油杆对加油口目标进行对准，克服必须让两个无人机精确到某一固定位置才能实现对接的局限性。本装置还拥有重量轻、机械结构强度高、实时性强等特点。对于今后研究无人机空中加油问题有很好的拓展强度。
【附图说明】
图1为无人机三自由度空中自主加油装置结构示意图。
图2为无人机三自由度空中自主加油装置底部示意图。
图3为无人机三自由度空中自主加油装置底部示意图。
图4为加油杆内部关系示意图。
图5为硬件连接关系示意图。
图6为加油杆位姿关系。
图中序号、标号、代号说明如下：
1、电源 2、英特尔微型计算机NUC(Next Unit Computing)模块
3、平台上片 4、单片机模块 5、摄像机
6、摄像机安装架 7、舵机 8、加油杆
9、第一阻尼杆 10、平台下片 11、舵机安装架
12、第一舵盘 13、第二舵盘 14、第二阻尼杆
【具体实施方式】
请参阅图1—6所示，本发明是一种无人机三自由度空中自主加油装置，它分为机械结构和控制系统两部分。机械结构采用经典的分层式左右对称结构，整体可分为上层控制率处理结构和下层加油杆控制结构，使其具备伺服控制，并有较好的精确度指标。
本发明用于模拟无人机空中加油半物理仿真平台中两个八旋翼无人机的模拟加油仿真。该发明旨在加油机获得受油机的成像后，通过无人机安装的NUC 模块，利用其内在视觉处理程序解算出两机之间位姿关系，然后通过通信协议传输给加油杆装置中的单片机模块。单片机模块完成输出信息，驱动，执行指令，最终将加油杆以正确角度、姿态朝向受油机，为最终对接提供支持。本装置分为机械结构和控制系统两部分。
机械结构包括一个机械平台、一根可以二截伸缩的加油杆、三个舵机、两个摄像机和一个摄像机安装架。机械平台分为平台上片3和平台下片10，平台上片上方用于固定安装电源1、NUC2；下方用于安装摄像机安装架6，安装架左右对称安装两个摄像机5。平台下片用于安装单片机模块4等元件。平台下方悬挂安装根可以二截伸缩的加油杆8，加油杆的长度约为2米，直径从6mm至 16mm，中空结构。三个舵机(图中仅标注7)安装在安装架上(图中仅标注11)，每个舵机控制一个自由度，并相应配套舵盘完成机械运动，其中两个第一舵盘 12行程为90度，用于控制加油杆的偏航和俯仰运动，一个第二舵盘13行程为 720度，用于完成加油杆的伸缩运动。
单片机模块用于接收无人机NUC模块解算的两个无人机之间的视觉测量结果，通过其计算单元处理形成舵机指令，执行机构将舵机指令传输给舵机完成相应指令。
阻尼模块包括两个阻尼杆，主要对加油杆三个自由度运动起到阻尼作用，一根外径6mm，1米长的阻尼杆14内嵌于加油杆，对加油杆伸缩起到阻尼作用，另有一根弹簧9两端分别通过螺钉固定于机械平台上片和加油杆，对加油杆的偏航和俯仰运动起到阻尼作用。
所述的3个舵机采用相互垂直的安装方式，旨在分别完成加油杆的偏航、俯仰和伸缩运动，两个第一舵盘为U字型，开口端分别固定在偏航和俯仰舵机上并且所在平面相互垂直，各自完成对相应自由度的控制，第二舵盘为圆盘形，固定在伸缩舵机上，完成加油杆的伸缩自由度的控制。最终，加油杆能够达到在一个近似于四分之一球面的位置运动伸缩，为两架无人机的空中加油验证提供便利。
所述的摄像机安装架为T字型，倒装在机械平台下方，两端以中间对称分别各安装一个摄像机，用于采集无人机当前航拍的图像。图像通过通信机构传输给NUC模块，就能完成视觉信息解算，得到无人机与加油机的位置姿态。
控制系统包括位姿信息处理单元、舵机控制单元和电源单元。所述电源单元为整个硬件系统提供电源，位姿信息处理单元负责对无人机视觉信息处理得到的位姿关系进行处理得到舵机的动作指令。所述舵机控制单元负责将先前舵机动作指令转换成舵盘旋转角度，带动舵盘完成相应动作。
上述位姿信息处理单元和舵机控制单元的控制方式为自动运行，根据用户内置的控制率，在加油机和受油机飞行期间，可将两者之间的实时相对位置姿态解算成舵机控制指令最终完成加油杆的对准。
具体工作步骤如下：
(1)加油杆初始状态为受到阻尼杆拉力的自然下垂状态。当无人机NUC 将视觉解算结果(即两个无人机的坐标转换关系，为一个旋转矩阵R和一个平移矩阵T)通过串口通信传输给单片机模块位姿信息处理单元，单片机模块利用两机之间的相对距离求得加油杆相当于飞行平面所需调整的角度。具体方式如下：
1.按照图6方式对加油杆进行建模，红色AB、BC为二自由度舵机组的舵面， AB是控制偏航的舵面，BC为控制俯仰的舵面。蓝色CO为加油杆，CO垂直于BC。
2.已知杆的状态，求解空间坐标
分别以A、B、C三点为原点建立“前—右—下”三个坐标系。设加油杆长为L，则O点在C系下的坐标为，偏航角为ψ，俯仰角为θ，现求解O点在A 下的坐标。
为求得O点在A系下坐标，需将C系依次变换到B系、A系，即Xc→XB→XA
A.Xc→XB
设C系到B系旋转矩阵为RCB，位移矩阵为TCB。C系绕YC轴旋转-θ，再平移向量TCB，得到B系
XB＝RCBXC+TCB (1)
其中(测量值)
B.XB→XA
设B系到A系旋转矩阵为RBA，位移矩阵为TBA。B系绕ZA轴旋转-ψ，再平移向量TBA，得到A系
XA＝RBAXB+TBA (2)
其中(测量值)
C.XA→XS
XS为舵机组坐标系原点，将A系平移向量TAS即可得到O系
XS＝XA+TAS (3)
其中
综上，由(1)-(3)式可得加油杆端点O在S系下坐标为
XS＝RBARCBXC+RBATCB+TBA+TAS (4)
令XS＝RXC+T，则
因此O点从C系到S系的变换公式为
O点在C系下坐标为Xc(O)＝(L,0,0)T，在S系下坐标为XS(O)＝(xS，yS，zS)T，代入式(7)可得
3.加油杆位姿关系逆解
本发明中，由视觉算法测量解算受油口相对加油机的空间坐标，该坐标经过坐标变换可得到加油杆端点O的目标位置XS(O)。因此，需要由XS(O)推算出杆的位姿关系
A.加油杆的长度L
由于L相比于从A系到S系的位移矩阵中每个参数大很多，可近似将杆的另外一个端点移到S系原点，则
B.加油杆俯仰角θ
C.加油杆偏航角ψ
由上述推导，就能得到加油杆需要的俯仰、偏航角度以及杆的距离参数。之后就可以通过通信协议将这些指令传输给舵机控制单元。
(2)舵盘角度已经由其内置机构决定，将舵盘的行程角度转换成0到2500 的编码。在得到上述角度信息后，单片机模块的位姿信息处理单元将转换得到的编码传输给舵机控制单元，再由控制单元带动舵机进行动作。为了防止舵机运动过快造成的不稳定现象，本装置采用了在舵机控制单元增加延迟机构以及安装阻尼杆的双重方式在基本保障实时性的条件下消除振荡。
Claims (5)
1.一种无人机三自由度空中自主加油装置，其特征在于：所述无人机包括加油机和受油机，该装置安装在加油机上，该装置分为机械结构和控制系统两部分；
所述机械结构包括一个机械平台、加油杆、三个舵机、两个摄像机和一个摄像机安装架；
所述机械平台用于固定安装电源、英特尔微型计算机NUC模块、单片机模块和阻尼模块；机械平台下方安装悬挂加油杆；所述三个舵机中每个舵机控制一个自由度，并相应配套舵盘完成机械运动；三个舵机采用相互垂直的安装方式，分别完成加油杆的偏航、俯仰和伸缩运动；
所述舵盘分为两个第一舵盘和一个第二舵盘；两个第一舵盘为U字型，开口端分别固定在偏航和俯仰舵机上并且所在平面相互垂直，各自完成对相应自由度的控制；第二舵盘为圆盘形，固定在伸缩舵机上，完成加油杆的伸缩自由度的控制；
所述单片机模块用于接收NUC模块解算的加油机与受油机之间的视觉测量结果，通过单片机模块的计算单元处理形成舵机指令，执行机构将舵机指令传输给舵机完成相应指令；
所述阻尼模块包括两个阻尼杆，对加油杆三个自由度运动起到阻尼作用；
所述的摄像机安装架为T字型，倒装在机械平台下方，两端以中间对称分别各安装一个摄像机，用于采集加油机当前航拍的图像；图像通过通信机构传输给NUC模块，完成视觉信息解算，得到加油机与受油机的位置姿态；
控制系统包括：位姿信息处理单元、舵机控制单元和电源单元；
所述位姿信息处理单元负责对NUC模块利用视觉信息算法处理得到的位姿关系进行处理，得到舵机的动作指令；
所述舵机控制单元负责将舵机动作指令转换成舵盘旋转角度，带动舵盘完成相应动作；
所述电源单元为整个硬件系统提供电源；
所述装置具体工作步骤如下：
步骤一：加油杆初始状态为受到阻尼杆拉力的自然下垂状态；当NUC模块将视觉解算结果通过串口通信传输给单片机模块，单片机模块利用两机之间的相对距离求得加油杆相对于飞行平面所需调整的角度；所述视觉解算结果为两个无人机的坐标转换关系，是一个旋转矩阵R和一个平移矩阵T；
步骤二：舵盘角度由其内置机构决定，将舵盘的行程角度转换成0到2500的编码；在得到上述角度信息后，位姿信息处理单元将转换得到的编码传输给舵机控制单元，再由舵机控制单元带动舵机进行动作；
其中，在步骤一中，对加油杆进行建模：
步骤1.1AB、BC为二自由度舵机组的舵面，AB是控制偏航的舵面，BC为控制俯仰的舵面；CO为加油杆，O点为加油杆端点，CO垂直于BC；
步骤1.2已知杆的状态，求解空间坐标：
分别以A、B、C三点为原点建立“前—右—下”三个坐标系；设加油杆长为L，则O点在C系下的坐标为Xc，偏航角为ψ，俯仰角为θ，现求解O点在A系下的坐标；
为求得O点在A系下坐标，需将C系依次变换到B系、A系，即Xc→XB→XA
A.Xc→XB
设C系到B系旋转矩阵为RCB，位移矩阵为TCB；C系绕YC轴旋转θ，再平移向量TCB，得到B系
XB＝RCBXC+TCB (1)
其中
B.XB→XA
设B系到A系旋转矩阵为RBA，位移矩阵为TBA；B系绕ZA轴旋转ψ，再平移向量TBA，得到A系
XA＝RBAXB+TBA (2)
其中
C.XA→XS
XS为舵机组坐标系原点，将A系平移向量TAS即得到S系
XS＝XA+TAS (3)
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综上，由式(1)-(3)式得到加油杆端点O在S系下坐标为
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令XS＝RXC+T，则
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<mi>sin</mi>
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</mtd>
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<mn>0</mn>
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<mn>0</mn>
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<mn>1</mn>
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</mfenced>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mtd>
<mn>0</mn>
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</mtr>
<mtr>
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<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>28</mn>
</mrow>
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<mtr>
<mtd>
<mn>58</mn>
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<mfenced open = "[" close = "]">
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<mn>66</mn>
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</mtr>
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<mtd>
<mn>38</mn>
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<mo>+</mo>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtd>
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因此O点从C系到S系的变换公式为
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<mn>0</mn>
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<mn>28</mn>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
O点在C系下坐标为Xc(O)＝(L,0,0)T，在S系下坐标为XS(O)＝(xS,yS,zS)T，代入式(7)得到
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mi>x</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
</mtd>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
步骤1.3加油杆位姿关系逆解：
由视觉算法测量解算受油口相对加油机的空间坐标；该坐标经过坐标变换得到加油杆端点O的目标位置XS(O)；因此，需要由XS(O)推算出杆的位姿关系
<mrow>
<msub>
<mi>X</mi>
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</msub>
<mo>=</mo>
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</mtr>
<mtr>
<mtd>
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
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<mo>;</mo>
</mrow>
A.加油杆的长度L
由于L相比于从A系到S系的位移矩阵中每个参数大很多，将杆的另外一个端点移到S系原点，则
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<mi>L</mi>
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B.加油杆俯仰角θ
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C.加油杆偏航角ψ
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>11</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
由上述步骤，就能得到加油杆需要的俯仰、偏航角度以及杆的距离参数；之后就能通过通信协议将这些指令传输给舵机控制单元。
2.根据权利要求1所述的无人机三自由度空中自主加油装置，其特征在于：所述加油杆能二截伸缩，长度为2米，直径从6mm至16mm，为中空结构。
3.根据权利要求1所述的无人机三自由度空中自主加油装置，其特征在于：所述两个第一舵盘行程为90度，用于控制加油杆的偏航和俯仰运动，一个第二舵盘行程为720度，用于完成加油杆的伸缩运动。
4.根据权利要求1所述的无人机三自由度空中自主加油装置，其特征在于：所述两个阻尼杆分为第一阻尼杆和第二阻尼杆；第二阻尼杆外径6mm，长度1米，内嵌于加油杆中，对加油杆伸缩起到阻尼作用；第一阻尼杆的两端分别通过螺钉固定于机械平台上片和加油杆，对加油杆的偏航俯仰运动起到阻尼作用。
5.根据权利要求1所述的无人机三自由度空中自主加油装置，其特征在于：所述位姿信息处理单元和舵机控制单元的控制方式为自动运行，根据用户内置的控制率，在加油机和受油机飞行期间，将两者之间的实时相对位置姿态解算成舵机控制指令最终完成加油杆的对准。
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