CN115686043A - 固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法。该方法包括以下步骤：步骤1、以固定翼飞行器的航线为对接航线，旋翼飞行器靠近对接航线位置；步骤2、固定翼飞行器保持定高最低巡航速度，旋翼飞行器使用搭载的深度相机对设置于固定翼飞行器上的合作标靶图像进行捕捉和识别；合作标靶包括具有至少三个角点的蓝色外轮廓及“H”形黄色内轮廓；步骤3、基于合作标靶图像获取两个飞行器之间精确的相对位姿信息；步骤4、根据所获取的相对位姿信息，逐渐缩小两飞行器之间的相对距离，使得分别设置于固定翼飞行器和旋翼飞行器的对接机构实现触发并锁定，从而完成空中对接。相比现有技术，本发明可实现固定翼和旋翼飞行器的精准空中对接。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行器空中对接方法，尤其涉及一种固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法。
背景技术
当今复杂环境下飞行如舰载飞行等对飞行器提出了新的要求，其中一个重要能力就是既占地面积小、快速起飞，又能携带一定载荷长航时远距离地执行任务。常规固定翼飞机飞行速度快、巡航距离远，能够在一定程度上满足任务需求，但其起降需要固定跑道，对起飞空间提出了较高的要求。直升机能够垂直起降，对起降空间要求低，容易满足舰船空间使用要求，但其存在飞行效率较低、飞行速度低及巡航距离短等诸多缺点，有时难以满足任务需求。
为了兼顾上述飞行器的优点，有研究者提出固定翼和旋翼的组合飞行器的概念，例如CN112722284A所公开的“固定翼飞行器辅助垂直起降方法及装置”，其由执行任务机(固定翼飞行器)和垂直起降机(多旋翼飞行器)两个分体组成。两种机型在垂直起降时结合，在任务飞行时分体，既具有旋翼机可垂直起降、飞行灵活、自由度高、空中悬停等优点，又兼具了固定翼飞行器续航时间久、巡航距离长、飞行速度快等特点。
固定翼和旋翼的组合飞行器的关键之处在于固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接。目前空中对接技术多用于空中加油系统，核心是加油机对受油机锥套的追踪，而不是飞行器本身进行追踪，缺少双飞行器之间的互相通讯和控制能力。现有飞行器对接技术基本基于机载全球定位系统和/或机载雷达，通过双机间的信息交互实现。但此种对接方式难以完全满足固定翼飞行器和旋翼飞行器的精确空中对接要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，综合考虑固定翼飞行器和旋翼飞行器飞行速度、飞行姿态等飞行特性存在的明显差异，在现有基于机载全球定位系统和/或机载雷达对接技术基础上，结合图像识别技术进行精准空中对接。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，包括以下步骤：
步骤1、以固定翼飞行器的航线为对接航线，旋翼飞行器靠近对接航线位置；
步骤2、固定翼飞行器保持定高最低巡航速度，旋翼飞行器根据相对位置和相对速度综合调整飞行状态，使两飞行器均保持相应设定高度，旋翼飞行器使用搭载的深度相机对设置于固定翼飞行器上的合作标靶图像进行捕捉和识别；所述合作标靶包括蓝色外轮廓与“H”形黄色内轮廓的组合，所述蓝色外轮廓具有至少三个角点；
步骤3、基于捕捉和识别出的合作标靶图像获取两个飞行器之间精确的相对位姿信息，
步骤4、根据所获取的相对位姿信息，在传统PID控制基础上，利用卡尔曼滤波进行相对轨迹预测实现上层控制，控制量选取偏航弥补横向误差，俯仰弥补纵向误差，同时通过姿态补偿保证对接过程姿态稳定，逐渐缩小两飞行器之间的相对距离，使得分别设置于固定翼飞行器和旋翼飞行器的对接机构实现触发并锁定，从而完成空中对接。
进一步地，所述“H”形黄色内轮廓内部还嵌套有红色轮廓。
优选地，使用以下方法对合作标靶图像进行捕捉和识别：
将深度相机获取的图像转换至HSV颜色空间；
分别通过相应的颜色阈值获取蓝色外轮廓和“H”形黄色内轮廓的蒙版；
针对所获取的蒙版，根据边界和连通域关系，利用两个方向的算子与蒙版卷积进行边缘检测，提取出蓝色外轮廓与“H”形黄色内轮廓的边缘连续像素点。
进一步优选地，蓝色外轮廓的颜色阈值范围为[100,80,80]到[124,255,255]，“H”形黄色内轮廓的颜色阈值范围为[20,70,70]到[55,255,255]。
优选地，所述基于捕捉和识别出的合作标靶图像获取两个飞行器之间精确的相对位姿信息，具体方法如下：
基于轮廓尖锐度进行角点检测：对于轮廓上的任一点pi，定义其尖锐度为1-ang，
pi-k、pi+k分别为轮廓上与pi相距预设距离的前、后两点，符号“||”表示取两点间距离，尖锐度大于预设尖锐度阈值的点即识别为角点；
根据识别出的角点获取相机相对标识物之间的相对偏转；基于PNP问题求解相机坐标系与标识物的世界坐标系间的相对位姿关系。
进一步优选地，所述预设距离为：轮廓总长加上10之后除以轮廓总长，然后向下取整。
进一步优选地，所述预设尖锐度阈值为0.2。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明综合考虑固定翼飞行器和旋翼飞行器飞行速度、飞行姿态等飞行特性存在的明显差异，针对固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接任务，在传统对接技术基础上，结合图像识别技术，基于特殊设计的合作标靶，完成固定翼飞行器和旋翼飞行器的精准空中对接，有效提高了空中对接的效率、精准度及安全性。
附图说明
图1为固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接流程示意图；
图2为合作标靶示意图；
图3为基于合作标靶图像获取两个飞行器之间精确的相对位姿信息的流程示意图；
图4为图像处理系统对合作标靶的识别过程示意图；
图5为合作标靶的其他形式示例；
图6为对接过程中旋翼飞行器的控制原理示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是综合考虑固定翼飞行器和旋翼飞行器飞行速度、飞行姿态等飞行特性存在的明显差异，针对固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接任务，在传统对接技术基础上，结合图像识别技术，基于特殊设计的合作标靶，完成固定翼飞行器和旋翼飞行器的精准空中对接。
本发明所提出的固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，包括以下步骤：
步骤1、以固定翼飞行器的航线为对接航线，旋翼飞行器靠近对接航线位置；
步骤2、固定翼飞行器保持定高最低巡航速度，旋翼飞行器根据相对位置和相对速度综合调整飞行状态，使两飞行器均保持相应设定高度，旋翼飞行器使用搭载的深度相机对设置于固定翼飞行器上的合作标靶图像进行捕捉和识别；所述合作标靶包括蓝色外轮廓与“H”形黄色内轮廓的组合，所述蓝色外轮廓具有至少三个角点；
步骤3、基于捕捉和识别出的合作标靶图像获取两个飞行器之间精确的相对位姿信息，
步骤4、根据所获取的相对位姿信息，在传统PID控制基础上，利用卡尔曼滤波进行相对轨迹预测实现上层控制，控制量选取偏航弥补横向误差，俯仰弥补纵向误差，同时通过姿态补偿保证对接过程姿态稳定，逐渐缩小两飞行器之间的相对距离，使得分别设置于固定翼飞行器和旋翼飞行器的对接机构实现触发并锁定，从而完成空中对接。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施例中固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接过程，如图1所示，具体如下：
(1)在固定翼飞行器降落阶段，旋翼无人机和固定翼无人机进入准备对接状态，固定翼飞行器和旋翼飞行器确认飞行状态，飞行高度是否满足对接需求，根据固定翼飞行器的当前经纬度与飞行方向，计算固定翼飞行器航线，旋翼飞行器根据导航信息按照固定翼飞行器航线飞行，固定翼飞行器进行定高低速巡航。
进入粗精度对接控制阶段：根据双机的相对距离控制飞行速度。两飞行器接近后保持相同速度飞行，基于GPS数据保证一定误差下的相对静止，通过机器视觉提供的深度信息和气压计数据融合综合调整双飞行器之间的相对高度，避免碰撞。
旋翼飞行器搭载有深度相机，通过机载的图像处理系统对深度相机获取的视频流进行实时解析，捕捉识别如图2所示的合作标靶图像，图2的合作标靶图像特征相对简单，角点特征明显，更容易在空中实现捕获，该合作标靶蓝色外轮廓与“H”形黄色内轮廓组合而成，蓝色外轮廓较大，方便实现远距离捕捉，并通过角点关系判断位姿方向，黄色内轮廓较小，用于实现近距离下像素级高精度位置控制。随着双机相对距离的缩短，图像处理系统识别到旋翼飞行器的对接装置上的合作标靶后便开始利用视觉位姿信息进行高精度对接控制阶段。
合作标靶图像的捕捉和识别以及精确相对位姿的获取，具体过程如下：
首先对图像进行预处理，包括高斯模糊、线性增强、光照不变矩等操作，确保空中视野下各种复杂情况旋翼机的图像处理系统具备稳定高效的识别性能。
然后对预处理后图像中合作标靶的内外两个轮廓独立开展识别：
对于外围蓝色大轮廓，其识别过程如图3所示；
首先将图像转换至HSV颜色空间，然后通过相应的颜色阈值获取蓝色外轮廓；基于阈值的颜色特征提取受光照、环境等因素影响较大，蓝色在强光下更偏向白色，而模型数据表明白色和蓝色中间存在数据阶跃变化，因此需要合理制定筛选颜色阈值，经测试实验后本发明选取的颜色阈值范围为[100,80,80]到[124,255,255]；
针对所获取的蒙版，根据边界和连通域关系，利用两个方向的算子与蒙版卷积进行边缘检测，提取出蓝色外轮廓的边缘连续像素点；
“H”形黄色内轮廓的识别过程与此类似，不同之处在于所选取的颜色阈值范围为[20,70,70]到[55,255,255]。
完成内外两个轮廓的识别后，即可在此基础上获取两个飞行器之间精确的相对位姿信息，具体过程如下：
合作标靶图像的识别结果是由许多像素点组成的轮廓，需获取特定角点以进行后续的位姿解算，由于本发明采用了特殊设计的合作标靶图像，因此可基于轮廓尖锐度进行角点检测，其具体方法如下：对于轮廓上的任一点pi，定义其尖锐度为1-ang，
pi-k、pi+k分别为轮廓上与pi相距预设距离的前、后两点，符号“||”表示取两点间距离，尖锐度大于预设尖锐度阈值的点即识别为角点；经大量实验验证，所述预设距离优选为：轮廓总长加上10之后除以轮廓总长，然后向下取整；所述尖锐度阈值优选为0.2，即尖锐度大于0.2的点pi标记为角点；在该参数设置下，合作标靶图像会稳定的输出三个角点，如图4所示；
获取到的三个角点两两连线，距离最短的直线角点为底部的两个角点，取该直线中点连接顶部角点作为指向向量，该向量方向即为相机相对合作标靶之间的偏转，即偏航差。
已知合作标靶的实际大小，进行PNP问题求解，通过余弦定理建立基本约束方程，使用点云配准算法得到相机坐标系与表示合作标靶的世界坐标系间的绝对位姿关系，包括绝对平移向量t以及旋转矩阵R。再根据平移矩阵和旋转矩阵求出深度信息和旋转角，通过标定的相机和坐标系的建立实现位姿求解。
图5展示了另外两种采用不同设计的合作标靶，其中左侧的合作标靶是在图2基础上在“H”形黄色内轮廓内部还嵌套一个较小的红色轮廓，可提供更进一步的精确位置反馈；右侧的合作标靶则角点数更多，识别难度相对较高，但所获取的相对位姿精度会提高。
(2)获取精确相对位姿后进入高精度对接模式：
底层控制：对接的核心在于保持双机的相对静止，固定翼和旋翼的飞行特性不同，防止速度控制下飞行器的姿态变化影响对接的安全性，又要避免速度和姿态控制的耦合特性影响对接的稳定性；
基础的飞行控制通过输入x，y，H作为距离指令，与高度、位置传感器反馈数据作差获取距离误差，形成位置闭环控制；距离误差经由PID控制器计算得到飞行器的期望速度，和速度传感器反馈形成闭环控制。期望速度再经由PID控制器计算得到期望加速度，即飞机姿态，通过俯仰姿态提供y方向加速度，滚转姿态提供x方向加速度，电机功率提供z方向(高度)加速度。
高精度对接模式下，为保证姿态尽可能平稳，底层控制在上述基本的飞行控制上作出如下改变：x方向的距离误差经由PID控制器之后获取为飞行器的期望偏航姿态，同时对y方向导致的俯仰姿态进行姿态补偿，如图6所示。
对接过程中旋翼飞行器以图像输出的水平、竖直方向的相对位置作为x,y误差量，
x方向上，即水平面下垂直于航线的方向，通过前行过程改变偏航
弥补x方向误差。综合期望偏航角以及双机的航线偏差进行飞行控制；y方向上，由于俯仰姿态会产生较大的向前的倾角φd，可以结合对接机构上的舵机进行单自由度稳定控制实现姿态补偿，对接机构圆心与飞机重心近乎重叠，舵机旋转角度θ＝φd，即保证俯仰改变的情况下，对接机构末端保持相对稳定。
上层控制：对于GPS和视觉提供的误差量的处理，传统控制方法使用PID等闭环控制进行位置闭环控制，在上述飞行控制的基础上，为保证宏观上飞行器能更快更稳定的互相靠近，本发明在基本PID闭环控制的基础上，通过视觉和GPS数据对两个飞行器进行相对轨迹预测，利用预测控制超前控制旋翼的对接流程，使飞行器在空中气流或其他因素影响固定翼飞行的情况下，仍能保证对接安全稳定的进行。
预测算法流程原理如下：
以固定翼飞行器为相对坐标原点，基于卡尔曼滤波原理进行预测其位置y1(k+1)＝y1(k)+T1uy1(k)、x1(k+1)＝x1(k)+uy1sinθV、h1(k+1)＝h1(k)+T1uz1(k)。其中θV为气流或者其他因素导致的固定翼偏航的与原航线的变化，即保证固定翼定高低速直线巡航的状态，并往后进行n个点的位置预测。
基于卡尔曼滤波公式，持续根据前面得到的前一时刻的最优状态估计X(k)以及当前时刻的观测值Z(k)预测出第k+1时刻下的轨迹点位置用来作为控制飞行的反馈量进行PID控制。
保证飞行器近距离相对静止，对接末端将图像识别中心前移，相对高度降低，进而让预测位置前移，逐渐拉近相对距离，直到完成飞行器的空中对接。
Claims (7)
1.一种固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、以固定翼飞行器的航线为对接航线，旋翼飞行器靠近对接航线位置；
步骤2、固定翼飞行器保持定高最低巡航速度，旋翼飞行器根据相对位置和相对速度综合调整飞行状态，使两飞行器均保持相应设定高度，旋翼飞行器使用搭载的深度相机对设置于固定翼飞行器上的合作标靶图像进行捕捉和识别；所述合作标靶包括蓝色外轮廓与“H”形黄色内轮廓的组合，所述蓝色外轮廓具有至少三个角点；
步骤3、基于捕捉和识别出的合作标靶图像获取两个飞行器之间精确的相对位姿信息；
步骤4、根据所获取的相对位姿信息，在传统PID控制基础上，利用卡尔曼滤波进行相对轨迹预测实现上层控制，控制量选取偏航弥补横向误差，俯仰弥补纵向误差，同时通过姿态补偿保证对接过程姿态稳定，逐渐缩小两飞行器之间的相对距离，使得分别设置于固定翼飞行器和旋翼飞行器的对接机构实现触发并锁定，从而完成空中对接。
2.如权利要求1所述固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，其特征在于，所述“H”形黄色内轮廓内部还嵌套有红色轮廓。
3.如权利要求1所述固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，其特征在于，使用以下方法对合作标靶图像进行捕捉和识别：
将深度相机获取的图像转换至HSV颜色空间；
分别通过相应的颜色阈值获取蓝色外轮廓和“H”形黄色内轮廓的蒙版；
针对所获取的蒙版，根据边界和连通域关系，利用两个方向的算子与蒙版卷积进行边缘检测，提取出蓝色外轮廓与“H”形黄色内轮廓的边缘连续像素点。
4.如权利要求3所述固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，其特征在于，蓝色外轮廓的颜色阈值范围为[100,80,80]到[124,255,255]，“H”形黄色内轮廓的颜色阈值范围为[20,70,70]到[55,255,255]。
5.如权利要求1所述固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，其特征在于，所述基于捕捉和识别出的合作标靶图像获取两个飞行器之间精确的相对位姿信息，具体方法如下：
基于轮廓尖锐度进行角点检测：对于轮廓上的任一点pi，定义其尖锐度为1-ang，
pi-k、pi+k分别为轮廓上与pi相距预设距离的前、后两点，符号“||”表示取两点间距离，尖锐度大于预设尖锐度阈值的点即识别为角点；
根据识别出的角点获取相机相对标识物之间的相对偏转；基于PNP问题求解相机坐标系与标识物的世界坐标系间的相对位姿关系。
6.如权利要求5所述固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，其特征在于，所述预设距离为：轮廓总长加上10之后除以轮廓总长，然后向下取整。
7.如权利要求5所述固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法，其特征在于，所述预设尖锐度阈值为0.2。
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