CN115933442A - 一种空中加油自主对接过程的地面模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

公开一种空中加油自主对接过程的地面模拟系统及方法，系统包括：直线导轨；第一机械臂，设置于直线导轨上；第二机械臂，设置于直线导轨一端的地面上；受油探头，设置于第一机械臂上；加油锥套，设置于第二机械臂上；视觉导引单元，用于确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系，并根据相对位置关系生成视觉导引信号；飞行仿真计算机，分别与第一机械臂、第二机械臂和视觉导引单元电连接，用于根据视觉导引信号生成运动驱动指令，并通过运动驱动指令对第一机械臂和/或第二机械臂进行驱动；光学测量单元，与飞行仿真计算机电连接，用于确定受油探头和加油锥套的位置与姿态信息，并将位置与姿态信息实时传输至飞行仿真计算机。

Description

一种空中加油自主对接过程的地面模拟系统及方法

技术领域

本公开总体说来涉及飞行器半实物仿真实验技术领域，更具体地讲，涉及一种空中加油自主对接过程的地面模拟系统及方法。

背景技术

空中加油是有效增大受油机航程与航时的重要手段。在空中加油过程中，难度最大、飞行员操纵负担最重的环节是空中加油对接，即受油探头与加油锥套的对接。为了降低飞行员操纵负担，提高对接成功率，自主对接技术是空中加油的发展趋势。而在空中加油自主对接技术中，自主对接控制技术、加油锥套相对位置视觉导引技术是其中非常关键的两项技术，其技术成熟度与软硬件可靠性极大影响自主对接的成功率与安全性。因此，开展空中加油自主对接半实物仿真验证，评估自主对接控制、加油锥套相对位置视觉导引系统的软硬件精度与可靠性，具有重要应用价值。

发明内容

本公开提供一种空中加油自主对接过程的地面模拟系统及方法，能够用于空中加油自主过程中，加油锥套与受油探头对接过程的地面半实物仿真实验模拟，有利于提高空中加油自主对接技术成熟度与安全性。

在一个总的方面，提供一种空中加油自主对接过程的地面模拟系统，包括：直线导轨；第一机械臂，设置于所述直线导轨上；第二机械臂，设置于所述直线导轨一端的地面上；受油探头，设置于所述第一机械臂上，以随所述第一机械臂进行运动；加油锥套，设置于所述第二机械臂上，以随所述第二机械臂进行运动；视觉导引单元，用于确定所述受油探头与所述加油锥套之间的相对位置关系，并根据所述相对位置关系生成视觉导引信号；飞行仿真计算机，分别与所述第一机械臂、所述第二机械臂和所述视觉导引单元电连接，用于根据所述视觉导引信号生成运动驱动指令，并通过所述运动驱动指令对所述第一机械臂和/或所述第二机械臂进行驱动；光学测量单元，与所述飞行仿真计算机电连接，用于确定所述受油探头和所述加油锥套的位置与姿态信息，并将所述位置与姿态信息实时传输至所述飞行仿真计算机。

可选地，所述视觉导引单元包括相机和图像处理器，其中，所述相机设置于所述受油探头上，用于获取包含加油锥套的数字图像；所述图像处理器分别与所述相机和所述飞行仿真计算机电连接，用于根据所述数字图像中加油锥套的大小和畸变程度来确定所述受油探头与所述加油锥套之间的相对位置关系，然后根据所述相对位置关系生成视觉导引信号，并将所述视觉导引信号传输至所述飞行仿真计算机。

可选地，所述光学测量单元包括光学测量镜头组和光学测量解算计算机，其中，所述光学测量镜头组包括多个镜头，设置于所述第一机械臂和所述第二机械臂的上方，用于获取包含探头标识点和锥套标识点的光学图像，其中，所述探头标识点设置于所述受油探头上，所述锥套标识点设置于所述加油锥套上；所述光学测量解算计算机分别与所述光学测量镜头组和所述飞行仿真计算机电连接，用于根据所述光学图像中探头标识点和锥套标识点的空间位置信息来确定所述受油探头和所述加油锥套的位置与姿态信息，并将所述位置与姿态信息实时传输至所述飞行仿真计算机。

在另一总的方面，提供一种空中加油自主对接过程的地面模拟方法，利用如上所述的空中加油自主对接过程的地面模拟系统来实现，包括：确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系，并根据所述相对位置关系生成视觉导引信号；基于所述视觉导引信号，利用仿真程序生成仿真位置坐标和仿真姿态坐标，并基于所述仿真位置坐标和仿真姿态坐标，确定所述受油探头在第一机械臂坐标系中的第一位置坐标和第一姿态坐标与所述加油锥套在第二机械臂坐标系中的第二位置坐标和第二姿态坐标；基于所述第一位置坐标和第一姿态坐标，生成第一运动驱动指令，以驱动第一机械臂进行运动，从而使所述受油探头达到指定的位置和姿态，和/或，基于所述第二位置坐标和第二姿态坐标，生成第二运动驱动指令，以驱动第二机械臂进行运动，从而使所述加油锥套达到指定的位置和姿态。

可选地，所述确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系，并根据所述相对位置关系生成视觉导引信号，包括：获取包含加油锥套的数字图像；根据所述数字图像中加油锥套的大小和畸变程度，确定所述受油探头与所述加油锥套之间的相对位置关系；根据所述相对位置关系生成视觉导引信号。

可选地，所述仿真位置坐标包括加油机的东北天坐标、受油探头的东北天坐标和加油锥套的东北天坐标，所述仿真姿态坐标包括受油探头的三轴姿态坐标和加油锥套的三轴姿态坐标。

可选地，所述基于所述仿真位置坐标和仿真姿态坐标，确定所述受油探头在第一机械臂坐标系中的第一位置坐标和第一姿态坐标与所述加油锥套在第二机械臂坐标系中的第二位置坐标和第二姿态坐标，包括：基于所述加油机的东北天坐标、所述受油探头的东北天坐标，确定所述受油探头在预先建立的测量坐标系中的第三位置坐标，并且基于所述受油探头的三轴姿态坐标，确定所述受油探头在所述测量坐标系中的第三姿态坐标；基于预先确定的所述测量坐标系和所述第一机械臂坐标系之间的第一转换关系，将所述第三位置坐标和所述第三姿态坐标分别转换为所述第一位置坐标和所述第一姿态坐标；基于所述加油机的东北天坐标、所述加油锥套的东北天坐标，确定所述加油锥套在所述测量坐标系中的第四位置坐标，并且基于所述加油锥套的三轴姿态坐标，确定所述加油锥套在所述测量坐标系中的第四姿态坐标；基于预先确定的所述测量坐标系和所述第二机械臂坐标系之间的第二转换关系，将所述第四位置坐标和所述第四姿态坐标分别转换为所述第二位置坐标和所述第二姿态坐标。

可选地，所述测量坐标系包括原点、 x轴、 y轴和 z轴，所述原点位于直线导轨的中心位置，所述 x轴沿直线导轨方向指向第二机械臂，所述 z轴沿重力方向指向上，所述 y轴分别与所述 x轴和所述 z轴相垂直并且指向所述 x轴的左侧。

可选地，所述第一转换关系通过以下步骤来预先确定：在所述第一机械臂旁设置多个光学标识点，其中，所述多个光学标识点的第一数量大于或者等于4，并且设置于同一平面的光学标识点的第二数量小于所述第一数量；利用光学测量单元确定每个光学标识点在所述测量坐标系中的三维坐标，得到多个第一坐标；在所述第一机械臂前端安装预设长度的细杆，调整所述第一机械臂，使所述细杆的一端依次与每个光学标识点接触；在所述细杆的一端每次与光学标识点接触时，获取所述第一机械臂前端在所述第一机械臂坐标系中的三维坐标，得到多个第二坐标；基于所述预设长度、所述多个第一坐标和所述多个第二坐标，确定所述测量坐标系和所述第一机械臂坐标系之间的坐标旋转矩阵和坐标平移向量，并将所述测量坐标系和所述第一机械臂坐标系之间的坐标旋转矩阵和坐标平移向量作为所述第一转换关系。

可选地，还包括：获取包含探头标识点和锥套标识点的光学图像，其中，所述探头标识点设置于所述受油探头上，所述锥套标识点设置于所述加油锥套上；根据所述光学图像中探头标识点和锥套标识点的空间位置信息，确定所述受油探头和所述加油锥套的位置与姿态信息，其中，所述位置与姿态信息用于评估所述受油探头随所述第一机械臂和/或所述加油锥套随所述第二机械臂运动的执行结果。

根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟系统及方法，能够通过飞行仿真计算机根据视觉导引信号生成驱动机械臂的运动驱动指令，使机械臂带动受油探头和加油锥套运动，并利用光学测量单元采样高精度位姿数据来进行对比评估，从而能够用于空中加油自主过程中，加油锥套与受油探头对接过程的地面半实物仿真实验模拟，有效验证自主对接控制策略、控制逻辑，准确评估加油锥套相对位置视觉导引系统的精度和可靠性，有利于提高空中加油自主对接技术成熟度与安全性。

将在接下来的描述中部分阐述本公开总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本公开总体构思的实施而得知。

附图说明

通过下面结合示出实施例的附图进行的描述，本公开的实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟系统的框图；

图2是示出根据本公开的实施例的地面模拟系统演示图；

图3是示出根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟方法的流程图；

图4是示出根据本公开的实施例的半实物仿真原理图。

附图中，100、地面模拟系统；110、直线导轨；120、第一机械臂；130、第二机械臂；140、受油探头；150、加油锥套；160、视觉导引单元；170、飞行仿真计算机；180、光学测量单元；210、光学测量镜头组；220、网线；230、路由器；240、光学测量解算计算机；250、探头标识点；260、贴锥套标识点；270、相机；280、图像处理器。

具体实施方式

提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。

在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，已提供在此描述的示例，以仅示出实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本申请的公开之后将是清楚的。

除非另有定义，否则在此使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与由本公开所属领域的普通技术人员在理解本公开之后通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地如此定义，否则术语（诸如，在通用词典中定义的术语）应被解释为具有与它们在相关领域的上下文和本公开中的含义一致的含义，并且不应被理想化或过于形式化地解释。

此外，在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起对本公开的模糊解释时，将省略这样的详细描述。

下面将参照图1至图4对根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟系统及方法进行详细描述。

图1是示出根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟系统的框图。

参照图1，根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟系统100可包括直线导轨110、第一机械臂120、第二机械臂130、受油探头140、加油锥套150、视觉导引单元160、飞行仿真计算机170和光学测量单元180。

直线导轨110可设置于地面。

第一机械臂120可设置于直线导轨110上，并且可在直线导轨110上沿直线导轨方向进行运动。

第二机械臂130可设置于直线导轨110一端的地面上。

受油探头140可设置于第一机械臂120上，以随第一机械臂120进行运动，从而受油探头140可在第一机械臂120的带动下进行受控的姿态运动与大范围位移运动。

加油锥套150可设置于第二机械臂130上，以随第二机械臂130进行运动，从而加油锥套150可在第二机械臂130的带动下进行受控的姿态运动与小范围位移运动。

视觉导引单元160可用于确定受油探头140与加油锥套150之间的相对位置关系，并根据相对位置关系生成视觉导引信号。

飞行仿真计算机170可分别与第一机械臂120、第二机械臂130和视觉导引单元160电连接，用于根据视觉导引信号生成运动驱动指令，并通过运动驱动指令对第一机械臂120和/或第二机械臂130进行驱动。这里，电连接可以但不限于是采用网线等信号线缆进行连接，本领域技术人员可根据实际情况来配置，此处不再赘述。

光学测量单元180可与飞行仿真计算机170电连接，用于确定受油探头140和加油锥套150的位置与姿态信息，并将位置与姿态信息实时传输至飞行仿真计算机170。

根据本公开的实施例，视觉导引单元160可包括相机和图像处理器。相机可设置于受油探头140上，用于获取包含加油锥套150的数字图像。作为示例，相机可以是CCD（ChargeCoupled Device，电荷耦合器件）相机，但本公开不限于此。图像处理器可分别与相机和飞行仿真计算机170电连接，用于根据数字图像中加油锥套150的大小和畸变程度来确定受油探头140与加油锥套150之间的相对位置关系，然后根据相对位置关系生成视觉导引信号，并将视觉导引信号传输至飞行仿真计算机170。通过相机获取数字图像，能够在保证精确度的基础上，快速地确定受油探头140与加油锥套150之间的相对位置关系，提升了利用地面模拟系统100进行仿真的高效性。

根据本公开的实施例，光学测量单元180可包括光学测量镜头组和光学测量解算计算机。光学测量镜头组包括多个镜头，可设置于第一机械臂120和第二机械臂130的上方，用于获取包含探头标识点和锥套标识点的光学图像。这里，探头标识点可设置于受油探头140上，锥套标识点可设置于加油锥套150上。光学测量解算计算机可分别与光学测量镜头组和飞行仿真计算机170电连接，用于根据光学图像中探头标识点和锥套标识点的空间位置信息来确定受油探头140和加油锥套150的位置与姿态信息，并将位置与姿态信息实时传输至飞行仿真计算机170。这里，光学测量解算计算机可通过路由器分别与光学测量镜头组和飞行仿真计算机170电连接。通过光学测量镜头组获取光学图像，精度比数字图像高1至2个数量级，从而能够保证光学测量单元180的数据具有极高的精度，该数据可以用来与视觉导引单元160的数据进行对比，以评估视觉导引单元160的精度和可靠性。

为了更好地理解上述实施例，下面结合图2来进行描述。

图2是示出根据本公开的实施例的地面模拟系统演示图。

参照图2，可在直线导轨110上安装第一机械臂120，在第一机械臂120上安装受油探头140，在直线导轨110一端适当位置的地面上安装第二机械臂130，在第二机械臂130上安装加油锥套150。作为示例，可在两个机械臂上方的墙壁上固定安装光学测量镜头组210，每个镜头可通过网线220与路由器230相连，路由器230可通过网线220分别连接光学测量解算计算机240与飞行仿真计算机170。此外，可在受油探头140上粘贴探头标识点250，在加油锥套150上粘贴锥套标识点260，在受油探头140上安装相机270，并将其信号引入图像处理器280。

根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟系统，能够通过飞行仿真计算机根据视觉导引信号生成驱动机械臂的运动驱动指令，使机械臂带动受油探头和加油锥套运动，并利用光学测量单元采样高精度位姿数据来进行对比评估，从而能够用于空中加油自主过程中，加油锥套与受油探头对接过程的地面半实物仿真实验模拟，有效验证自主对接控制策略、控制逻辑，准确评估加油锥套相对位置视觉导引系统的精度和可靠性，有利于提高空中加油自主对接技术成熟度与安全性。

下面结合图3来描述根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟方法。根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟方法可利用如上所述的空中加油自主对接过程的地面模拟系统来实现。

图3是示出根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟方法的流程图。

参照图3，在步骤S301中，可确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系，并根据相对位置关系生成视觉导引信号。这里，可获取包含加油锥套的数字图像；根据数字图像中加油锥套的大小和畸变程度，确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系；根据相对位置关系生成视觉导引信号。进一步地，可利用相机获取包含加油锥套的数字图像；然后利用图像处理器根据数字图像中加油锥套的大小和畸变程度，确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系，再根据相对位置关系生成视觉导引信号。通过相机获取数字图像，能够在保证精确度的基础上，快速地确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系，提升了利用地面模拟系统进行仿真的高效性。

接下来，在步骤S302中，可基于视觉导引信号，利用仿真程序生成仿真位置坐标和仿真姿态坐标，并基于仿真位置坐标和仿真姿态坐标，确定受油探头在第一机械臂坐标系中的第一位置坐标和第一姿态坐标与加油锥套在第二机械臂坐标系中的第二位置坐标和第二姿态坐标。这里，仿真位置坐标可包括加油机的东北天坐标、受油探头的东北天坐标和加油锥套的东北天坐标，仿真姿态坐标可包括受油探头的三轴姿态坐标和加油锥套的三轴姿态坐标。

根据本公开的实施例，可基于加油机的东北天坐标、受油探头的东北天坐标，确定受油探头在预先建立的测量坐标系中的第三位置坐标，并且基于受油探头的三轴姿态坐标，确定受油探头在测量坐标系中的第三姿态坐标；然后，可基于预先确定的测量坐标系和第一机械臂坐标系之间的第一转换关系，将第三位置坐标和第三姿态坐标分别转换为第一位置坐标和第一姿态坐标；然后，可基于加油机的东北天坐标、加油锥套的东北天坐标，确定加油锥套在测量坐标系中的第四位置坐标，并且基于加油锥套的三轴姿态坐标，确定加油锥套在测量坐标系中的第四姿态坐标；然后，可基于预先确定的测量坐标系和第二机械臂坐标系之间的第二转换关系，将第四位置坐标和第四姿态坐标分别转换为第二位置坐标和第二姿态坐标。这里，测量坐标系可包括原点、 x轴、 y轴和 z轴，原点可位于直线导轨的中心位置， x轴可沿直线导轨方向指向第二机械臂， z轴可沿重力方向指向上， y轴可分别与 x轴和 z轴相垂直并且指向 x轴的左侧。

根据本公开的实施例，如上所述的第一转换关系通过以下步骤来预先确定：

1）在第一机械臂旁设置多个光学标识点。这里，多个光学标识点的第一数量大于或者等于4，并且设置于同一平面的光学标识点的第二数量小于第一数量。进一步地，第一数量和第二数量的具体数值可由本领域技术人员根据实际情况来确定，例如，第一数量可以为10，第二数量可以为9，然而本公开对此不做限制。

2）利用光学测量单元确定每个光学标识点在测量坐标系中的三维坐标，得到多个第一坐标。

3）在第一机械臂前端安装预设长度的细杆，调整第一机械臂，使细杆的一端依次与每个光学标识点接触。这里，第一机械臂前端是指在第一机械臂上固定或夹持器物的位置。进一步地，预设长度可由本领域技术人员根据实际情况来确定，本公开对此不做限制。

4）在细杆的一端每次与光学标识点接触时，获取第一机械臂前端在第一机械臂坐标系中的三维坐标，得到多个第二坐标。这里，第一机械臂前端在第一机械臂坐标系中的三维坐标可由第一机械臂中的控制器生成，并在控制面板中显示数值。

5）基于预设长度、多个第一坐标和多个第二坐标，确定测量坐标系和第一机械臂坐标系之间的坐标旋转矩阵和坐标平移向量，并将测量坐标系和第一机械臂坐标系之间的坐标旋转矩阵和坐标平移向量作为第一转换关系。

同理，如上所述的第二转换关系通过以下步骤来预先确定：

1）在第二机械臂旁设置多个光学标识点。这里，多个光学标识点的第三数量大于或者等于4，并且设置于同一平面的光学标识点的第四数量小于第三数量。进一步地，在确定第二转换关系时，第三数量可以与上述第一数量相同或不同；同理，第四数量可以与上述第二数量相同或不同，本公开对此不作限制。

2）利用光学测量单元确定每个光学标识点在测量坐标系中的三维坐标，得到多个第三坐标。

3）在第二机械臂前端安装预设长度的细杆，调整第二机械臂，使细杆的一端依次与每个光学标识点接触。这里，第二机械臂前端是指在第二机械臂上固定或夹持器物的位置。

4）在细杆的一端每次与光学标识点接触时，获取第二机械臂前端在第二机械臂坐标系中的三维坐标，得到多个第四坐标。这里，第二机械臂前端在第二机械臂坐标系中的三维坐标可由第二机械臂中的控制器生成，并在控制面板中显示数值。

5）基于预设长度、多个第三坐标和多个第四坐标，确定测量坐标系和第二机械臂坐标系之间的坐标旋转矩阵和坐标平移向量，并将测量坐标系和第二机械臂坐标系之间的坐标旋转矩阵和坐标平移向量作为第二转换关系。

通过上述坐标转换，能够在模拟实验过程中根据飞行仿真数据准确生成机械臂运动驱动指令，使受油探头与加油锥套按照飞行仿真数据准确运动。

接下来，在步骤S303中，可基于第一位置坐标和第一姿态坐标，生成第一运动驱动指令，以驱动第一机械臂进行运动，从而使受油探头达到指定的位置和姿态，和/或，基于第二位置坐标和第二姿态坐标，生成第二运动驱动指令，以驱动第二机械臂进行运动，从而使加油锥套达到指定的位置和姿态。

根据本公开的实施例，在模拟实验过程中，还可获取包含探头标识点和锥套标识点的光学图像，这里，探头标识点设置于受油探头上，锥套标识点设置于加油锥套上；然后，根据光学图像中探头标识点和锥套标识点的空间位置信息，确定受油探头和加油锥套的位置与姿态信息，这里，位置与姿态信息可用于评估受油探头随第一机械臂和/或加油锥套随第二机械臂运动的执行结果。进一步地，可利用光学测量镜头组获取包含探头标识点和锥套标识点的光学图像；然后，可利用光学测量解算计算机根据光学图像中探头标识点和锥套标识点的空间位置信息，确定受油探头和加油锥套的位置与姿态信息。通过光学测量镜头组获取光学图像，精度比数字图像高1至2个数量级，从而能够保证位置与姿态信息具有极高的精度，该信息可以用来评估受油探头随第一机械臂和/或加油锥套随第二机械臂运动的执行结果。

为了更好地理解上述实施例，下面分别针对坐标系标定和模拟实验流程进行详细说明。

针对坐标系标定，在如上所述的地面模拟系统安装完成后，可测量直线导轨的方位角，记为；光学测量单元可通过光学测量镜头组自身的标定杆进行标定；同时，可建立固定于地面的测量坐标系，其原点位于直线导轨中心，轴沿直线导轨方向指向第二机械臂，轴沿重力方向指向上，轴与轴、轴垂直并指向轴左侧。

接下来，可分别标定第一机械臂坐标系、第二机械臂坐标系与测量坐标系之间的转换关系，从而可根据飞行仿真数据准确生成机械臂运动驱动指令，使受油探头与加油锥套按照飞行仿真数据准确运动。

第一机械臂坐标系与测量坐标系之间的坐标旋转矩阵与坐标平移向量标定方法如下：

1）在第一机械臂附近设置个光学标识点，满足且光学标识点不在同一个平面内。

2）使用光学测量单元依次获取各个光学标识点在测量坐标系中的三维坐标，分别记为，并记：

 （1）

3）在第一机械臂前端安装一个长度的细杆，调整第一机械臂，使细杆一端依次与各个光学标识点接触，并读取此时第一机械臂中的三维坐标读数，分别记为，并记：

 （2）

4）第一机械臂坐标系与测量坐标系之间的坐标旋转矩阵与坐标平移向量可用如下等式（3）求得：

 （3）

这里，为3×3矩阵，为3×1向量。

同理，第二机械臂坐标系与测量坐标系之间的坐标旋转矩阵与坐标平移向量可采用同样的方法进行标定，即：

 （4）

这里，为3×3矩阵，为3×1向量。

针对模拟实验流程，可结合图4进行说明。图4是示出根据本公开的实施例的半实物仿真原理图。

参照图4，作为示例，在开展空中加油自主对接过程的地面半实物仿真时，实验流程可以但不限于如下步骤：

1）所有设备上电、初始化。

2）在飞行仿真计算机上，运行空中加油自主对接仿真程序。这里，仿真程序可包括飞行控制律、舵面分配、动力学模型、机械臂驱动、传感器模型等模块。进一步地，动力学模型模块可实时生成加油机的东北天坐标、受油探头的东北天坐标与三轴姿态坐标，以及加油锥套的东北天坐标与三轴姿态坐标，并将上述东北天坐标与三轴姿态坐标发送给机械臂驱动模块。这里，在三轴姿态坐标中，为滚转角，为俯仰角，为方位角。

3）机械臂驱动模块解算受油探头、加油锥套在测量坐标系中的三轴位置与姿态坐标，具体方法如下：

根据如下等式（5）求出受油探头在测量坐标系中的第三位置坐标：

 （5）

这里，为直线导轨的方位角，为直线导轨长度的一半、加油吊舱与加油机质心的轴向距离、加油软管长度之和。

同理，根据如下等式（6）求出加油锥套在测量坐标系中的第四位置坐标：

 （6）

根据如下等式（7）求出受油探头在测量坐标系中的第三姿态坐标：

 （7）

这里，为偏航角。

同理，根据如下等式（8）求出加油锥套在测量坐标系中的第四姿态坐标：

 （8）

4）机械臂驱动模块解算受油探头、加油锥套在相应机械臂坐标系中的三轴位置与姿态坐标，具体方法如下：

根据如下等式（9）求出受油探头在第一机械臂坐标系中的第一位置坐标：

 （9）

同理，根据如下等式（10）求出加油锥套在第二机械臂坐标系中的第二位置坐标：

 （10）

根据如下等式（11）求出受油探头在第一机械臂坐标系中的方向余弦阵：

 （11）

这里，大写字母S是正弦函数sin的简写，大写字母C是余弦函数cos的简写。

根据如下等式（12）求出受油探头在第一机械臂坐标系中的第一姿态坐标：

 （12）

这里，表示方向余弦阵第行第列的数值。

同理，根据如下式（13）求出加油锥套在第二机械臂坐标系中的方向余弦阵：

 （13）

这里，大写字母S是正弦函数sin的简写，大写字母C是余弦函数cos的简写。

根据如下等式（14）求出加油锥套在第二机械臂坐标系中的第二姿态坐标：

 （14）

这里，表示方向余弦阵第行第列的数值。

5）机械臂驱动模块将受油探头运动驱动指令，即根据受油探头在第一机械臂坐标系中的第一位置坐标、第一姿态坐标生成的第一运动驱动指令，发送给第一机械臂中的控制器，第一机械臂中的控制器根据上述指令信号控制第一机械臂的各个关节以及在直线导轨上运动的伺服电机，使受油探头到达指定的位置和姿态。

6）机械臂驱动模块将加油锥套运动驱动指令，即根据加油锥套在第二机械臂坐标系中的第二位置坐标、第二姿态坐标生成的第二运动驱动指令，发送给第二机械臂中的控制器，第二机械臂中的控制器根据上述指令信号控制第二机械臂的各个关节，使加油锥套到达指定的位置和姿态。

7）相机捕获包含加油锥套的数字图像，并将数字图像信号传送给图像处理器。

8）图像处理器根据数字图像信号中加油锥套的大小与畸变程度，利用视觉导引算法实时解算加油锥套与受油探头的相对位置关系，并将其作为视觉导引信号，传输给飞行仿真计算机。

9）飞行仿真计算机将视觉导引信号引入飞行控制律模块，利用空中加油自主对接控制算法进行解算，并将解算后生成的控制指令，经舵面分配后，引入动力学模型模块。

10）待下一时间步开始，动力学模型模块返回上述实验流程的步骤2），开展新一轮加油机、加油锥套、受油探头的位置与姿态解算，直至半实物仿真实验结束。

11）在半实物仿真实验过程中，光学测量镜头组实时捕获探头标识点与锥套标识点的光学图像，并将光学图像信号引入路由器。

12）光学测量解算计算机从路由器中读取光学图像信号，解算出各个标识点在测量坐标系中的位置信息，进一步解算出受油探头、加油锥套在测量坐标系中的位置与姿态信息，并经路由器将解算得到的信息数据发送给飞行仿真计算机进行记录。由于光学测量单元的位姿测量精度通常比视觉导引单元高1至2个数量级，因此光学测量单元得到的数据可以用来与视觉导引单元得到的数据进行对比，以评估视觉导引单元的精度和可靠性。

根据本公开的实施例的空中加油自主对接过程的地面模拟系统及方法，能够通过飞行仿真计算机根据视觉导引信号生成驱动机械臂的运动驱动指令，使机械臂带动受油探头和加油锥套运动，并利用光学测量单元采样高精度位姿数据来进行对比评估，从而能够用于空中加油自主过程中，加油锥套与受油探头对接过程的地面半实物仿真实验模拟，有效验证自主对接控制策略、控制逻辑，准确评估加油锥套相对位置视觉导引系统的精度和可靠性，有利于提高空中加油自主对接技术成熟度与安全性。

虽然已表示和描述了本公开的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (10)

1.一种空中加油自主对接过程的地面模拟系统，其特征在于，包括：

直线导轨；

第一机械臂，设置于所述直线导轨上；

第二机械臂，设置于所述直线导轨一端的地面上；

受油探头，设置于所述第一机械臂上，以随所述第一机械臂进行运动；

加油锥套，设置于所述第二机械臂上，以随所述第二机械臂进行运动；

视觉导引单元，用于确定所述受油探头与所述加油锥套之间的相对位置关系，并根据所述相对位置关系生成视觉导引信号；

飞行仿真计算机，分别与所述第一机械臂、所述第二机械臂和所述视觉导引单元电连接，用于根据所述视觉导引信号生成运动驱动指令，并通过所述运动驱动指令对所述第一机械臂和/或所述第二机械臂进行驱动；

光学测量单元，与所述飞行仿真计算机电连接，用于确定所述受油探头和所述加油锥套的位置与姿态信息，并将所述位置与姿态信息实时传输至所述飞行仿真计算机。

2.如权利要求1所述的地面模拟系统，其特征在于，所述视觉导引单元包括相机和图像处理器，其中，

所述相机设置于所述受油探头上，用于获取包含加油锥套的数字图像；

所述图像处理器分别与所述相机和所述飞行仿真计算机电连接，用于根据所述数字图像中加油锥套的大小和畸变程度来确定所述受油探头与所述加油锥套之间的相对位置关系，然后根据所述相对位置关系生成视觉导引信号，并将所述视觉导引信号传输至所述飞行仿真计算机。

3.如权利要求2所述的地面模拟系统，其特征在于，所述光学测量单元包括光学测量镜头组和光学测量解算计算机，其中，

所述光学测量镜头组包括多个镜头，设置于所述第一机械臂和所述第二机械臂的上方，用于获取包含探头标识点和锥套标识点的光学图像，其中，所述探头标识点设置于所述受油探头上，所述锥套标识点设置于所述加油锥套上；

所述光学测量解算计算机分别与所述光学测量镜头组和所述飞行仿真计算机电连接，用于根据所述光学图像中探头标识点和锥套标识点的空间位置信息来确定所述受油探头和所述加油锥套的位置与姿态信息，并将所述位置与姿态信息实时传输至所述飞行仿真计算机。

4.一种空中加油自主对接过程的地面模拟方法，利用如权利要求1至3中任一项所述的空中加油自主对接过程的地面模拟系统来实现，其特征在于，包括：

确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系，并根据所述相对位置关系生成视觉导引信号；

基于所述视觉导引信号，利用仿真程序生成仿真位置坐标和仿真姿态坐标，并基于所述仿真位置坐标和仿真姿态坐标，确定所述受油探头在第一机械臂坐标系中的第一位置坐标和第一姿态坐标与所述加油锥套在第二机械臂坐标系中的第二位置坐标和第二姿态坐标；

基于所述第一位置坐标和第一姿态坐标，生成第一运动驱动指令，以驱动第一机械臂进行运动，从而使所述受油探头达到指定的位置和姿态，和/或，基于所述第二位置坐标和第二姿态坐标，生成第二运动驱动指令，以驱动第二机械臂进行运动，从而使所述加油锥套达到指定的位置和姿态。

5.如权利要求4所述的地面模拟方法，其特征在于，所述确定受油探头与加油锥套之间的相对位置关系，并根据所述相对位置关系生成视觉导引信号，包括：

获取包含加油锥套的数字图像；

根据所述数字图像中加油锥套的大小和畸变程度，确定所述受油探头与所述加油锥套之间的相对位置关系；

根据所述相对位置关系生成视觉导引信号。

6.如权利要求4所述的地面模拟方法，其特征在于，所述仿真位置坐标包括加油机的东北天坐标、受油探头的东北天坐标和加油锥套的东北天坐标，所述仿真姿态坐标包括受油探头的三轴姿态坐标和加油锥套的三轴姿态坐标。

7.如权利要求6所述的地面模拟方法，其特征在于，所述基于所述仿真位置坐标和仿真姿态坐标，确定所述受油探头在第一机械臂坐标系中的第一位置坐标和第一姿态坐标与所述加油锥套在第二机械臂坐标系中的第二位置坐标和第二姿态坐标，包括：

基于所述加油机的东北天坐标、所述受油探头的东北天坐标，确定所述受油探头在预先建立的测量坐标系中的第三位置坐标，并且基于所述受油探头的三轴姿态坐标，确定所述受油探头在所述测量坐标系中的第三姿态坐标；

基于预先确定的所述测量坐标系和所述第一机械臂坐标系之间的第一转换关系，将所述第三位置坐标和所述第三姿态坐标分别转换为所述第一位置坐标和所述第一姿态坐标；

基于所述加油机的东北天坐标、所述加油锥套的东北天坐标，确定所述加油锥套在所述测量坐标系中的第四位置坐标，并且基于所述加油锥套的三轴姿态坐标，确定所述加油锥套在所述测量坐标系中的第四姿态坐标；

基于预先确定的所述测量坐标系和所述第二机械臂坐标系之间的第二转换关系，将所述第四位置坐标和所述第四姿态坐标分别转换为所述第二位置坐标和所述第二姿态坐标。

8.如权利要求7所述的地面模拟方法，其特征在于，所述测量坐标系包括原点、x轴、y轴和z轴，所述原点位于直线导轨的中心位置，所述x轴沿直线导轨方向指向第二机械臂，所述z轴沿重力方向指向上，所述y轴分别与所述x轴和所述z轴相垂直并且指向所述x轴的左侧。

9.如权利要求8所述的地面模拟方法，其特征在于，所述第一转换关系通过以下步骤来预先确定：

在所述第一机械臂旁设置多个光学标识点，其中，所述多个光学标识点的第一数量大于或者等于4，并且设置于同一平面的光学标识点的第二数量小于所述第一数量；

利用光学测量单元确定每个光学标识点在所述测量坐标系中的三维坐标，得到多个第一坐标；

在所述第一机械臂前端安装预设长度的细杆，调整所述第一机械臂，使所述细杆的一端依次与每个光学标识点接触；

在所述细杆的一端每次与光学标识点接触时，获取所述第一机械臂前端在所述第一机械臂坐标系中的三维坐标，得到多个第二坐标；

基于所述预设长度、所述多个第一坐标和所述多个第二坐标，确定所述测量坐标系和所述第一机械臂坐标系之间的坐标旋转矩阵和坐标平移向量，并将所述测量坐标系和所述第一机械臂坐标系之间的坐标旋转矩阵和坐标平移向量作为所述第一转换关系。

10.如权利要求4所述的地面模拟方法，其特征在于，还包括：

获取包含探头标识点和锥套标识点的光学图像，其中，所述探头标识点设置于所述受油探头上，所述锥套标识点设置于所述加油锥套上；

根据所述光学图像中探头标识点和锥套标识点的空间位置信息，确定所述受油探头和所述加油锥套的位置与姿态信息，其中，所述位置与姿态信息用于评估所述受油探头随所述第一机械臂和/或所述加油锥套随所述第二机械臂运动的执行结果。

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