基于近红外的自主空中加油相对位置解算_宋春华

SO N G C h un一 hua , Z H A O Jian 一 tao , l U H u 一 eh eng , C H E N G Y ong 一 m ei
(N o h a * ,t eo P o l y 比ehni co f 石 n it r ) er s 勿 , X i.a n 71( ) 72 , C X h in a ) A b , 坛解t:I n t e h po b e and dr o , e doeking pr o cess f or t h e unm anne d aer i al vehi el e (U A V ) aer ia l r ef oe i ng , a l n autonom o us , a l 一 Um e , 团 一 e at w h er and hig h 一 pr e ei si on r e lat i ve p o sit ion ea l eul i on t t a eehnol o盯 1 5 needed . B eeause of neari成a e d lm ages have t r h e adva n t a 邵5 o f h ig h r eo sf ut i on and t e b h a i l t y O f an i 一 t env如n e nt m al i e r t n e r f e nee , a n e r a一 in五 世ed 加l a巨 ve P O si i on ea t l eu l a i on m et t h od 1 5 pr e sented f o r t h e U A V aer ia l h ose r e f o el i ng . R el t i a ve P O si i on ea t l eulat i on
i ng o r f 山e dr n 邵e , t h e 850 nm band 一 p ass f i lt er and t h e 肠 gi t eeh C 3 10 eam er a .F i r si ly t h e n ear一 i nf r ar e d im 鳍es of the
# h en t T h e d功别e 1 5 deteeted by t he t h r e sh ol d segm e nt a t i on , f e at ur e 即i nt s d et eet ion a n d t h e ei c l r e f i tt i ng
lg a o dt hm. Fina l y r e la i ve P t o sit ion h a t w een t h e pr o be and dr o 即e 1 5 ea l eulated. Pe而r m a n ee O f t h e 毗 or it h m 15 ver f ed i by " 不 那r i m ent s unde r d迁 比 e nt weat r h er eondi io t n s , d政 r e nt a n g l es a n d di e r f e nt dist n ees. a Fina l y, t h e seo拌 O f applica i on O t f t h e 毗 or it hm 1 5g i ven t o pr o vi do a r ef er e nee f o r eng i neer l g appl i iea ti ons.
量 , 精度 可达厘米级 " 基于视觉 的 uA v 空中软式 加油相对位置解算 由于具有价格低廉 !重量 轻 !无
墓 金 项 目 :航 空 科 学 基 金 (20 1( ) 85 30 10 ) X
定 稿 日期 : 20 12 一 12一 革 4
的优点 , 因此在此提 出 u A v 自主空中软管式加油 近 红外相对位置解算方法 " 在加油机锥套上安放
的视觉信 息主要 是锥套成像形状 的中心坐标和锥 套 成 像 形 状 的大 小 " 考 虑 到 加 油 接 近 过 程 中 受 油
机 与 锥 套之 间相 对 运 动 并 不 是 很大 , 经 仿 真 验 证 , 当 两 者相 对 运 动 不 是 很 大 时 , 用 圆 拟 合锥 套 成像
式 中 :R 为圆半径 ;a , 6 为 圆心横 纵坐标 "
K e押 0川 s : 0n m 明n 阂 a e r ia l vehiel e; a u tonom ou s aer ia l ref u el ing ; nea r 一 i Lf r r ared ; r e l i ve posi t a i on ea t l eu l a t ion
近 期 得 到广 泛 研 究 = .一 ] "但 这 些研 究都 是 针对 加 油 9
作 为提 高 U A V 作战效能 的有效手段 , 自主空
中加油 (A A R )近 年来 已成为 U AV 领域 的重 要研 究方 向 " 软管式 A A R 是许 多国家空军的标准加油 方式 , 在该方式 中 , 需设计一种高精度 的相对导航 系统来实时解算锥套 与受油 口的相对位置 , 以便控 制飞机完成受油 口插头与加油管锥套的精确对接 "
圆拟合的锥套检测算法 主要分 为闽值分割 ! 特征 点检 测 和 圆拟 合 三 部 分 "
2 .1.1 阂值 分 割
图 l 相对 位置解 算流程 图
Fig. 1 R ow eha t r f o el r i t a ve P o si ti o n ea l eulat ion
闽值 分割 主 要 是在 有 背 景 的情 况 下 有 效 地 分 割 出特 征 点 , 去 除 背 景干 扰 " 这 里 采 用 固 定 闽值 分
*二 谕2 +云 2 一 4乙 / 2, " =一 才 / 2, , 二 一 云 / :
相 对 位置 解 算
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形状得到的圆心 与用椭 圆精确确定锥套成像 形状 确 定 的 中 心 相 差 不 大 , 且 大 小 近 似 相 等 , 因此 , 这
里 将 锥 套 的 成像 形 状 建 立 为 圆形 模 型 , 用拟 合 圆
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实验 分析
设计用 4 个 8 5 0 nm 波 段 近 红 外 比 D 灯 作 为
割法对 图像进行 闻值分割 " 首先要选定一个 阂值
4 个近红外 比 D 灯 作为信标 , 在 受油机上安装近 红外 相 机 , 首先 进 行 锥 套近 红 外成 像 , 然 后 通 过 阑
值分割 ! 特 征 点 检 测和 圆拟 合 进 行 锥 套检 测 , 进 一 步 完 成 受 油 口与 加 油 锥 套 相 对 位 置 解 算 , 并 通 过 物 理 实验 进 行 算 法 验 证 "
V ol. 47 , N o.l
Jan uar y 20 13
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基 于近 红外成 像 的相 对位 置解算 算法
在 基 于 近 红 外 成 像 的 相对 位 置解 算 中 , 用 到
其中z = 一 尸一 护, H =[ X
Y l ] , 待估参数 为 A ,
B ,c " 因此 , 通过获取 的信标点质心值 , 运用戈 计算 公式即可得到 A , B , c 的估计值注, 后 , 亡" 拟合圆的 参 数可 由下 式 得 到 :
第 47 卷 第 1 期 2 0 13 年 l 月
电力 电 子技 术
O w er E lee加 n i P es
V ol. 47 , N o.l
Ja n u明 20 13
基于近红外的自主空中加油相对位置解算
宋春 华 , 赵 建 涛 , 刘 虎 成 , 程 咏梅
(西北 工业大 学 , 自动化 学 院 , 陕西 西 安 1 0 7 7 2 )
FOI l 如 do " 巧 川解t:SuPp n o l e d 场 A em naut t iea l Sei enee Foundat i on O f C hina(N o. 20 1( ) 853010 ) X
1
引
言
需 主 动通 讯 等 优 点 , 因 此 作 为 一 种 可 行 的方 法 在
中圈分类号 :E 9 26 , 3 文献标识码 :A 文章编号 :1( X 刃一 lo o X (2 0 13 ) 0 l e0 ( 抖1刁 3
R 川a t i ve P o s it i on C a i eu l at i on B a s ed o n N e a r j 刘份a red
e r A u to n o f m 皿 5 A er i a i Re u f el i ng
技 C 31 0 摄像头一起构成视觉相对位置解算系统 " 首先进行锥套近红外成像 , 然后通过闲值分割 ! 特征点检测 和圆拟合实现锥套检测 , 进一步完成受油口与加油锥套相对位置解算 " 通过不同天气环境 ! 不同角度 ! 不同距 离 下的 实验 进行 了算法性 能验证 , 并给 出了算法 的适用范 围 , 为工程 应用提 供借鉴 " 关扭词:无人机; 自主空中加油; 近红外; 相对位置解算
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相 对 位 置 解 算 主 要 是 计 算 出圆 心 之 后 , 求 得 圆 心坐 标 与 图像 中心 的偏 差 , 进 而 求 得 相 机 与 锥 套 中心 的实 际 偏 差 " 在 此 预先 标 定好 特 征 点所 在 圆 的 实 际直 径 , 再 计 算 出拟 合 圆 的 像 素 直 径 , 从 而 计 算 出一 个 像 素 所代 表 的 实 际 距 离 , 再 乘 以像 素 偏 差 即可 得 到锥 套 中 心 与 相 机 中 心 的 实 际偏 差 " 相 对位 置 解 算 流 程 如 图 1 所 示 "
" yst e m ba s ed on t h e vi i on 15 eonst s itut e d wi h f t o ur 850 nm ba n d nea r一 i n斤 r ed 砚 D li a ht g s ~