許宏泉，吳定剛，謝紅勝

(1.海軍駐武漢709所軍事代表室，湖北 武漢 430074;2.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

航母艦載機(jī)飛行員所要執(zhí)行的最為關(guān)鍵的任務(wù)之一就是在惡劣海況下完成艦載機(jī)著艦任務(wù)。對于飛行員來說，將飛機(jī)降落到靜止的陸地跑道上都極為困難，何況在航母這樣的運(yùn)動平臺上完成艦載機(jī)著艦任務(wù)，并且還要面臨海上風(fēng)浪的考驗。因此，航母艦載機(jī)自動著艦作為能夠有效幫助飛行員完成穩(wěn)定、可靠、精確的著艦任務(wù)的一種技術(shù)手段，一直受到擁有航母國家海軍的重視。

為了控制航母艦載機(jī)自動著艦，需要不斷自動修正艦載機(jī)的下滑位置，以指示艦載機(jī)沿著參考的下滑軌跡著艦。雷達(dá)、GPS技術(shù)先后應(yīng)用于航母艦載機(jī)自動著艦系統(tǒng)中。其中，使用航母艦載雷達(dá)跟蹤并修正艦載機(jī)下滑道的精確進(jìn)近著艦系統(tǒng)(precision approach landing systems，PALS)與使用GPS引導(dǎo)飛機(jī)沿正確下滑道著艦的聯(lián)合精確進(jìn)近著艦系統(tǒng) (joint precision approach landing system，JPALS)是美國開發(fā)的2種世界上最先進(jìn)的航母艦載機(jī)自動著艦系統(tǒng)。

視覺伺服技術(shù)使用視覺特征作為輸入控制一個動態(tài)系統(tǒng)。視覺特征包括從視覺圖像中提取的點(diǎn)坐標(biāo)或線間夾角。通過建立飛機(jī)在進(jìn)近或著艦調(diào)整階段的線形化空間狀態(tài)模型，進(jìn)而設(shè)計出一個控制方案，視覺伺服技術(shù)能夠自動指示艦載機(jī)沿著參考的下滑軌跡著艦。本文介紹法國研究人員設(shè)計的一種視覺伺服航母助降方案。該方案從艦載機(jī)傳感器數(shù)據(jù)和紅外圖像中提取位置和方向特征構(gòu)造艦載機(jī)質(zhì)心矢量，作為艦載機(jī)著艦下滑軌跡控制器的輸入，通過下滑軌跡控制器不斷指示艦載機(jī)沿著參考的下滑軌跡著艦。

1 視覺伺服方案需要的傳感器

視覺伺服方案需要以下傳感器:

1)艦載機(jī)上的慣性測量單元 (IMU)，用于提供飛機(jī)在慣性坐標(biāo)系中的姿態(tài) (3個歐拉角);

2)飛機(jī)攻角傳感器 (AOA)，用于測量飛機(jī)的迎角和側(cè)滑角;

3)空速管，用于測量飛機(jī)的速度;

4)無線電高度計，用于測量飛機(jī)相對海面的高度;

5)“塔康”機(jī)載系統(tǒng)，用于計算艦載機(jī)相對于航母的距離和姿態(tài);

6)艦載機(jī)上的光學(xué)吊艙，用于產(chǎn)生航母的紅外圖像。

1.1 艦載機(jī)上慣性測量單元

艦載機(jī)上的慣性測量單元由3個加速度計、3個陀螺儀和磁力計組成。如圖1所示，艦載機(jī)上的慣性測量單元用于測量艦載機(jī)在參考坐標(biāo)系FNED中的歐拉角ψ，θ，φ，以及在艦載機(jī)本體坐標(biāo)系Fb中圍繞3個主軸Xb，Yb，Zb旋轉(zhuǎn)的角速度p，q，r。FNED的下標(biāo)NED依次表示“北、東、下”。參考坐標(biāo)系FNED的坐標(biāo)原點(diǎn)可設(shè)在地球上任何一點(diǎn)，且FNED軸與地球緯線相切指向東，ZNED軸指向地球的中心，而坐標(biāo)軸XNED與YNED軸、ZNED軸滿足右手定則。

1.2 飛機(jī)攻角傳感器

飛機(jī)攻角傳感器由進(jìn)氣導(dǎo)片組成。如圖1所示，飛機(jī)攻角傳感器用于測量飛機(jī)的迎角α和側(cè)滑角β。側(cè)滑角β定義為飛機(jī)速度矢量V→與飛機(jī)縱向?qū)ΨQ平面 (飛機(jī)本體坐標(biāo)系Fb中Xb軸和Zb軸確定平面)的夾角，而迎角α定義為飛機(jī)機(jī)頭指向與速度矢量V→在飛機(jī)縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)投影的夾角。

1.3 飛機(jī)空速管

空速管是位于飛機(jī)機(jī)頭前端的導(dǎo)管，具有測壓孔，用于測量飛機(jī)飛行速度。如圖1所示，飛機(jī)空速管可測量飛行速度矢量。

1.4 無線電高度計

圖1 飛機(jī)旋轉(zhuǎn)及歐拉角表示Fig.1 Aircraft's circumnutating and its Eular angles illustration

無線電高度計用于測量飛機(jī)相對于地面或水面高度的雷達(dá)。無線電高度計向地面或水面發(fā)射雷達(dá)波，雷達(dá)波經(jīng)過地面或水面反射后再被無線電高度計接收，這期間雷達(dá)波傳播距離的一半即為飛機(jī)高度。

1.5 “塔康”機(jī)載系統(tǒng)

“塔康”是機(jī)載戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供飛機(jī)和航母之間距離和方位角信息。艦載機(jī)上有“塔康”發(fā)射應(yīng)答器，而航母上有“塔康”信標(biāo)。如圖2所示，“塔康”機(jī)載系統(tǒng)測量飛機(jī)相對于航母的距離和方位角。

1.6 艦載機(jī)光學(xué)吊艙

艦載機(jī)光學(xué)吊艙原本用于目標(biāo)指示，其所擁有的紅外傳感器可以拍攝航母的紅外圖像，其中可包含航母跑道上燈光線特征、參考著艦點(diǎn)紅外特征。依靠“塔康”機(jī)載系統(tǒng)提供的信息，艦載機(jī)參考著艦點(diǎn)能始終位于光學(xué)吊艙拍攝的航母紅外圖像中心處。

圖2 “塔康”機(jī)載系統(tǒng)測量的距離和方位角Fig.2 Geodesic range measured by air board TACAN system

圖3 “達(dá)摩克利斯”機(jī)載光學(xué)吊艙及其拍攝的“戴高樂”號航母的紅外圖像Fig.3 Damocles air board optics pod and Degaulle carrier's infrared imagery

2 視覺伺服方案

2.1 坐標(biāo)系定義

圖4 伺服方案涉及的幾個坐標(biāo)系Fig.4 Several reference frames of servoing approach

圖4給出了視覺伺服方案涉及的幾個坐標(biāo)系。其中，F(xiàn)0、Fb和Fc分別表示固定參考坐標(biāo)系、飛機(jī)本體坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系。Fd是航母甲板坐標(biāo)系，且其Xd軸與著艦坐標(biāo)系Fi的Xi軸指向一致。飛機(jī)在著艦坐標(biāo)系Fi中的姿態(tài)矢量定義為P=(p，Φ)=(X，Y，Z，φ，θ，ψ)，其中飛機(jī)指向矢量 Φ 用歐拉角φ，θ，ψ表示。飛機(jī)飛行速度矢量在飛機(jī)本體坐標(biāo)系中可定義為 vb=(vb，ωb)=(u，v，ω，p，q，r)，其中前3個分量u，v，ω為線性分量，后3個分量p，q，r為轉(zhuǎn)動分量。vb和Φ由飛機(jī)的慣性測量單元測得。飛機(jī)空速管測得飛機(jī)飛行速率V和飛機(jī)攻角α。而視覺伺服方案涉及的視覺信息則和飛機(jī)姿態(tài)矢量P的分量Y，Z，ψ有關(guān)。

2.2 航母紅外圖像特征提取

通過對艦載機(jī)光學(xué)吊艙拍攝的航母紅外圖像進(jìn)行檢測和跟蹤，得到如圖5所示航母甲板跑道的圖像特征，其中xf，ly和θk是需要提取的特征量。

圖5 視覺伺服方案所涉及的航母紅外圖像特征Fig.5 Visual servoing approach involved carrier infrared imagery character

圖5中，ly表示航母甲板跑道兩側(cè)邊線燈在圖像中投影的交點(diǎn)f和艦載機(jī)參考著艦點(diǎn)在圖像中投影i之間的縱向距離，xf表示航母甲板跑道兩側(cè)邊線燈在圖像中投影的交點(diǎn)f的橫坐標(biāo)，θk表示跑道中心線和跑道垂線在圖像中投影的夾角。如圖6所示，理想狀態(tài)下，艦載機(jī)沿著參考的下滑軌跡著艦，此時 δ0=3.5°，xf=0，θk=90°，ly=－yf。

2.3 控制策略

控制策略是根據(jù)以上提取的航母紅外圖像特征量xf，ly和θk，結(jié)合艦載機(jī)上慣性測量單元獲得的歐拉角ψ，θ，φ和旋轉(zhuǎn)的角速度p，q，r一起組合構(gòu)成艦載機(jī)質(zhì)心姿態(tài)矢量。以艦載機(jī)質(zhì)心姿態(tài)矢量作為輸入，通過艦載機(jī)著艦下滑軌跡控制器 (實際上是一個矩陣方程，以艦載機(jī)沿著參考下滑軌跡著艦的狀態(tài)為線性控制調(diào)整點(diǎn)獲得)求出艦載機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)的控制矢量 (矢量元素包含如法向加速度、橫滾率等)，最終通過電傳飛行控制系統(tǒng)引導(dǎo)艦載機(jī)沿著參考的下滑軌跡著艦。

3 結(jié)語

無論是依靠飛行員視覺判斷的光學(xué)著艦引導(dǎo)，還是后來應(yīng)用雷達(dá)、GPS技術(shù)的艦載機(jī)自動著艦引導(dǎo)，都需要在航母上安裝專門的設(shè)備，由這些設(shè)備指示飛行員或者艦載機(jī)飛行控制系統(tǒng)操縱艦載機(jī)沿著參考的下滑軌跡著艦。而視覺伺服方法不需在航母上安裝專門的雷達(dá)等設(shè)備，只需借助艦載機(jī)上固有的光學(xué)吊艙 (原本用于目標(biāo)指示)，利用軟件方法計算出艦載機(jī)的飛行控制系統(tǒng)的輸入值，并由艦載機(jī)飛行控制系統(tǒng)操控艦載機(jī)著艦。視覺伺服方法利用航母和飛機(jī)上的固有設(shè)備，花費(fèi)成本低，卻能實現(xiàn)與雷達(dá)和GPS著艦引導(dǎo)方式相似的效果，開辟了航母艦載機(jī)自動著艦引導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)的一條新路。

［1］COUTARD L，CHAUMETTE F.Visual detection and 3D model－ based tracking for landing on aircraft carrier［C］.In IEEE Int.Conf.on Robotics and Automation，ICRA’11，Shanghai，China，2011.

［2］COUTARD L，CHAUMETTE F，PFLIMLIN J M.Automatic landing on aircraft carrier by visual servoing［C］.In IEEE/RSJ Int.Conf.on Intelligent Robots and Systems，IROS’11，San Francisco，USA，2011.