田麗

摘 要：現(xiàn)如今，無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮著非常重要的作用。因此，進(jìn)一步提高無人機(jī)空中對(duì)接效能，不斷優(yōu)化自主空中對(duì)接加油技術(shù)受到全世界的廣泛研究。此外，與傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式相比，視覺導(dǎo)航方式有著精度高、頻率快、不受電子干擾等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，本文主要針對(duì)無人機(jī)空中對(duì)接中視覺導(dǎo)航技術(shù)展開了深入研究和探討。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);空中對(duì)接;空中加油;視覺導(dǎo)航技術(shù)

引言

無人機(jī)空中對(duì)接是一種能有效提升巡航里程和續(xù)航時(shí)長(zhǎng)的現(xiàn)金技術(shù)手段。但就目前來說，無人機(jī)有著續(xù)航時(shí)間短、有效載荷不足等缺點(diǎn)，需要定期返回基地進(jìn)行補(bǔ)給，這嚴(yán)重削弱了無人機(jī)執(zhí)行長(zhǎng)航時(shí)和復(fù)雜任務(wù)的能力，限制了無人機(jī)的使用。因此，近距相對(duì)位置和姿態(tài)測(cè)量技術(shù)是其中需要解決的關(guān)鍵問題之一。本文針對(duì)以上問題對(duì)無人機(jī)自主空中對(duì)接中視覺導(dǎo)航方法進(jìn)行研究，并完成了近距對(duì)接的地面實(shí)驗(yàn)，具體情況如下。

一、無人機(jī)空中對(duì)接流程

無人機(jī)控制對(duì)接流程一般劃分為以下四個(gè)階段：匯合、近距離對(duì)接、加油以及分離階段。這四個(gè)階段密切配合，并組成了一套高效、安全的無人機(jī)自主空中加油流程，每個(gè)階段都必須保證精準(zhǔn)、有效。

（1）會(huì)合階段：無人機(jī)在空中發(fā)出加油請(qǐng)求，且加油機(jī)接收信號(hào)后，加油機(jī)會(huì)在制定空域進(jìn)行巡航待機(jī)。這時(shí)無人機(jī)利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并在其指導(dǎo)下依據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃的航線飛向加油機(jī)所在空域——會(huì)和空域。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入會(huì)和空域后，首先要保持一定飛行速度，在安全區(qū)域內(nèi)跟隨加油機(jī)飛行。在雙機(jī)穩(wěn)定飛行下，加油機(jī)放下加油錐管，無人機(jī)則開啟雙目視覺系統(tǒng)，從而完成加油準(zhǔn)備工作。

（2）近距離對(duì)接階段：空中無人機(jī)完成加油準(zhǔn)備工作后，進(jìn)入近距離對(duì)接階段。這時(shí)，無人機(jī)有GPS模式轉(zhuǎn)換到視覺導(dǎo)航模式，在視覺導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)獲取加油椎管位置與狀態(tài)信息后，指導(dǎo)無人機(jī)平緩靠近加油錐套，一直到插頭插入錐套，從而完成近距離對(duì)接任務(wù)。

（3）加油階段：控制無人機(jī)與加油機(jī)完成對(duì)接后，進(jìn)入加油階段。在加油時(shí)應(yīng)保持繼續(xù)編隊(duì)飛行，使雙機(jī)盡量呈現(xiàn)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)，加油機(jī)要及時(shí)打開加油閥口，然后將燃油輸送給無人機(jī)，直至加油結(jié)束，關(guān)閉加油閥口，完成加油

（4）分離階段：加油結(jié)束后，無人機(jī)緩慢斷開編隊(duì)飛行狀態(tài)，且切換至衛(wèi)星導(dǎo)航模式，之后再飛行控制系統(tǒng)下緩慢減速，使加油錐套與插頭斷開，離開會(huì)和空域，完成對(duì)接任務(wù)。

二、空中對(duì)接視覺導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)

（一）視覺標(biāo)志物

完成對(duì)接流程后，通過參照視覺標(biāo)準(zhǔn)物，本文主要用一個(gè)仿真錐套來具體論述。標(biāo)準(zhǔn)主體為窄圓環(huán)，圖標(biāo)顏色呈現(xiàn)深藍(lán)色，且外層半徑為0.3m，內(nèi)層半徑為0.25m。對(duì)接圖標(biāo)是整個(gè)無人機(jī)空中對(duì)接流程的重要基礎(chǔ)，本研究為了提高識(shí)別率，利用了圖標(biāo)顏色、形狀兩個(gè)主要信息。此外，在攝像機(jī)獲取的視野圖形中，對(duì)顏色進(jìn)行分割，并進(jìn)行橢圓檢測(cè)，最終依據(jù)圖像確定標(biāo)志物大體范圍。不管是本文用到的圖標(biāo)，還是無人機(jī)對(duì)接在實(shí)際中應(yīng)用的錐套，外形基本上呈現(xiàn)圓形狀態(tài)。但由于加油機(jī)和無人機(jī)在空中存在相對(duì)位置，因此在無人機(jī)方向看加油機(jī)的錐套，一般呈現(xiàn)橢圓形狀?；诖?，本研究利用快速橢圓檢測(cè)算法，通過對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，并將邊緣點(diǎn)聚合成幾段弧線，然后對(duì)這些弧線進(jìn)行分類，最后根據(jù)3個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)找出橢圓。

（二）相對(duì)位姿解算

相對(duì)位姿解算技術(shù)是指通過N個(gè)特征點(diǎn)以及圖像中N個(gè)像素點(diǎn)，計(jì)算并投影出相對(duì)物體關(guān)系，從而獲得相對(duì)位姿。相對(duì)位姿涉及到N點(diǎn)透視問題（PNP），目前主要利用迭代算法和非迭代算法對(duì)問題進(jìn)行求解，但兩個(gè)方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如，迭代算法精確度較高，但非迭代算法計(jì)算相對(duì)較小，計(jì)算麻煩等。在無人機(jī)空中對(duì)接時(shí)，需要要求對(duì)接過程精準(zhǔn)有效，因此常使用迭代算法對(duì)PNP問題進(jìn)行計(jì)算。

1.輪廓提取

本研究利用深藍(lán)色的圓環(huán)作為對(duì)接圖標(biāo)，因此在橢圓檢測(cè)時(shí)，內(nèi)外環(huán)弧度很容易出現(xiàn)匹配誤差，并檢測(cè)出了多個(gè)橢圓。此外，橢圓擬合為了保證一定程度的容錯(cuò)率，在半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和中心位置等相關(guān)參數(shù)也存在一定誤差，若直接使用擬合后結(jié)果，在進(jìn)行位姿解算時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大影響。

本文在對(duì)橢圓檢測(cè)同時(shí)，也對(duì)圖形邊緣進(jìn)行檢測(cè)。在邊緣檢測(cè)過程中，首先對(duì)圖像均值進(jìn)行濾波，去除掉細(xì)微干擾邊緣，之后進(jìn)行Canny邊緣檢測(cè)。因Canny邊緣檢測(cè)有較好的邊緣描述優(yōu)勢(shì)，因此可以解決橢圓檢測(cè)中邊緣不重等問題。此外，還需要提取邊緣圖的輪廓數(shù)據(jù)，并將邊緣圖中的點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化為多個(gè)輪廓信息，最后將檢測(cè)到的輪廓與橢圓對(duì)比，判斷依據(jù)要點(diǎn)為：①橢圓與輪廓中心是否重合;②橢圓面積與輪廓面積是否想接近;③周長(zhǎng)是否相近。滿足上述三個(gè)條件，則認(rèn)為該輪廓為圖標(biāo)最外環(huán)邊緣輪廓。

2.最小外接矩形

準(zhǔn)確識(shí)別出視覺標(biāo)志物后，需要對(duì)最小外接舉行進(jìn)行識(shí)別和確定，并利用最小外接矩形四個(gè)頂點(diǎn)作為特征點(diǎn)，進(jìn)行相對(duì)位姿解算。該方法的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單、有效，且能大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

3.位姿解算

在進(jìn)行位姿解算時(shí)，應(yīng)用迭代算法（OI），通過將目標(biāo)空間共線性誤差最小化，求出最佳的平移矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣，其有著計(jì)算速度快、準(zhǔn)確率高、迭代次數(shù)少、對(duì)初值不敏感等特點(diǎn)。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)表明，本文基于視覺導(dǎo)航方法，通過結(jié)合圖形形狀、顏色兩方面信息，能有效提高無人機(jī)空中對(duì)接時(shí)目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率，尤其在天氣較暗或刺眼情況下，也能保證對(duì)接質(zhì)量。這主要是由于在HSV顏色空間中，亮度對(duì)顏色分割的影響相對(duì)較小。同時(shí)，在實(shí)際無人機(jī)空中對(duì)接加油過程中，要求加油錐套和插頭在對(duì)接時(shí)確保相對(duì)位置精度達(dá)到10cm，而視覺導(dǎo)航技術(shù)能充分滿足無人機(jī)空中對(duì)接要求。

總結(jié)

總而言之，本文通過分析無人機(jī)空中對(duì)接流程，之后基于視覺導(dǎo)航法對(duì)空中無人機(jī)對(duì)接加油方案進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。本文研究創(chuàng)新點(diǎn)在于，應(yīng)用視覺導(dǎo)航方法有效解決了橢圓檢測(cè)算法時(shí)存在邊緣誤差較大的問題，并提出了結(jié)合邊緣檢測(cè)和橢圓檢測(cè)的OI算法。依托整個(gè)識(shí)別算法，可以在真實(shí)環(huán)境中模擬測(cè)試，結(jié)果表明，視覺導(dǎo)航算法能夠準(zhǔn)確、高效的完成無人機(jī)對(duì)接任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉愛超，佘浩平，楊欽寧，周思成.無人機(jī)空中對(duì)接中的視覺導(dǎo)航方法[J].導(dǎo)航定位與授時(shí)，2019，6（01）：28-34.

[2]單堯，孫永榮，黃斌，李旺靈.自主空中加油飛行對(duì)接演示平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2016，39（12）：176-179+188.

[3]吳騰飛.無人機(jī)軟式自主空中加油視覺導(dǎo)航技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2015.

[4]蔣紅巖，李文川，肖銘.無人機(jī)自主空中加油技術(shù)探究[J].航空科學(xué)技術(shù).2011（01）

[5]蔡昌軍.無人駕駛飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)航天.2000（03）