固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术可实现固定翼和旋翼飞行器的精准空中对接。准空中对接。准空中对接。

【技术实现步骤摘要】
固定翼飞行器和旋翼飞行器的空中对接方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0007]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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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，
[0011]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。
[0012]进一步地，所述“H”形黄色内轮廓内部还嵌套有红色轮廓。
[0013]优选地，使用以下方法对合作标靶图像进行捕捉和识别：
[0014]将深度相机获取的图像转换至HSV颜色空间；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]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]。
[0018]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：
[0019]基于轮廓尖锐度进行角点检测：对于轮廓上的任一点p
i
，定义其尖锐度为1
‑
ang，p
i
‑
k
、p
i+k
分别为轮廓上与p
i
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；
[0020]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。
[0021]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。
[0022]进一步优选地，所述预设尖锐度阈值为0.2。
[0023]相比现有技术，本专利技术技术方案具有以下有益效果：
[0024]本专利技术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
[0025]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；
[0026]图2为合作标靶示意图；
[0027]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；
[0028]图4为图像处理系统对合作标靶的识别过程示意图；
[0029]图5为合作标靶的其他形式示例；
[0030]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
[0031]针对现有技术不足，本专利技术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。
[0032]本专利技术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：
[0033]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；
[0034]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；
[0035]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，
[0036]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，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛汉霖，刘祁，张杰，张晨，何坤令，杨杰，路引，柏婷婷，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：