视觉导航辅助的自主空中加油建模与仿真

研究了基于视觉导航方式的自主空中加油（AAR）建模问题。分析了影响自主空中加油对接阶段性能的两个最重要因素——相对距离的测量和风扰动,引入了多个摄像机,建立了适合AAR的视觉导航系统模型,建立了大气扰动和尾流等风扰动下的飞行器模型,用三次多项式规划了对接阶段的航迹并设计了LQR航迹跟踪控制律。对接过程仿真表明,视觉导航的估计精度和飞行控制律性能很好地满足了空中加油的要求。

Abstract：

The modeling problem of autonomous aerial refueling based on vision navigation was researched.The two most important factors affecting the performance of AAR were analyzed,which were the measure of the relative distance and wind disturbance.The vision navigation system suitable for AAR was adopted and modeled using multiple cameras.The dynamic model of plane with the effect of wind was built.Path of docking was planed using cubic interpolators and tracking control was designed with LQR.The result of simulation shows that the accuracy of vision navigation system and the performance of control law can meet requires of aerial refueling.     

基于双目视觉的空中加油锥套定位与对接控制

针对插头-锥套式自主空中加油对接过程中实时获取加油锥套空间位置及控制导引的问题, 提出了一种结合深度学习(改进的YOLOv4-Tiny)和双目视觉匹配的快速定位方法。通过插入空间金字塔池化(spatial pyramid pooling, SPP)模块和修改部分卷积层结构, 改进后的YOLOv4-Tiny对416×416的输入检测速度达到182 Hz。与原网络相比, 体积减小20.47%, 在测试集上的平均交并比提高5%;制作了加油锥套的缩比模型进行开展视觉定位实验, 实验中平均深度预测误差小于5%, 空间位置预测符合预期。通过引入一种建立在Yolo预测基础上的快速边缘拟合方法, 获得锥套的椭圆形特征。此外, 建立了一种基于投影算子的模型参考自适应控制(model reference adaptive control, MRAC)增广控制器, 在受油机机体坐标系下跟踪锥套目标。仿真结果显示, 受油机在锥套平面中的平均跟踪误差小于加油锥套的捕获半径, 满足对接要求。     

软管式自主空中加油飞行控制系统与仿真研究

基于参考观测器的全状态反馈控制方法设计了受油机飞行控制系统,建立了软管式自主空中加油仿真系统,并进行了仿真验证。根据生成的受油机参考跟踪、对接轨迹,通过输出跟踪观测器在线估算前馈控制信号和参考状态量,设计全状态反馈控制器精确跟踪参考状态,解决了受油插头难以近距离跟踪加油锥套并实现精确对接的问题。以某型UCAV为例,设计了基于全状态反馈控制的自主空中加油仿真系统并进行了数字仿真。仿真结果表明,在四种强度阵风干扰下,设计的空中加油仿真系统能实现精确的双机加油设备跟踪与对接,具有良好的动态性能与鲁棒性能。     

基于视觉的飞机自主着陆导航

提出一种基于视觉的飞机自主着陆导航信息提取新方法。它克服了国外方法中利用点对应关系而难于提取特征点的问题,只需对两条跑道边线和一条着陆阈值线进行检测,这些线具有明显的可视性和直线性。由此可直接算出飞机的姿态向量,若跑道的宽度已知,还可以算出飞机的位置矢量。依据成像的几何原理,文中对算法进行了完整的推导,通过对飞机着陆过程中实际采集的跑道图像序列进行处理和实验,表明基于视觉的飞机自主着陆导航信息提取与转换是可行的。     

基于双目云台相机的目标跟踪系统建模与仿真

对双目云台相机目标跟踪系统的各个环节建立数学模型。采用扩展Kalman滤波(Extended Kalman Filter,EKF)作为定位跟踪算法,利用双目云台相机在水平方向、垂直方向转动角及其相对位置估计出目标实时位置;针对云台相机建模过程中相机外部参数随云台旋转发生变化的问题,提出一种云台相机实时标定方法;利用云台相机模型将目标估计位置投影到相机图像平面,提取出目标的图像特征作为视觉伺服系统的反馈信息控制云台旋转跟踪目标轨迹。在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型,仿真结果证实了方案的可行性和有效性,为视觉伺服控制器进一步设计提供了仿真平台。     

双目视觉在粒子图像测量中的研究

针对粒子测速系统中空间点立体匹配难、空间信息难以表示的问题,构建了基于双目视觉的三维粒子测速一般模型。模型中提出并采用了分层提取的逐层相关法:即先对三维空间进行二维切分,然后结合粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术与粒子追踪测速(particle tracking velocimetry,PTV)技术对不同帧的二维粒子层面进行相关处理并求出粒子运动矢量。最后平面校正实验、空间切片重构实验以及人工合成粒子图的测速试验均证明了该方法的可靠性,使用该方法可以较精确的得到可测范围内空间任意点的矢量场。     

基于Creator/Vega的空中加油视景仿真系统

介绍了基于Creator/Vega的空中加油视景仿真的关键技术与实现方法,并建立了逼真的三维实体模型.利用所提方案开发的视景仿真系统,可以满足空中加油训练的要求.针对Vega平台中软体动作难以实现的问题,提出采用10个随机正弦渡迭加与整段软管分节控制、整合控制相结合的方法模拟软管抖动;在平显模型层次数据库中引入了自由度节点和开关节点,结合程序成功的模拟了燃油流动.     

基于遗传算法的空中加油航路规划

通过对空中加油航路规划进行建模,利用遗传算法进行优化计算,解决了关于包括总耗油量和受油机飞行航程在内的航路规划问题.针对模型中的非线性约束条件,引入自适应可变惩罚以及对部分变量采用过滤法,另外在选择、交叉、变异环节采用适应度选择法、启发式交叉法、非一致变异法,充分利用遗传算法的全局优化特性,解决了局部过早收敛等问题.实际算例中,分别针对基于航线和基于区域2种加油模式进行计算,比较2种模式的优缺点,得出了空中加油的最优策略,并验证了针对此类问题遗传优化算法的有效性.     

求解双目立体视觉的迭代多群体蚁群算法

作为典型的NP问题,双目立体视觉中的匹配一直是研究的热点。提出一种适于求解立体匹配问题的并行、迭代、基于信息反馈的多群体蚁群算法。该算法中子群体完成每个扫描行对应的子优化问题;协调者收集并分析所有子群体的结果,通过投票决定可能匹配的边缘,进而把这种信息转换成信息素传播给子群体,如此迭代直到优化结束。还讨论了双目立体匹配过程中的约束问题,并给出算法的收敛性证明和仿真实验。     

基于视觉的UCAV自主着陆蒙特卡洛仿真研究

介绍了不确定性分析方法的应用以及不确定性的数学模型。回顾了蒙特卡洛仿真在飞控系统的鲁棒分析、鲁棒控制律设计以及灵敏度分析等方面的研究成果。设计并实现了基于MATLAB分布计算引擎（MATLAB Distributed Computing Engine）的分布式蒙特卡洛仿真方案,开发了可以创建分布式仿真任务的蒙特卡洛仿真工具MCST（Monte Carlo Simulation Tool）,可以方便地对于Simulink模型进行蒙特卡洛仿真。并且使用该工具进行基于视觉的UCAV自主着陆仿真研究。

Abstract：

Application of uncertainty analysis methods was introduced as well as some general used uncertainty models. The most basic uncertainty analysis method is Monte Carlo Simulation,which is a powerful and practical tool to deal with non-linear systems with very large amount of uncertainties. However,the great disadvantage of Monte Carlo is that it is very intensive computationally. Given to such a drawback,a distributed computing tool,which is named Monte Carlo Simulation Tool and based on MATLAB Distributed Computing Engine and Distributed Computing Toolbox,was developed in order to execute independent MATLAB operations simultaneously on a cluster of computers,speeding up execution of large amount of simulations. The MCST can easily be used to Simulink models for Monte Carlo Simulation. Monte Carlo Simulation has been applied to vision-based autonomous landing of Unmanned Combat Aerial Vehicles （UCAVs） with uncertainties of initial conditions and sensor measurements. Simulation results show that there is a high mission successful probability,which means the autonomous landing control law is insensitive to uncertainties.     

威胁条件下一类空中加油区域配置方法研究

空中加油区域的部署对顺利完成空中加油作战任务具有十分重要的作用.对存在敌威胁时的空中加油任务,提出了一种基于遗传算法的区域配置方法.通过建立空中加油各飞机的油耗模型、限定方案搜索区域,并将不同的代价通过转换而统一在适应度函数中,建立了区域优化模型,并结合问题的特点设计了合适的染色体编码和遗传算子.最后对模型进行了仿真计算与分析.     

基于BDI智能体的无人作战飞机自主任务管理系统

无人作战飞机自主任务管理是减小平台对操作员依赖的关键之一.提出了基于BDI智能体的无人作战飞机自主任务管理系统体系结构.针对传统BDI解释器的缺陷,结合无人作战飞机应用的需求,设计,实现了一种并行的解释器实现结构,并给出了基本元动作定义.在此基础上讨论了无人作战飞机自主任务管理系统的功能设计与实现问题.初步仿真结果表明,平台能够对环境变化及用户指令做出正确反应.     

一种立体计算机视觉技术的仿真研究

通过理论分析和计算机仿真研究了一种应用于无人直升机自主着舰的双目立体计算机视觉系统及相关计算机视觉技术。从工程实践的角度研究了计算机视觉技术在无人直升机自主着舰过程中的应用,并提出了一种快速Hough变换算法,这种快速Hough变换比同精度的标准Hough变换快10倍以上,它的应用使整套算法的抗噪声能力很强。整套算法达到了无人直升机自主着舰的实时性和实用性要求。     

自主式水下潜器导航仿真系统研究

基于Windows网络平台用VC 语言开发出了自主式水下潜器(简称AUV)导航仿真系统,论述了仿真系统的体系结构、网络通信和数据交换;详细介绍了仿真系统中运动载体计算机和导航设备计算机的软件实现方法和关键技术;对重力匹配和地形匹配算法也作了相应的介绍;对仿真平台进行了仿真验证分析。结果表明,该仿真系统结构合理可靠,各子系统采用的数学模型和仿真算法正确可信。该仿真系统可作为演示、验证和评估AUV导航系统正确性、有效性和实用性的先进手段和科学方法,并已得到实际应用。     

空中加受油仿真中尾流扰动的建模与仿真

对现代军机空中加受油仿真中的加油机尾流仿真进行了研究,论述了加油机尾流的组成流场、形成原因和对受油机的扰动作用。根据飞行试验数据资料和缜密的理论推导,将加油机尾流对受油机的扰动作用分为纵向和横向两个通道,并分别建立了空中加受油仿真的尾流扰动仿真模型,并给出了在实际工程应用中的调试方法。建立的加油机尾流扰动仿真模型在某型飞机飞行仿真系统应用中收到了很好的效果。     

基于多适应值全参数自主变异粒子群的立体相机标定

基于视觉测量的目标参数获取为仿真系统的性能分析与评估提供可信的数据支持,相机参数标定的精度又决定着测量结果的可靠性。提出采用多适应值全参数自主变异粒子群的相机标定方法,利用传统标定法获取相机的初始内参,通过惯性系数收缩调整、给出基于粒距的全局因子学习调节策略、引入多适应值函数以及设计自主变异律,实现基于粒子群优化标定算法的快速和全局化收敛。实验结果显示本文方法在一定程度上提高了相机的标定精度并可以应用于实际工程之中。     

自主式水下潜器虚拟仿真系统研究

基于软件平台MultiGenCreatorPro和Vega开发出自主式水下潜器(简称AUV)虚拟仿真系统。论述了仿真系统体系结构、信息流、AUV运动模型与空间一致性方法;介绍了数据交换方式、主要的仿真功能、实时视景生成与显示技术;给出了AUV基于路径规划的三维仿真结果。结果表明,该仿真系统结构合理可靠,采用的运动模型和仿真算法满足了系统仿真的实时性要求,可逼真地演示AUV的自主运动过程。该仿真系统作为演示并验证AUV自主能力与动态控制方法正确性、有效性和实用性的先进手段和科学方法,已得到实际应用。     

主动适形移动机器人自主导航仿真研究

介绍了采用虚拟样机技术建立主动适形移动机器人（Active Terrain Adaptive Vehicle，ATAV）联合仿真平台的设计过程。并以轮-履带-腿式复合型移动机器人为例，在联合仿真平台上对ATAV自主导航控制策略进行仿真研究，提出了基于包容结构的ATAV自主导航控制算法。仿真实验结果验证了控制算法的有效性。