高空无人机自动加油对接过程轨迹控制研究

针对无人机在高空自动加油对接过程中容易出现偏差的问题,提出了无人机空中自动加油精准对接的优化控制方案,研究并分析了影响加油锥管与受油接口快速准确对接的主要因素,通过运动轨迹生成器对浮锚加油锥套的运动轨迹进行模拟,无人机的自动飞行控制系统根据轨迹跟踪曲线对无人机的飞行姿态进行调整,引导无人机的受油接口与加油锥管进行精确对接,整个飞行轨迹跟踪控制过程优化了复杂高空环境中无人机加油对接的精准性。通过仿真实验表明,本高空无人机加油对接引导方法提高了空中管口对接的速度与抗干扰能力,可以满足各种复杂高空环境的无人机加油任务。     

基于图像的空中加油软管平衡拖曳位置测量方法

针对飞行条件下加油软管平衡拖曳位置的获取难题,设计了一套基于图像的空中加油软管平衡拖曳位置测量方法。通过在加油机上加装多路高清影像测量系统获取空中加油过程软管的运动图像,并对多像机同步采集、大景深像机标定、无参考点加油锥套识别与跟踪等关键技术进行研究,实现了加油软管平衡拖曳位置的精确测量。仿真实验结果表明,采用该方案测量精度优于5 cm,满足飞行试验精度要求。     

基于TLD算法的加油锥套跟踪

针对自主空中加油对接阶段锥套跟踪问题,提出了一种基于tracking learning detection (TLD)的锥套跟踪算法。该算法将加油锥套的跟踪任务分解成跟踪、学习、检测3个部分。跟踪模块在LK光流法的基础上添加跟踪失败自检测,筛选出好的跟踪点,跟踪加油锥套;检测模块构建级联分类器,对滑动窗遍历得到的图像块进行分类并返回含有目标的图像块,融合跟踪模块的跟踪框,给出最终跟踪结果;学习模块引入P N约束修正错误样本并学习更新检测模块。利用Creator/Vega Prime软件对空中加油进行视景仿真,在视景仿真视频上测试锥套跟踪算法。结果表明:TLD算法跟踪加油锥套成功率达95.5%,处理每帧平均耗时31.4 ms,能够满足加油锥套跟踪鲁棒性、准确率、实时性的要求。     

MS-KF融合算法用于锥套跟踪

针对无人机自主空中加油过程中锥套跟踪,提出一种均值漂移-卡尔曼滤波(mean shift-Kalman filter, MS-KF) 融合算法。分析了基于均值漂移算法的锥套目标模型、相似性度量、锥套目标定位的锥套定位原理;引入卡尔曼滤波器对锥套运动状态进行预测,将锥套运动信息融合到均值漂移算法中,以保证锥套跟踪算法的稳定性和鲁棒性;给出了MS-KF融合算法用于锥套识别跟踪的流程;搭建了锥套跟踪半物理实验验证系统,分别进行MS-KF融合算法用于锥套跟踪的半物理实验验证及数值仿真分析。实验结果表明:MS-KF融合算法可以对锥套精确定位跟踪,无人机3个轴向的跟踪误差保持在0.3 m的范围内,保证了无人机自主空中加油的顺利进行。     

基于镜像焦面检测对准标记的套刻性能原位测量技术

套刻性能是现代高精度步进扫描投影光刻机的重要性能指标之一。提出了一种基于镜像焦面检测对准标记(简称“镜像焦面检测对准标记”)的光刻机套刻性能原位测量技术。该技术通过对曝光在硅片上的镜像焦面检测对准标记图形进行光学对准,利用标记图形对准位置与理想位置偏差实现套刻性能的原位检测。实验结果表明该技术在进行套刻误差的精确测量的同时还可以全面、定量地计算影响光刻机单机套刻误差的场内参量及场间参量。与目前套刻性能原位测量技术相比,该技术有效地避免了测量精度对轴向像质限制的依赖,简化了光刻机整机性能检测的过程。     

空间非合作目标的双目视觉位姿测量方法

针对清理空间非合作目标任务中如何获取目标的相对位置和姿态的难题,提出一种双目视觉位姿测量方法。首先,设计了基于双目视觉的位姿测量算法,利用弧支撑线段的方法快速检测目标表面的对接环,通过极线约束准则和光流法辅助跟踪算法建立复杂场景下的对接环检测和筛选机制;利用两次遍历法快速标记连通区域,加入面积和曲率约束,提取目标表面特征较突出的规则标志点。利用三维重建后的对接环平面和标志点建立目标坐标系,解算与世界坐标系之间的位姿关系。之后将算法移植到DSP6678信息处理平台,实现了对空间非合作目标的实时连续位姿测量。通过3组不同工况下的小卫星模型实验,验证了该方法的有效性。     

基于双目视觉测距技术的导弹筒箱精确对接方法

当前导弹筒箱对接工作中普遍采用人工操作方法,通过目视指挥操作实现卡口对接,精确性差,步骤繁琐,效率低下。针对此问题,基于双目视觉测量技术提出了一种自动对接方法,利用双摄像头测量对接卡口的成像偏差,计算筒弹调整的距离和角度,实现筒弹支脚和对接卡口的准确对准。然后研究了系统测量误差,利用非线性回归拟合方法分析了误差计算公式,利用等距标尺设计了测量误差标定实验方案,并针对摄像头安装不便的问题,给出了中点延长安装方法和计算补偿方法,最后设计了筒弹自动化对接系统的基本结构。试验结果表明,该方法能够有效获取筒弹对接偏差距离和角度,为位置调整系统提供有效输入,从而实现导弹筒箱的自动对接。     

基于无衍射光莫尔条纹的轴锥透镜锥角测量方法

为了准确地测量轴锥透镜锥角值,根据无衍射光同心圆环间距不随距离改变的特点和莫尔条纹放大的特性,提出了一种基于无衍射光莫尔条纹的轴锥透镜锥角的测量方法。当无衍射光束经分束器分光合束后形成莫尔条纹,平移其中一束光在图像传感器上的位置,实现莫尔条纹数量的变化,通过记录不同莫尔条纹下的中心距离计算出轴锥透镜锥角。实验以锥角为0.5°的轴锥透镜作为被测对象,与CMM测量结果进行比较,该文提出的方法相对测量误差近似为0.54%,重复性为0.86″,验证了该文方法测量轴锥透镜锥角的可行性。     

基于特征圆单目视觉的飞机舵面角位移标定技术

提出了一种基于特征圆单目视觉的非接触式飞机舵面角位移标定技术。用一台数码摄像机对固定在飞机舵面上的特征圆进行拍照,经数字图像处理后确定五个特征点的坐标,利用针孔成像和射影变换原理建立物像空间坐标解算模型,计算出特征圆的法线相对方向和圆心的相对位置,舵面角位移由该圆的法线方向确定。仿真结果表明,该方法具有标定过程简单、实时、快速和准确的特点,标定精度可达到0.1°。该技术也可用于航天器上实时测量交会对接时的相对位姿参数。     

仿生复眼系统的子眼安装孔对准误差检测方法

仿生复眼系统是一种多子眼拼接的大视场高分辨率成像系统,由一级同心物镜和二级子眼镜头阵列组成。为实现大视场无缝隙拼接成像,必须严格保证所有子眼镜头的光轴与同心物镜球心的对准误差在光学设计允许的公差范围内。首先,基于PSM(point source microscope)定位仪的自准直原理确定PSM的基准参考零位,然后通过转接器将PSM分别固定在所有子眼镜头安装孔中,计算经同心物镜反射后像点质心位置与子眼安装孔轴线对准误差的几何关系式,最后用Lighttools软件仿真检测光路并对所有安装孔对准误差进行检测。实验结果表明:所有安装孔轴线与同心物镜球心的对准误差均小于30μm。满足光学设计中子眼镜头光轴与同心物镜球心对准误差小于50μm的公差要求,从而保证了仿生复眼成像系统大视场高分辨率无缝拼接影像的获取。     

高精度光电弹道测量系统

 利用光电跟踪系统实时测量导弹类飞行目标已成为靶场测试手段的发展趋势之一,光电跟踪系统需要具备高精度跟踪高速飞行目标、实时输出目标飞行轨迹数据以及目标飞行姿态等实时图像信息。提出一种新型车载光电弹道测量系统,应用高强度轴承改善角位置输出的稳定性;利用再生反馈控制技术抑制跟踪快速目标时产生的滞后误差,提高光电弹道系统的测量精度;将测量数据归一化为垂线测量坐标系中的测量值,以20 ms的刷新率对外输出;提出模拟航路检测方式,可在野外条件下完成对光电设备性能检测,实际稳态跟踪精度可达到0.21 mrad。     

油管位置光电检测技术的研究

本文提出了一种测量汽车油管位置的方法。该方法采用平行光投影的光学系统，以高分辨率面阵CCD成像，通过数字信号处理(DSP)系统进行图像采集与处理，处理速度快，可以实现实时处理。在图像处理中，采用合适的边缘检测方法，提高了测量精度。数据处理中采用了最小二乘法拟合曲线，可以精确的拟合出油管像的曲线。与理论曲线相比较，就可以有效地测量油管的位置。     

自动选取辅助目标的建筑物目标间接定位方法

针对序列图像中目标因不显著、被遮挡等情况而出现的虚警或丢失问题，提出一种基于自动选取辅助目标的建筑物目标间接定位方法，提高目标跟踪稳定性。该方法首先自动选取红外图像中形状稳定、灰度显著的区域作为辅助目标。定位建筑物目标后，提取其与目标相对位置关系, 之后利用该相对位置间接定位，最后融合直接识别及间接定位结果定位目标，并能实时更新辅助目标，保证其时刻处于视场中。实验结果表明:通过间接定位能解决目标虚警或丢失问题，提升目标定位过程中算法的准确性及鲁棒性。     

高功率激光器自动准直系统图像处理的可信度评估

自动准直系统是将采集的图像进行特定算法处理获取光束的位置信息,驱动电机调整光斑到指定的位置,其中图像质量对光束定位的精确性影响很大,为尽量避免受严重噪音和光束畸变影响的图像进入图像处理流程而产生准直结果的错误判断,保证自动准直系统图像处理结果的精确性,试图提供一种较为简单的判断依据,采用基于Monte-Carlo模拟方法,建立了远场准直过程中三种主要噪音的干扰评估模型,以测量不确定度作为定量判断处理图像与否的特征参数,将该结果做成统计图表作为判断依据。结果表明,在设定合理测量不确定度阈值的情况下,该特征参数能够较好地排除不良图像,从而提高准直结果的可信度。     

CCD摄像头圆目标中心定位方法

在大型设备自动对接系统中,需要CCD摄像头对一设备截面的圆目标进行图像获取,并找出图像的中心点坐标,用于两设备的中心对准。为了满足实时性测量和高精度定位要求,提出一种CCD摄像头圆目标中心定位方法。先对图像使用中值滤波方法进行图像增强,利用广义数字形态学中的多结构抗噪膨胀腐蚀型算子提取单像素宽图像边缘,用多项式插值法对图像边缘进行亚像素定位,用半径约束最小二乘圆拟合法对圆中心进行精确定位。实验测量结果表明,该方法测量时间短、精度高、稳定性好,亚像素定位精度优于1/20像素,中心点总标准偏差小于0.01,可满足设备自动对接系统要求。     

提高距离准测率的激光轴同步偏转控制技术

针对手动跟踪设备激光测距机对空中运动目标距离准测率低而难以建立目标航路的问题,提出了一种激光轴同步偏转控制技术。用摄像机摄取目标图像,并由图像处理器求出跟踪误差,控制测距机中的某些小型零部件偏转,同步改变激光发射和接收光轴,有效补偿跟踪误差,以达到提高距离准测率的目的。详述了激光发射和接收光轴变化的原理和计算方法以及激光发射与接收轴同步偏转控制技术的原理和实现方法,分析了使用该技术对跟踪仪性能的影响,介绍了室内台架试验和室外跟踪试验的试验情况,并由试验结果得出了在手动跟踪设备采用本技术后距离准测率可明显得到提高的结论,具有较高的应用和推广价值。     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.