自主空中加油多摄像机近距相对导航与控制

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1、第41卷第1期信息与控制Vol.41,No.12012年02月InformationandControlFeb.,2012DOI：10.3724/SP.J.1219.2012.00095自主空中加油多摄像机近距相对导航与控制郭军1;2，董新民1，王龙1，成万舟3（1.空军工程大学工程学院，陕西西安710038；2.93716部队57分队，天津301716；3.93735部队司令部，天津301716）摘要：针对伸缩套管方式下自主空中加油（AAR）对接与位置保持过程，提出了一个基于多摄像机系统（MCS）的相对导航与控制方案．该方案中的位姿估计算法通过结合3D-3D位姿估计技术和

2、N点透视技术，能够充分利用多摄像机系统的宽视野和冗余测量信息．使用卡尔曼滤波算法对视觉估计数据进行滤波，并与速度测量数据进行融合，以提高视觉导航算法的精度和鲁棒性．为抑制外部风扰动，设计了一个基于动态对策理论的最优相对轨迹跟踪控制律．仿真结果表明提出的方案能够满足空中加油要求．关键词：多摄像机系统；位姿估计；自主空中加油；卡尔曼滤波；动态对策中图分类号：V249.1文献标识码：A文章编号：1002-0411(2012)-01-0095-07RelativeNavigationandControlofMulti-CameraSystemsinCloseProximityfor

3、AutonomousAerialRefuelingGUOJun1;2，DONGXinmin1，WANGLong1，CHENGWanzhou3(1.EngineeringInstitute,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710038,China;2.57Detachment,93716Troops,Tianjing301716,China;3.Command,93735Troops,Tianjing301716,China)Abstract:Arelativenavigationandcontrolschemebasedonmulti-

4、camerasystems(MCSs)ispresentedfortheprocessesofdockingandpositionholdinginautonomousairrefueling(AAR)missionusingboomandreceptaclesystem.Byintegrating3D-3Dposeestimationtechniqueandperspective-N-pointtechnique,thewidefieldofviewandtheredundantmeasuredinformationofMCSsarefullyutilizedbythesc

5、heme.ThedataestimatedbyvisionsystemarefilteredbyKalmanfilteringalgorithmandfusedwithvelocitymeasurementstoincreasetheaccuracyandtherobustnessofvisionnavigationalgorithms.Toreducetheeffectofwindturbulence,anoptimalrelativetrajectorytrackingcontrollawisdesignedbasedonthetheoryofdynamicgame.The

6、resultsofsimulationshowthattheproposedschemecanmeettherequirementsofaerialrefueling.Keywords:multi-camerasystem;poseestimation;autonomousaerialrefueling;Kalmanfiltering;dynamicgame1引言（Introduction）可能因为单摄像机的视野有限或加油伸缩套管的遮挡，不能观测到加油机特征点而导致较大的测量误针对无人机（UAV）普遍存在的载重小、油量差．多摄像机系统（MCS）通过使用更多的摄像机少的缺点，许

7、多国家开始研究自主空中加油（auto-提高视觉系统的视野，既可利用多视角得到物体的nomousaerialrefueling，AAR）技术[1]，以期通过空完整信息，又可利用冗余测量信息提高系统对噪声的鲁棒性[7-8]．因此，本文针对伸缩套管加油方式，中加油来增加UAV的航程与留空时间．为实现自主空中加油，UAV必须具备近距相对导航能力，以实设计一个基于多摄像机系统的视觉相对导航与控制现UAV与加油机的对接与位置保持．国外研究机方案．通过结合3D-3D位姿估计问题和N点透视构对基于机器视觉的AAR相对导航技术进行了