基于深度信息的自主空中加油相对位姿控制技术研究

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1、－端诏－＇’轉－鞭喊撕巧阜巧＾？＾ｊ＊ｋｆａｉｗｉｆｗ補■ｗｉｗ＾—＾——ｉ抓而产师产厢ｉ未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，巧不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、、修改发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限），应承担侵权的法律责任。。否则吉林大学博或硕学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本

2、文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中Ｗ明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名；Ｉ日期／）Ｊ；义〇｛５年月日—————————————————————基于深度信息的自主空中加油相对位姿控制技术研究—————————————————————DepthInformation-BasedAutonomousAerialRefuelingRelativePoseEstimationandControlTechnologyResearch————————————作者姓名：潘海阳专业名称：机械电子工程研究方向：工程机器人指导教师：刘顺

3、安学位类别：工学博士培养单位：机械科学与工程学院论文答辩日期：2015年12月1日授予学位日期：2105年12月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位盲审专家正高级浙江大学主席姚国凤教授吉林大学盲审专家副高级清华大学委员吴清文研究员中科院长春光机所盲审专家副高级哈尔滨工业大学委员王淑坤教授长春理工大学盲审专家副高级上海交通大学委员尚涛教授吉林大学盲审专家正高级国防科学技术大学委员刘顺安教授吉林大学摘要基于深度信息的自主空中加油相对位姿控制技术研究本文针对无人机自主空中加油的核心问题相对位姿估算与控制技术开展研究，提出了基于深度信息的相对位姿估算方法，尽管在近

4、十年的时间内，对无人机自主空中加油的关键性问题——加受油机相对位姿估计研究已有了相当的研究成果和具体的应用，但大都或多或少地存在一些缺陷与不足，主要包括过度依赖GPS信息，平面视觉传感器容易受到天气等外界因素影响等问题。而基于深度信息的三维快速成像（FlashLIDAR）技术的出现恰恰可以减少和消除上述问题，为无人机自主空中加油中的位姿估算与控制提供非相似余度的可靠数据源。根据我国无人机自主空中加油技术研究发展的现状，本课题结合国家863高技术研究发展项目子项目“重载荷智能化物探专用无人直升机研制”(2013AA063903)，以无人机自主空中加油技术中的关键问题之一，同时也是首要

5、任务的加油机和受油机相对位姿估算以及与估算相关的控制问题为主要研究目标，对基于深度信息的位姿估算的可行性，数据处理方法手段、误差分析和模型点云数据仿真处理的实验设计验证等问题进行系统深入地研究，并在此基础上针对自主空中加油中受油机区别与正常飞行状态下的个性飞行控制问题进行研究，即如何规划相对位姿控制的飞行路线以确保相对位姿估算的鲁棒性，如何控制受油机在各种干扰条件下按规划路线飞行，同时力图将有人机飞行员空中加油的综合判断与控制策略引入到无人机相对位姿控制闭环中，将有人机飞行员经验优势与无人机的技术优势有机地结合在一起。本文主要研究内容如下：1．结合基于深度信息的无人机自主空中加油相

6、对位姿估算与控制技术研究背景和意义，对自主空中加油技术的国内外研究现状，存在的问题，发展趋势以及深度信息的技术特点和应用现状进行综述，并在此基础上提出本课题的主要研究内容。2．由于整个加油机点云图像数据量较大，不利于实时处理，因此针对加油机点云图像特征，找出适合快速提取，匹配和处理的部位作为相对位姿估计的数据源是相对导航的关键问题。深入研究加油机点云图像特征提取和匹配算法是关系到相对位姿估算准确性和实时性关键问题之一，本文根据加受油机空中加油编队飞行特点，确定了以平尾和垂尾为特征平面的加油机点云图像特征提取方案和算法，利用拉格朗日乘数法求取点云子集的最佳拟合平面的单位法向量，这样既

7、可将加油机姿态的变化通过平尾与垂尾法向量的变化计算出来，同时可以根据两个平面相交确定的直线解析出一个特征点群，并通过视觉里程计技术进行加受油机相对位姿估算。最后通过水平集的方法提出加油锥套的轮廓，并通过最小二乘来拟合其圆心，来获取最终对接需要的信息。3．从传感器与搭载平台运动两方面入手进行分析对相对位姿估算的影响，在确定影响1测量准确性因素的前提下，设计了平面滤波器与边缘滤波器以减小或消除因传感器测量产生的误差。同时在整个测量过程中，由于加受油机始终处于运动状态，因此