无人机软式自主空中加油视觉导航技术研究

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1、中图分类号：V249.3论文编号：102870315-S197学科分类号：081105硕士学位论文无人机软式自主空中加油视觉导航技术研究研究生姓名吴腾飞学科、专业导航、制导与控制研究方向空中加油视觉导航指导教师周鑫副教授研究生院自动化学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringVision-BasedNavigationforUAVProbeandDrogue

2、AutonomousAerialRefuelingAThesisinNavigation,GuidanceandControlbyWuTengfeiAdvisedbyAssociateProf.ZhouXinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其

3、他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南南航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南南航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：摘要无人机在现代战场上发挥着日益重要的作用。为了提高无人机的作战效能，自主空中加油技术受到各国广泛研究。与传统的导航方式相比，视觉导航方式具有精度高、频率快、不受电子干扰等优点。本文针对无人机软式自主空中加油视觉导航技术展开了深入

4、的研究。本文首先根据无人机软式自主空中加油的特点设计了软式自主空中加油视觉导航系统，包括视觉导航系统的使用方案，视觉导航系统的组成，视觉导航系统的工作流程等。其次，提出了软式自主空中加油视觉导航算法。基于辅助识别标志的特点，设计了视觉导航图像的预处理及特征点提取算法。采用随机Hough变换检测锥套目标，并基于卡尔曼滤波设计了锥套目标跟踪算法。针对点特征的位姿估计问题，研究了传统的正交迭代算法，并针对该算法存在的问题采用了改进算法进行位姿参数估计。再次，设计了软式自主空中加油视觉导航数字仿真系统。利用三维仿真软件Ve

5、ga模拟空中加油场景，采用Simulink设计了软式自主空中加油视觉导航控制系统，利用MFC将Vega及Simulink结合起来构成闭合仿真回路。实验结果验证了本文提出的软式自主空中加油视觉导航算法的有效性。最后，在数字仿真系统的基础上设计了软式自主空中加油视觉导航半物理仿真系统。三维视景仿真计算机将虚拟摄像机获得的视觉导航图像投影至屏幕上，视觉伺服控制仿真计算机采用真实的摄像机对投影图像进行采集，并利用等效投影原理计算得到虚拟环境中受油机与锥套之间的相对位姿关系，从而控制受油机靠近锥套实现精确对接，完成半物理仿真

6、。实验结果进一步证明了本文提出的无人机软式自主空中加油视觉导航算法的有效性。关键词：无人机，自主空中加油，位姿估计，数字仿真，半物理仿真iABSTRACTUnmannedaerialvehicles(UAV)playamoreandmoreimportantroleinthemodernbattlefield.InordertoimprovetheoperationaleffectivenessofUAV,autonomousaerialrefuelingtechnologyhasbeenextensivelyst

7、udiedbymanycountriesintheworld.Comparedwithtraditionalnavigationmethods,vision-basednavigationmethodhastheadvantagesofhighprecision,fastfrequencyandimmunitytoelectronicinterferences.Thisthesisisaccomplishedbasedonthestudyofvision-basednavigationforUAVprobeandd

8、rogueautonomousaerialrefueling.Firstly,basedonthecharacteristicsofUAVprobeanddrogueautonomousaerialrefueling,adesignforvision-basednavigationsystemisproposed,inlcudingtheusagescena