【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于空中加油控制领域，具体涉及一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法。
技术介绍
1、自动空中加油是自动飞行控制领域中皇冠上的明珠，这是由于：一方面空中加油可以极大地拓展飞机的飞行距离和作战半径，提高作战能力；另一方面，由于对接过程中存在很多种扰动，而且对接精度要求很高，因此自动空中加油具有很高的控制难度。软管式空中加油具有灵活、可同时给多机加油的优点，但是受到尾流、紊流和头波效应的影响比较大，因此研究鲁棒地软管式自动空中加油控制方法具有重要意义。
2、现有的自动空中加油控制方法包括基于差分gps系统、光电系统、惯性导航系统、雷达或者基于视觉进行导航来完成自动空中加油控制。但是以上的方法存在很多问题以至于很难应用于实践，例如基于位置伺服的对接控制方法，根据图像解算锥套相对于相机位置时会存在多种误差，从而导致对接的失败。基于图像伺服的对接控制方法则是直接根据图像信息得到控制指令，具有较强的鲁棒性。此外，目前几乎所有关于自动空中加油的研究都是直接控制油门、升降舵、副翼和方向舵等作动器。但是在实践中，大多数情况都是受油机已经有封装好的底层控制器，出于安全考虑不允许直接控制到舵面。这也是目前的相关研究都仅限于仿真而无法实飞的原因。一般情况下，顶层控制器的作用是控制飞机的位置或者使飞机跟踪轨迹。而自动空中加油的顶层控制器需要控制的是受油机锥管的位置，由于锥管的位置跟受油机的位置、速度、姿态以及角速度都有关，因此该顶层控制器的设计难度很高。此外，一般情况下安全性是底层控制器的首要要求，从而牺牲了机动
技术实现思路
1、本专利技术给出了一种速度控制模式下的基于图像伺服的软管式自动空中加油对接控制方法，包括速度控制模式下软管式自动空中加油对接的图像伺服模型的建立和速度模式下的基于图像伺服的软管式自动空中加油对接控制器设计，具有可靠、更贴近实践的特点。
2、为了实现上述目的，本专利技术的一种速度模式下的基于图像伺服的软管式自动空中加油对接控制方法，实现步骤如下：
3、步骤一：完成速度控制模式下的软管式自动空中加油对接控制问题描述，包括坐标系建立、受油机六自由度模型建立、速度控制模式下的受油机制导模型建立、控制问题总结，具体如下：
4、步骤1.1：根据速度控制模式下软管式自动空中加油对接过程中各物体的运动关系，建立描述对接控制问题所需的所有坐标系。
5、为了建立对接阶段系统模型时，需要定义五个坐标系：地面坐标系ogxgygzg，受油机坐标系orxryrzr，加油机坐标系otxtytzt，相机坐标系ocxcyczc和相对坐标系orexreyrezre，如图1所示。表示在j坐标系下物体i的某状态。ri/j(i,j∈{g,r,t,c,re})表示从j坐标系到i坐标系的旋转矩阵。例如，vtg是加油机在地面坐标系中的前向飞行速度，rr/t表示用于描述受油机坐标系“r”相对于加油机坐标系“t”的旋转矩阵。
6、至此，描述对接控制问题所需的所有坐标系建立完毕。
7、步骤1.2：根据速度控制模式下软管式自动空中加油对接问题的情景，建立受油机的六自由度模型。
8、在对接阶段，受油机的俯仰角变化范围很小，基准状态为等速平飞，其姿态满足协调转弯条件，即滚转角和侧滑角满足φ＝β＝0，迎角α，航迹角γ和俯仰角θ满足θ＝γ+α。在这种情况下，受油机在加油机坐标系下的运动方程可以被解耦成横侧向通道运动和纵向通道运动。纵向通道的运动方程为：
9、
10、横侧向通道的运动方程为：
11、
12、其中，分别表示受油机重心在地面坐标系下三个方向的坐标，(φ,θ,ψ)分别表示三轴的欧拉角，vrg表示受油机相对地面的速度，p,q,r分别表示三轴角速率，分别表示升力、阻力、发动机推力、俯仰滚转偏航三个通道的力矩以及侧力，c1-c9分别表示转动惯量矩阵的九个元素。式(1)、(2)可以结合简化表示为：
13、
14、其中，表示接收器的状态，
15、向量ur＝[δt δe δa δr]t表示控制输入，分别包括油门、升降舵、副翼和方向舵。
16、至此，受油机的六自由度模型建立完毕。
17、步骤1.3：跟据速度控制模式下软管式自动空中加油对接问题的情景，建立速度控制模式下受油机制导模型。
18、实现受油机的速度控制模式的底层控制器可以有多种实现方式，比如通过线性二次型控制器(lqr)、模型预测控制器(mpc)、反步控制器或者微分平坦控制器来实现。以模型预测控制实现速度控制模式的底层控制器为例，受油机在该底层控制器的作用下，其制导模型可以通过式(4)来描述：
19、
20、其中，表示受油机在地面坐标系下的位置，表示受油机在地面坐标系下的速度，表示受油机在地面坐标系下的参考速度，gx,gy,gz是从到的传递函数。传递函数gx,gy,gz可以通过系统辨识的方式来获得。
21、至此，速度控制模式下受油机制导模型建立完毕。
22、步骤1.4：根据速度控制模式下的软管式自动空中加油对接问题的情景，完成控制问题描述。
23、为了简化坐标系转换，假设相机安装在锥管的顶端。如图2所示，定义锥套中心在图像坐标系中的投影为图像跟踪误差e定义为：
24、
25、其中，是图像坐标系的原点。如图3所示，定义为深度，即相机与锥套中心平面在相机坐标系下沿着zc轴的距离。
26、做出以下假设：
27、假设一：视觉识别模块可以比较准确地实时地返回锥套的中心坐标，可以大致估计深度。
28、假设二：加油机在整个对接阶段处于等速平飞状态，受油机初始状态与加油机相同。
29、假设三：受油机在底层控制器的作用下可以在没有扰动的情况下无静态误差地跟踪参考速度指令。
30、控制问题可以总结为：为系统(4)设计合适的参考速度作为系统输入，使得图像跟踪误差和深度误差随时间增长均趋于零并使得对接误差随时间增长趋于零
31、至此，控制问题描述完毕。
32、步骤二：速度模式下的图像伺服模型建立、相机运动模型建立，具体如下：
33、步骤2.1：根据速度控制模式下软管式自动空中加油对接问题的情景，建立相应的图像伺服模型。
34、在基本的图像伺服控制模型中，和之间的关系为：
35、
36、其中，是相对线速度，是相对角速度。rre/t＝rc/t是从加油机坐标系到相对坐标系的转换矩阵，且有，
37、
38、和是相对坐标系中相机和椎管的速度。被称为雅各比矩阵，结合式(5)本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤一中，根据速度控制模式下软管式自动空中加油对接过程中各物体的运动关系，建立描述对接控制问题所需的所有坐标系；
3.根据权利要求1或2所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤一中，根据速度控制模式下软管式自动空中加油对接问题的情景，建立受油机的六自由度模型；
4.根据权利要求1所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤一中，跟据速度控制模式下软管式自动空中加油对接问题的情景，建立速度控制模式下受油机制导模型；
5.根据权利要求4所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤一中，根据速度控制模式下的软管式自动空中加油对接问题的情景，完成控制问题；
6.根据权利要求5所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空
7.根据权利要求6所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤二中，根据速度控制模式下软管式自动空中加油对接问题的情景，建立相应的相机运动模型；
8.根据权利要求7所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤三中，根据式(8)，的期望速度设计为：
9.根据权利要求4所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤四中，对于式(4)中的传递函数Gx通过系统辨识方法获取，满足以下形式：
10.根据权利要求9所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：对于很多底层控制器而言，受油机的速度响应会表现出非最小相位特性，特别是和通道上；对于而言，传递函数满足以下形式：
...【技术特征摘要】
1.一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤一中，根据速度控制模式下软管式自动空中加油对接过程中各物体的运动关系，建立描述对接控制问题所需的所有坐标系；
3.根据权利要求1或2所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤一中，根据速度控制模式下软管式自动空中加油对接问题的情景，建立受油机的六自由度模型；
4.根据权利要求1所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤一中，跟据速度控制模式下软管式自动空中加油对接问题的情景，建立速度控制模式下受油机制导模型；
5.根据权利要求4所述的一种速度控制模式下的图像伺服软管式自动空中加油对接控制方法，其特征在于：在步骤一中，根据速度控制模式下的软管式自动空中加油对接问题的情景，完成控制问题；
6.根据...
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