本技術(shù)涉及飛機加油管加油口定位的，尤其是涉及一種基于單目slam的飛機加油管加油口定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著航空技術(shù)的發(fā)展，自主空中加油成為趨勢。在自主空中加油的過程中，受油機與加油機之間需要實現(xiàn)精準的相對位姿測量和控制，以確保加油錐套與受油機的加油口準確對接。這對定位裝置和方法的準確性、實時性和可靠性提出了極高的要求。

2、傳統(tǒng)的空中加油方式主要依賴于人工操作和簡單的光學標記輔助，難以滿足自主空中加油對高精度、高效率的要求。而且，這些方法容易受到環(huán)境因素如光照、天氣等的影響，導致定位精度下降。

3、另外，現(xiàn)有的一些基于視覺的定位方法，如利用多個led光標進行位姿解算的visnav視覺導航系統(tǒng)，雖然在一定程度上提高了定位精度，但仍存在依賴外部標記等問題。特別是在復雜環(huán)境下，如加油過程中加油口的錐套傘骨開合狀態(tài)變化導致錐套的圓形特征發(fā)生形變，使得visnav視覺導航系統(tǒng)的應用受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了提升現(xiàn)有加油口定位方法的精度，本技術(shù)提供一種基于單目slam的飛機加油管加油口定位方法及系統(tǒng)。

2、第一方面，本技術(shù)提供一種基于單目slam的飛機加油管加油口定位方法，采用如下的技術(shù)方案：

3、一種基于單目slam的飛機加油管加油口定位方法，包括如下步驟：

4、基于安裝在加油管上的單目攝像頭，拍攝周圍環(huán)境得到環(huán)境圖片；

5、根據(jù)所述環(huán)境圖片提取出環(huán)境特征點；

6、基于所述環(huán)境特征點與預設的參考圖像中的特征點進行匹配，輸出特征匹配結(jié)果；

7、根據(jù)所述特征匹配結(jié)果通過slam算法構(gòu)建環(huán)境三維地圖，計算出所述環(huán)境特征點在所述環(huán)境圖片中的移動信息，根據(jù)所述移動信息更新所述環(huán)境三維地圖；

8、拍攝加油口得到加油口圖片，從所述加油口圖片中識別出加油口的加油口特征點；

9、基于所述加油口特征點與所述環(huán)境特征點之間的相對位置關(guān)系，計算出所述加油口特征點在所述環(huán)境三維地圖中的位置數(shù)據(jù)為加油口位置數(shù)據(jù)；

10、基于所述加油口特征點與所述環(huán)境特征點之間的相對距離數(shù)據(jù)和相對位置關(guān)系，計算出所述加油管的姿態(tài)數(shù)據(jù)為加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)；

11、基于安裝在所述加油管上的第一定位標簽與安裝在受油口旁的定位基站，計算出第一位置數(shù)據(jù)，基于安裝在所述加油管上的第二定位標簽與所述定位基站計算出第二位置數(shù)據(jù)；

12、根據(jù)所述第一位置數(shù)據(jù)與所述第二位置數(shù)據(jù)使用第一算法計算出位置參考數(shù)據(jù)，使用所述位置參考數(shù)據(jù)校正所述加油口位置數(shù)據(jù)；

13、根據(jù)所述第一位置數(shù)據(jù)與所述第二位置數(shù)據(jù)使用第二算法計算出姿態(tài)參考數(shù)據(jù)，使用所述姿態(tài)參考數(shù)據(jù)校正所述加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)；

14、根據(jù)預設的加油口標準位置數(shù)據(jù)與所述加油口位置數(shù)據(jù)計算出位置偏差數(shù)據(jù)，基于所述位置偏差數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)所述加油管的位置；

15、根據(jù)預設的加油管標準姿態(tài)數(shù)據(jù)與所述加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出姿態(tài)偏差數(shù)據(jù)，基于所述姿態(tài)偏差數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)所述加油管的姿態(tài)。

16、通過采用上述技術(shù)方案，單目slam算法通過提取環(huán)境特征點并構(gòu)建三維地圖，能夠?qū)崟r反映周圍環(huán)境的變化。不僅提高了對環(huán)境的感知能力，還確保了地圖的準確性和實時性，為后續(xù)的加油口定位提供了堅實的基礎。通過高清攝像頭拍攝加油口圖片，并識別出加油口的特征點，可以精確計算出加油口在三維地圖中的位置。避免了傳統(tǒng)方法中因環(huán)境因素導致的定位誤差，提高了定位的精度。基于加油口特征點與環(huán)境特征點之間的相對距離數(shù)據(jù)，可以精確計算出加油管的姿態(tài)數(shù)據(jù)。不僅考慮了加油口的位置，還考慮了加油管的姿態(tài)，從而實現(xiàn)了對加油管位姿的精確測量。通過實時更新環(huán)境三維地圖和加油口位置數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對加油過程的實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)。這不僅提高了加油過程的效率，還確保了加油過程的安全性和穩(wěn)定性。自主空中加油技術(shù)減少了人工干預，降低了操作難度和成本。同時，由于系統(tǒng)能夠自動進行位姿測量和調(diào)節(jié)，因此可以大大提高加油過程的自動化程度。該技術(shù)方案不依賴于外部標記，減少了環(huán)境因素（如光照、天氣）對定位精度的影響。使得系統(tǒng)能夠在各種復雜環(huán)境下穩(wěn)定運行，提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應性。通過采用多個定位標簽和定位基站進行輔助定位與校正，可以進一步提高定位數(shù)據(jù)的準確性。不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，還增加了系統(tǒng)的容錯能力。由于系統(tǒng)能夠?qū)崟r進行位姿測量和調(diào)節(jié)，因此可以及時發(fā)現(xiàn)并糾正加油過程中的偏差。這不僅可以確保加油過程的順利進行，還可以有效避免因定位誤差導致的安全事故。因此，本技術(shù)中自主空中加油的精度、效率和可靠性將得到顯著提升。

17、可選地，方法還包括如下步驟：

18、根據(jù)所述位置偏差數(shù)據(jù)反相關(guān)調(diào)節(jié)位置校正的系數(shù)；所述位置偏差數(shù)據(jù)越大，所述位置校正的系數(shù)越??；所述位置偏差數(shù)據(jù)越小，所述位置校正的系數(shù)越大；其中，所述位置校正采用的是uwb定位技術(shù)。

19、通過采用上述技術(shù)方案，uwb定位技術(shù)雖然具有高精度、高抗干擾性的優(yōu)點，但在長距離情況下，其定位誤差可能會增大；因此通過反相關(guān)調(diào)節(jié)機制，可以減小因距離增大而導致的uwb定位誤差，提高加油過程的精度。

20、可選地，方法還包括如下步驟：

21、根據(jù)加油口姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出代表晃動程度的晃動數(shù)據(jù)；

22、根據(jù)預設的晃動閾值，計算所述晃動數(shù)據(jù)和所述晃動閾值的差值為晃動差值；

23、根據(jù)所述晃動差值正相關(guān)調(diào)節(jié)位置校正的系數(shù)，所述晃動差值越高，所述位置校正的系數(shù)越大；所述晃動差值越低，所述位置校正的系數(shù)越小。

24、通過采用上述技術(shù)方案，晃動差值較高時，即加油口的晃動程度較大時，增加位置校正系數(shù)的值，以加強對加油管位置的動態(tài)調(diào)整和補償；當晃動差值較低時，即加油口的晃動程度較小時，減小位置校正系數(shù)的值，以避免過度調(diào)整導致的不穩(wěn)定。根據(jù)加油口姿態(tài)數(shù)據(jù)代表的晃動程度的晃動差值正相關(guān)調(diào)節(jié)位置校正的系數(shù)，可以顯著提升加油過程的穩(wěn)定性和對接精度。利用安裝在加油口或附近的傳感器（如陀螺儀、加速度計等），實時獲取加油口的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括角度、角速度等；根據(jù)實時獲取的加油口姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以通過分析姿態(tài)數(shù)據(jù)的波動范圍、頻率等特征來計算加油口的晃動數(shù)據(jù)。

25、可選地，方法還包括如下步驟：

26、基于設置在攝像頭上的慣性姿態(tài)傳感器獲取慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)；

27、根據(jù)所述慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)、所述姿態(tài)參考數(shù)據(jù)與所述加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)采用加權(quán)平均的方式計算出姿態(tài)并更新所述加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)。

28、通過采用上述技術(shù)方案，通過加權(quán)平均法計算得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)將用于更新加油管的姿態(tài)數(shù)據(jù)，從而更準確地反映加油管的當前姿態(tài)。將更新后的加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)應用于加油管的控制系統(tǒng)，通過調(diào)整加油管的姿態(tài)和位置，來確保加油錐套能夠準確對接到受油機的加油口。

29、可選地，方法還包括如下步驟：

30、根據(jù)所述相對距離數(shù)據(jù)正相關(guān)調(diào)節(jié)所述慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)計算系數(shù)，所述相對距離數(shù)據(jù)越大，所述慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)計算系數(shù)越大；所述相對距離數(shù)據(jù)越小，所述慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)計算系數(shù)越小；

31、獲取加油機的飛行速度；

32、根據(jù)所述飛行速度正相關(guān)調(diào)節(jié)所述加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)計算系數(shù)；所述飛行速度越大，所述加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)計算系數(shù)越大；所述飛行速度越小，所述加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)計算系數(shù)越小。

33、通過采用上述技術(shù)方案，相對距離越大，意味著飛機可能處于更不穩(wěn)定的環(huán)境中，因此，慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)會相應增大，以確保姿態(tài)計算的準確性。相反，當相對距離較小時，環(huán)境可能相對穩(wěn)定，此時慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)的權(quán)重可以適當降低。加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)對于空中加油過程至關(guān)重要，因為它直接影響到加油管與受油機之間的對接精度和穩(wěn)定性。飛行速度的變化會影響加油管的姿態(tài)和穩(wěn)定性。飛行速度越大，加油管的動態(tài)響應可能更加劇烈，因此，加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)會相應增大，以提高姿態(tài)計算的靈敏度和準確性。相反，當飛行速度較小時，加油管的動態(tài)響應相對穩(wěn)定，此時加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)的權(quán)重可以適當降低。

34、可選地，方法還包括如下步驟：

35、從所述環(huán)境圖片中提取出錐套特征；

36、在設定數(shù)量間隔的連續(xù)幀中，匹配出所述錐套特征的關(guān)鍵點；

37、根據(jù)所述關(guān)鍵點之間的距離變化，計算出所述錐套特征整體縮放變化幅度；

38、根據(jù)所述整體縮放變化幅度反相關(guān)調(diào)節(jié)所述加油管的伸縮動作速度，所述整體縮放變化幅度越大，所述加油管的伸縮動作速度越慢；所述整體縮放變化幅度越小，所述加油管的伸縮動作速度越快。

39、通過采用上述技術(shù)方案，當整體縮放變化幅度較大時，說明錐套的運動狀態(tài)不穩(wěn)定或受到較大的外部干擾，此時應降低加油管的伸縮動作速度，以避免因過快調(diào)整而導致的對接失敗或安全隱患。相反，當整體縮放變化幅度較小時，說明錐套的運動狀態(tài)相對穩(wěn)定，此時可以提高加油管的伸縮動作速度，以加快對接過程并提高對接精度。

40、可選地，方法還包括如下步驟：

41、從所述環(huán)境圖片中提取出錐套特征；

42、在設定數(shù)量間隔的連續(xù)幀中，匹配出所述錐套特征的局部特征；

43、計算所述局部特征的扭曲變化幅度；

44、根據(jù)所述扭曲變化幅度反相關(guān)調(diào)節(jié)所述加油口的姿態(tài)調(diào)整速度，所述扭曲變化幅度越大，所述加油口的姿態(tài)調(diào)整速度越慢；所述扭曲變化幅度越小，所述加油口的姿態(tài)調(diào)整速度越快。

45、通過采用上述技術(shù)方案，錐套特征的局部扭曲變化幅度反映了錐套在空中的動態(tài)穩(wěn)定性和受外力干擾的程度。當錐套受到較大的外力干擾或自身穩(wěn)定性較差時，其局部扭曲變化幅度會增大；反之，則減小。因此，可以通過監(jiān)測這一變化幅度來間接判斷錐套的運動狀態(tài)和對接條件。

46、第二方面，本技術(shù)提供一種基于單目slam的飛機加油管加油口定位系統(tǒng)，采用如下的技術(shù)方案：

47、一種基于單目slam的飛機加油管加油口定位系統(tǒng)，基于上述的基于單目slam的飛機加油管加油口定位方法，包括單目攝像頭、圖像處理模塊、特征提取與匹配模塊、單目slam構(gòu)建模塊、加油管加油口定位模塊、誤差校正與反饋模塊以及控制與執(zhí)行模塊；

48、所述單目攝像頭，與所述圖像處理模塊連接，用于采集加油管及周圍環(huán)境得到圖像信息；

49、所述圖像處理模塊，用于接收并處理圖像信息，將處理后的圖像輸出至所述特征提取與匹配模塊；

50、所述特征提取與匹配模塊，用于從所述圖像處理模塊處理后的圖像中提取特征點，并將當前圖像中的特征點與預設的參考圖像中的特征點進行匹配，以確定攝像頭在空間中的位置和姿態(tài)；將匹配的結(jié)果傳輸給單目slam構(gòu)建模塊；

51、所述單目slam構(gòu)建模塊，用于基于所述特征匹配結(jié)果，采用單目slam算法構(gòu)建環(huán)境三維地圖，并同時計算攝像頭的運動軌跡；將構(gòu)建的環(huán)境三維地圖和攝像頭的運動軌跡信息傳輸給加油管加油口定位模塊；

52、所述加油管加油口定位模塊，利用構(gòu)建的環(huán)境三維地圖和攝像頭的位置和姿態(tài)，結(jié)合加油管的幾何特征，計算出加油管的加油口位置數(shù)據(jù)，將加油管加油口位置數(shù)據(jù)傳輸給誤差校正與反饋模塊和控制與執(zhí)行模塊；

53、誤差校正與反饋模塊，基于安裝在加油管上的第一定位標簽與安裝在受油口旁的定位基站，計算出第一位置數(shù)據(jù)，基于安裝在加油管上的第二定位標簽與定位基站計算出第二位置數(shù)據(jù)；利用第一位置數(shù)據(jù)和根據(jù)第一位置數(shù)據(jù)與第二位置數(shù)據(jù)使用第一算法計算出位置參考數(shù)據(jù)，使用位置參考數(shù)據(jù)校正加油口位置數(shù)據(jù)；根據(jù)第一位置數(shù)據(jù)與第二位置數(shù)據(jù)使用第二算法計算出姿態(tài)參考數(shù)據(jù)，使用姿態(tài)參考數(shù)據(jù)校正加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)；將校正后的信息傳輸給控制與執(zhí)行模塊；

54、所述控制與執(zhí)行模塊，用于根據(jù)預設的加油口標準位置數(shù)據(jù)與加油口位置數(shù)據(jù)計算出的位置偏差數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)加油管的位置；以及用于根據(jù)預設的加油管標準姿態(tài)數(shù)據(jù)與加油管姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出的姿態(tài)偏差數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)加油管的姿態(tài)。

55、綜上所述，本技術(shù)包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

56、提高定位精度：利用slam技術(shù)進行環(huán)境感知與地圖構(gòu)建，結(jié)合圖像處理和計算機視覺技術(shù)，實現(xiàn)對加油口的精確定位，提高了空中加油的準確性和安全性。

57、降低操作難度：通過自主對準技術(shù)，減少了飛行員的操作負擔，降低了空中加油的操作難度和風險。

58、增強適應性：本發(fā)明的方法不受環(huán)境光照、天氣等條件的影響，具有較強的適應性和魯棒性。

59、提升效率：自動化對準過程減少了人工干預，提高了空中加油的效率。