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(Flash LIDAR)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,因此传感器测量数据的准确性与鲁棒性也受到加受油机的运动特性的影响,在建立加油机轨迹预测模型的基础上,利用卡尔曼滤波器减小或消除此类影响。4.由于相对位姿的估算与控制是相辅相成的,为了提高位姿估算的稳定裕度和调整响应时间,就必须研究在加油机尾流和阵风等干扰下如何确保根据相对位姿估算和受油机反馈实时规划出一条向加油机逼近的参考轨迹。本文通过预测函数控制的内模控制形式构建了可以引入有人机飞行员操纵策略与经验的结构,并在此基础上建立了相对高度、相对侧向位置与相对速度内模控制器,利用受油机动力学模型与运动学模型逆解算出预测函数控制的基函数——受油机控制舵面与油门的控制等参数。由于系统属于MIMO系统,根据内模控制器的传递函数形式利用史密斯-麦克米伦形求取整个传递函数矩阵的零极点,在此基础上对一阶滤波器矩阵F?s?的参数进行综合整定,此方法的优点在于可在飞行员控制策略与操纵经验的基础上对参考轨迹进行规划控制,有利于减小或消除系统耦合导致的性能变化而产生的影响。通过仿真验证该方法对将有人机飞行员的经验引入轨迹规划控制有较大帮助。5.在空中加油飞行状态下如何抑制受油机在加油机尾流、阵风和受油机质变等干扰的影响,控制受油机按参考轨迹飞行是实现自主空中加油任务的最终目的。本文采用自抗扰控制方法来设计自主空中加油飞行控制律。自抗扰控制的特点在于它对非线性耦合和不确定性采用“观测+补偿”的方法进行处理,使其观测基本上不依赖于对象的模型。实现了按模型规划参考飞行轨迹,按“观测+补偿”方式控制实现参考轨迹的整体相对位姿控制结构。本文创新点如下:1.根据自主空中加油技术的国内外研究现状,存在的问题及发展趋势,提出基于深度信息的自主空中加油相对位姿控制方案,该方案可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。2.针对加油机的模型特点与加油任务需求,采用视觉里程计技术,利用垂尾与平尾法向量与解析特征点进行加受油机相对位姿估算,此方案的优点在于只需对加油机的平尾与垂尾进行特征提取,利用加油机模型特征取代了特征匹配环节,简化了算法的复杂程度,提高了相对位姿估算的准确性与实时性。提出了加油锥套轮廓特征的提取方案,拟合与圆心位置估算算法,实现了基于深度信息的自主空中加油相对位姿的最终解决方案。3.通过预测函数控制的内模控制形式构建了可以引入有人机飞行员操纵策略与经验的结构,并在此基础上建立了相对高度、相对侧向位置与相对速度内模控制器,利用受油机动力学模型与运动模型逆解算出预测函数控制的基函数——受油机控制舵面与油门的控制等参数。在分析了内模控制滤波器极点与增益、稳定性和飞行员经验之间的联系之后,提出可将有人机飞行员经验与策略引入轨迹规划控制环路的滤波器形式。此方法的优点在于可在飞行员控制策略与操纵经验的基础上,减小或消除系统耦合导致的性能变化而产生的影响。4.采用自抗扰控制方法来设计空中加油飞行控制律,使其观测基本上不依赖于对象的模型。提出了按模型和飞行员的经验规划参考轨迹与按“观测+补偿”方式控制实现参考轨迹的整体相对位姿控制结构。