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Real-time drogue recognition and 3D locating for UAV autonomous aerial refueling based on monocular machine vision

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Chinese Journal of Aeronautics 2015年第6期28卷 1667-1675页

作者： Wang Xufeng kong xingwei Zhi Jianhui Chen Yong Dong Xinmin School of Aeronautics and Astronautics Engineering Air Force Engineering University State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems Tsinghua University

Drogue recognition and 3D locating is a key problem during the docking phase of the autonomous aerial refueling （AAR）. To solve this problem, a novel and effective method based on monocular vision is presented in this paper. Firstly, by employing computer vision with red-ring-shape feature, a drogue detection and recognition algorithm is proposed to guarantee safety and ensure the robustness to the drogue diversity and the changes in environmental condi- tions, without using a set of infrared light emitting diodes （LEDs） on the parachute part of the dro- gue. Secondly, considering camera lens distortion, a monocular vision measurement algorithm for drogue 3D locating is designed to ensure the accuracy and real-time performance of the system, with the drogue attitude provided. Finally, experiments are conducted to demonstrate the effective- ness of the proposed method. Experimental results show the performances of the entire system in contrast with other methods, which validates that the proposed method can recognize and locate the drogue three dimensionally, rapidly and precisely.

关键词： Autonomous aerial refueling Drogue 3D locating Drogue attitudemeasurement Drogue detection Drogue recognition Monocular machine vision

Feature Recognition and Tracking of Aircraft Tanker and Refueling Drogue for UAV Aerial Refueling

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Feature Recognition and Tracking of Aircraft Tanker and Refu...

第25届中国控制与决策会议

作者： WANG Xufeng DONG Xinmin kong xingwei School of Aeronautics and Astronautics Engineering Air Force Engineering University

ISBN: (纸本)9781467355339

This paper describes the results of the analysis of specific ’feature detection and recognition’ algorithms within a Machine Vision approach for the problem of aerial refueling for unmanned aerial vehicles. In order to precisely obtain the center of the features of the aircraft tanker and refueling drogue in the images of vision-based navigation during automated aerial refueling docking, a feature extraction method based on the HSV color space information of images is proposed. The HSV color space is introduced and the features of the aircraft tanker and refueling drogue are made based on the principle of choosing features. By using of least square ellipse fitting, after making color converted, color phase filter, binary and edge detection on images. The feature locations of the aircraft tanker and refueling drogue are precisely obtained and tracked. The experiment shows that the method proposed can not only extract the features accurately but can also calculate their locations in real-time, which provides a more reliable feature extraction and tracking method for vision-based navigation for automated aerial refueling.

关键词： UAV Aerial Refueling Feature Recognition and Tracking Aircraft Tanker Refueling Drogue

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捷联惯导快速传递对准的可观测性与机动方案

清华大学学报(自然科学版) 2010年第2期50卷 232-236页

作者：孔星炜郭美凤董景新清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084 空军工程大学工程学院西安710038

为研究捷联惯导"速度+姿态"匹配快速传递对准中滤波模型的可观测性与载体机动的关系,提出一种分段线性定常系统(PWCS)可观测性逆向分析方法。该方法将原模型近似为PWCS。通过分析PWCS可观测性矩阵的秩的时变,推导出使PWCS完全可观测的... 详细信息

为研究捷联惯导"速度+姿态"匹配快速传递对准中滤波模型的可观测性与载体机动的关系,提出一种分段线性定常系统(PWCS)可观测性逆向分析方法。该方法将原模型近似为PWCS。通过分析PWCS可观测性矩阵的秩的时变,推导出使PWCS完全可观测的各种状态段组合,包含其中任一种状态段组合的机动方案即满足滤波模型完全可观测的条件。摇翼机动传递对准仿真结果验证了PWCS可观测性逆向分析方法。由该方法的分析结果提出利用载体普通机动的快速传递对准机动方案。

关键词：捷联惯导系统传递对准可观测性机动

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基于自适应SRUKF的无人机位姿预测方法

应用光学 2019年第1期40卷 21-26页

作者：符毅孔星炜董新民空军工程大学航空航天工程学院陕西西安710038

针对无人机自主导航的实时性差、精度低且对时变噪声的鲁棒性弱的问题,建立了机器视觉和惯性导航相融合的组合导航系统,并提出了一种自适应平方根无迹卡尔曼滤波(adaptivesquare-root unscented kalman filter,ASRUKF)算法。该算法通过... 详细信息

针对无人机自主导航的实时性差、精度低且对时变噪声的鲁棒性弱的问题,建立了机器视觉和惯性导航相融合的组合导航系统,并提出了一种自适应平方根无迹卡尔曼滤波(adaptivesquare-root unscented kalman filter,ASRUKF)算法。该算法通过观测值与估计值残差的Ma-halanobis距离时刻修正系统噪声协方差,再与采用最小偏度采样的SRUKF算法相融合,从而达到时变噪声自适应抑制,滤波快速且对噪声鲁棒性高的效果。仿真结果表明,相比标准SRUKF,ASRUKF计算耗时减少约38.8%,位移、速度和姿态角预测精度分别提高超过4倍和6倍,且对于时变噪声鲁棒性更强。

关键词：自主空中加油噪声自适应 Mahalanobis距离最小偏度采样平方根无迹卡尔曼滤波

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基于改进UKF的加油机位姿预测方法

应用光学 2016年第6期37卷 860-865页

作者：符毅孔星炜董新民支健辉高宇空军工程大学航空航天工程学院陕西西安710038

针对无人机自主空中加油保持阶段加油机位姿跟踪精度不高的问题,提出了一种改进UKF(无损卡尔曼滤波)预测方法。建立了视觉导航系统模型,利用Harris算法检测角点,并用RANSAC(随机序列一致性)算法进行角点匹配。将历史预测数据引入当前时... 详细信息

针对无人机自主空中加油保持阶段加油机位姿跟踪精度不高的问题,提出了一种改进UKF(无损卡尔曼滤波)预测方法。建立了视觉导航系统模型,利用Harris算法检测角点,并用RANSAC(随机序列一致性)算法进行角点匹配。将历史预测数据引入当前时刻UKF预测值,并通过匹配角点所得姿态观测值对改进UKF预测值进行修正,从而实现加油机姿态的高精度预测。仿真结果表明,改进UKF在遭遇突发强干扰时姿态预测性能明显优于标准UKF,所预测误差小于5.8%,满足空中加油精度要求。该算法避免了强干扰引发的预测出错,有效抑制了突发干扰。

关键词：自主空中加油视觉导航角点提取角点匹配 UKF

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基于TLD算法的加油锥套跟踪

应用光学 2016年第3期37卷 385-391页

作者：高宇孔星炜董新民王海涛王健空军工程大学航空航天工程学院陕西西安710038

针对自主空中加油对接阶段锥套跟踪问题,提出了一种基于tracking-learning-detection(TLD)的锥套跟踪算法。该算法将加油锥套的跟踪任务分解成跟踪、学习、检测3个部分。跟踪模块在LK光流法的基础上添加跟踪失败自检测,筛选出好的跟踪点... 详细信息

针对自主空中加油对接阶段锥套跟踪问题,提出了一种基于tracking-learning-detection(TLD)的锥套跟踪算法。该算法将加油锥套的跟踪任务分解成跟踪、学习、检测3个部分。跟踪模块在LK光流法的基础上添加跟踪失败自检测,筛选出好的跟踪点,跟踪加油锥套;检测模块构建级联分类器,对滑动窗遍历得到的图像块进行分类并返回含有目标的图像块,融合跟踪模块的跟踪框,给出最终跟踪结果;学习模块引入P-N约束修正错误样本并学习更新检测模块。利用Creator/Vega Prime软件对空中加油进行视景仿真,在视景仿真视频上测试锥套跟踪算法。结果表明:TLD算法跟踪加油锥套成功率达95.5%,处理每帧平均耗时31.4ms,能够满足加油锥套跟踪鲁棒性、准确率、实时性的要求。

关键词：自主空中加油锥套跟踪 TLD算法视景仿真

一种基于HSV色彩空间的加油锥套特征提取方法

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计算机应用与软件 2014年第6期31卷 192-194页

作者：王旭峰董新民孔星炜王龙空军工程大学航空航天工程学院陕西西安710038

自动空中加油过程中视觉导航图像的复杂性对加油锥套特征的检测与识别提出了很高的要求。为准确获取空中加油对接阶段加油锥套端面的中心坐标,提出一种基于图像HSV(hue,saturation,value)色彩空间信息的加油锥套特征提取方法。引入HSV... 详细信息

自动空中加油过程中视觉导航图像的复杂性对加油锥套特征的检测与识别提出了很高的要求。为准确获取空中加油对接阶段加油锥套端面的中心坐标,提出一种基于图像HSV(hue,saturation,value)色彩空间信息的加油锥套特征提取方法。引入HSV色彩空间,根据颜色与形状特征选取原则选取加油锥套特征。对图像进行色彩空间转换、色相滤波、二值化以及边缘检测处理,利用最小二乘椭圆拟合的方法得到加油锥套端面的中心坐标。实验结果表明,所提出的方法能够准确提取加油锥套特征,实时解算得到加油锥套端面的中心坐标,为自动空中加油视觉导航提供了一种可靠性更高的特征提取方法。

关键词：自动空中加油 HSV色彩空间加油锥套特征提取

An Improved PWCS Approach on Observability Analysis of Linear Time-Varying System

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An Improved PWCS Approach on Observability Analysis of Linea...

MEMS加速度计敏感元件测试仪的设计与实现

2009中国控制与决策会议

作者： kong xingwei~(1,2),GUO Meifeng~1,DONG Jingxin~1 1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments,Department of Precision Instruments and Mechanology,Tsinghua University,Beijing 100084,China 2.Engineering College,Air Force Engineering University,Xi''an 710038,China

＜正＞The piece-wise constant system（PWCS） observability analysis approach is an efficient method of analyzing the observability of linear time-varying *** improved approach is proposed to makes the analytical analysis simpler by eliminating redundant computation and simplifying the analysis *** the improved approach,the relation between the observability and the system status can be easily *** improved PWCS observability approach is used to analyze the strapdown inertial navigation system rapid transfer alignment model,which is a typical time-varying system.A simulation result validates the efficiency and advantage of the improved PWCS observability approach.

关键词： piece-wise constant system(PWCS) observability linear time-varying system rapid transfer alignment(RTA)

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国外电子测量技术 2008年第4期27卷 23-26,41页

作者：李童杰董景新刘云峰孔星炜赵长德清华大学精密仪器与机械学系北京100084

基于敏感元件的特性本文设计出了一种MEMS加速度计敏感元件特性测试仪,即利用电容检测电路和基于虚拟仪器的频谱测试仪对MEMS敏感元件的频谱特性进行测试而得出其重要性能参数。电容检测电路和虚拟仪器频谱测试仪分别在实验室内进行了... 详细信息

基于敏感元件的特性本文设计出了一种MEMS加速度计敏感元件特性测试仪,即利用电容检测电路和基于虚拟仪器的频谱测试仪对MEMS敏感元件的频谱特性进行测试而得出其重要性能参数。电容检测电路和虚拟仪器频谱测试仪分别在实验室内进行了误差分析,电容检测电路的最大非线性误差为0.127 7%,频率特性测试仪的幅值最大误差为0.352 6 dB,相位最大误差为1.365 6°。

关键词： MEMS加速度计敏感元件虚拟仪器频谱分析仪