无人机空中加油锥套识别与对接导引模拟实验设计与实现

针对基于视觉的无人机空中加油任务需求,设计了一套无人机空中加油锥套识别与对接导引模拟实验。采用基于YOLOv4-tiny的智能锥套检测算法,实现在环境变化情况下的锥套识别与定位;设计了一种基于视觉的对接导引律,通过调节无人机的飞行速度和角度实现对接导引。实验结果表明,YOLOv4-tiny检测锥套的准确率和速度满足自主对接的定位精度要求和实时性要求,在锥套静止和运动两种情况下,利用基于视觉的导引律可以实现无人机快速跟踪锥套,以完成自主加油过程。

基于有限元仿真的锥套联轴器过盈量分析

针对理论过盈量计算未考虑锥套式联轴器油槽应力集中的影响,本文基于有限元分析,考虑联接盘油槽对装配过盈量的影响,对理论装配过盈量上限进行调整;根据过盈量上限对联接盘结构进行优化,设置止推结构,从而避免超过盈而造成联接锥盘失效现象的产生。对优化后的结构进行了有限元仿真验证,结构证明该结构是合理有效的。

基于级联式Snappy-CenterNet的锥套目标检测算法

针对空中加油因场景光照变化、环境遮挡等情况造成的锥套目标识别精度低、实时性差的问题,提出一种基于级联式Snappy-CenterNet深度网络的锥套目标检测算法。在CenterNet网络的基础上,以HourglassNet为主干网络,改进其bottleneck结构并引入中心池化的方法,对整体的网络结构进行优化,通过级联式的网络提升整体检测精度。实验结果表明:该算法可实现在多种复杂场景下对锥套目标的可靠检测,检测结果的精确率与召回率均可达99%,位置精度与区域精度分别可达99%与96%,更新率可达33.68 Hz,满足空中加油近距视觉导航阶段对于锥套识别的指标要求。

基于视觉的自主空中加油锥套跟踪与定位

主要针对国内软式空中加油,设计了一套基于机器视觉技术的自主空中加油锥套跟踪与定位系统。首先,对加油机系统建模,利用有限元分析进行加油软管锥套建模,为锥套运动提供基准数据;然后,利用最小椭圆定位完成锥套二维图像定位,结合LHM算法完成三维定位;接下来,考虑到锥套定位稳定性较差以及输出频率较低的问题,引入EKF提高系统鲁棒性并设置ROI区域减少图像处理时间;最后仿真结果表明,在不同紊流条件下,基于EKF的视觉测量系统可提高系统鲁棒性并使输出频率大大提升。

油膜轴承锥套过盈装配过程中的压力分布及损伤

针对1580 PC热板带连轧机油膜轴承在装拆与使用过程中的锥套损伤问题,建立锥套装配的边界元力学模型及边界条件。利用三维弹塑性接触问题边界元法定量分析轧机油膜轴承锥套与轧辊辊颈过盈装配过程中的变形和载荷特性,通过设定不同加载模型的参数,对锥套装拆过程进行数值模拟。讨论油膜轴承偏载时锥套接触应力和变形对锥套与辊颈损伤的影响,得出装拆过程中不同胀型压力和轴向推力条件下的应力和应变变化规律,找出导致锥套损伤的根本原因,给出防止锥套与辊颈装配过程损伤的具体改进措施。利用制造出的两台轧机油膜轴承样机试验验证理论分析结果的正确性,并且找到油膜轴承损伤的根本原因。

大气紊流对空中加油软管锥套运动的影响

为研究大气紊流对软管锥套运动的影响,将空中加油软管质点离散化,从软管、稳定伞空间受力出发,建立了软管锥套的动力学模型,并对其运动进行了仿真计算和分析。仿真结果表明,在晴空大气紊流作用下,锥套会产生高频振荡。高度一定时,大气紊流对软管锥套运动的影响随加油机速度的增大而减小;真速一定,加油机高度小于11 km时,锥套运动幅值和高度没有单一的线性关系,当高度大于11 km后,锥套运动幅值随高度的增加而减小;表速一定时,大气紊流对软管锥套运动的影响随加油机高度的增大而减小。

软管锥套式空中加油系统建模与特性分析

针对自主空中加油研究中软管锥套运动模型过于简化,现有建模方法又存在成本高、计算量大、软管长度恒定等缺陷的问题,根据集中参数法原理,提出了一种长度可变的多级串联理想单摆系软管锥套运动模型.同时考虑软管收放、加油机牵连运动、重力、定常流、大气扰动、加油机尾流等内外部因素,推导了迭代形式的变长度软管锥套三维运动方程.由摆长约束导出了求解软管拉力的代数线性方程组,进而给出了模型稳定性证明和适用条件.通过数值仿真,测试了锥套阻力、平衡位置、软管收放等稳态特性,分析了加油机滚转运动、尾涡流场对软管锥套的动态影响以及软管甩鞭现象的产生机理.数值仿真结果验证了所建模型的有效性.

宏微观跨尺度下的锥套运行力学机理研究

为揭示薄壁锥套在运行过程中产生损伤的运行力学机理,提高其运行可靠性,提出一种用于解决具有宏微观跨尺度问题和大规模非线性接触问题的流固耦合方法。通过对薄壁锥套和轧辊所形成的固体域进行三维静电多极离散,采用改进后的Krylov子空间广义极小残值法(GMRES(m))对其进行优化迭代。其中,弹性摩擦接触域进行点面接触非线性数学规划,耦合界面处采用非匹配网格数,并对微米级油膜进行弹性润滑解析和无厚度处理,同时引入Lagrange族内插函数,建立薄壁锥套在宏微观跨尺度下的运行力学模型。通过薄壁锥套运行力学机理试验,验证计算方法在揭示薄壁锥套运行力学行为的正确性。结果表明,薄壁锥套在运行过程中的油膜力场和接触应力场呈三维动态非均匀分布,在复杂交变力场作用下,位于薄壁锥套两端密封槽处的应力奇异性是造成其发生粘结、断裂等破坏的力学原因。在设计阶段必须考虑轧制工况状态,通过设计合适的过盈量和锥套厚度来减小疲劳损伤,提高可靠性。

软管-锥套式空中加油动态建模与性能分析

提出了一种基于凯恩方程的自主空中加油软管-锥套动态模型及性能分析方法。该方法将软管视为由有限段以铰链形式连接的刚性杆组成,锥套为软管末端的一个质点。本文定义了描述系统状态的广义坐标及广义速率,导出了软管段位置多级递推公式和系统动态方程,估算了软管在加油机尾流、定常流和大气扰动下的气动载荷。通过数值仿真分析了平稳大气中锥套在加油机不同飞行条件下的稳态阻力和软管拖拽轨迹,验证了模型的正确性及系统稳定性。最后研究了大气扰动对锥套运动的影响及不同软管段的受扰运动。

大型轧机油膜轴承锥套损伤问题研究

利用弹塑性接触问题边界元法分析了轧机油膜轴承锥套与轧辊辊颈装配过程中的变形和载荷特性,讨论了接触应力和变形对锥套与辊颈损伤的影响,给出了防止锥套与辊颈装配过程损伤的具体改进措施。最后通过实验验证了理论分析结果和改进方案的正确性。

自主空中加油视觉导航系统中的锥套检测算法

在软管式自主空中加油视觉相对导航系统中实现锥套的准确检测至关重要,由于加油机尾流及气流的影响,做随机运动的锥套区域的准确检测是具有一项挑战性的任务。将加油机锥套检测考虑为运动目标检测问题,提出了一种多尺度低秩和稀疏分解锥套检测算法。首先,对锥套图像序列进行平稳小波分解,得到多尺度低频图像序列;再将较粗尺度低频图像序列获得的目标作为下一较细尺度低频图像序列的目标可信图,再进行该尺度的低秩和稀疏分解获得稀疏项,即目标锥套区域。通过在真实加油机锥套图像数据上的实验结果表明,所提算法在进行锥套检测时是有效的。

MS-KF融合算法用于锥套跟踪

针对无人机自主空中加油过程中锥套跟踪,提出一种均值漂移-卡尔曼滤波(mean shiftKalman filter,MS-KF)融合算法。分析了基于均值漂移算法的锥套目标模型、相似性度量、锥套目标定位的锥套定位原理;引入卡尔曼滤波器对锥套运动状态进行预测,将锥套运动信息融合到均值漂移算法中,以保证锥套跟踪算法的稳定性和鲁棒性;给出了MS-KF融合算法用于锥套识别跟踪的流程;搭建了锥套跟踪半物理实验验证系统,分别进行MS-KF融合算法用于锥套跟踪的半物理实验验证及数值仿真分析。实验结果表明:MS-KF融合算法可以对锥套精确定位跟踪,无人机3个轴向的跟踪误差保持在0.3m的范围内,保证了无人机自主空中加油的顺利进行。

一种基于HSV色彩空间的加油锥套特征提取方法

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。

空中加油机加油软管锥套气动稳定性风洞试验技术

软式加油方式中加油软管锥套受气流影响会发生气动不稳定现象,严重影响空中加/受油的成功率和安全性,其中加油机的尾流场是影响软管锥套稳定性的主要因素。本文研究了空中加油机加油软管锥套的气动稳定性风洞试验方法,建立并分析了相似准则,给出了双目系统测量软管锥套位移的具体方法,利用自动舵机实现了加油软管自动收放,形成了完整的加油软管锥套气动稳定性风洞试验技术,并将其应用于某型加油机加油吊舱、中心线平台等部件的选型优化。结果表明,该试验技术能有效模拟处于加油机尾流场下的软管锥套收放过程和固定管长时的气动稳定性,试验获得的锥套下沉量和振动幅值明确了不同加油吊舱、中心线平台构型的优劣性,能够为加油机关键加油部件选型优化及飞行试验提供可靠的试验数据。

空中加油软管-锥套动态建模与仿真

利用有限元分析法建立加油机流场下的加油软管动态模型,利用该模型分析加油机不同飞行条件下的软管-锥套平衡拖拽尾迹。利用牛顿运动定律建立软管-锥套的运动方程,分析软管的气动载荷。对第一段软管的运动施加约束建立变长度的软管-锥套模型。在Matlab/Simulink仿真平台下搭建模型,分析加油机平飞、爬升、下滑状态下的软管-锥套动态特性。仿真结果与国内外公开的试飞数据相吻合,验证了模型的正确性。所建模型来可用于有人机空中加油训练模拟和无人机自主空中加油仿真等。

机器视觉辅助的插头锥套式无人机自主空中加油仿真

为准确获取无人机自主空中加油对接阶段受油插头与加油锥套的相对位姿信息,提出一种机器视觉辅助的插头锥套式无人机自主空中加油方案。研究了机器视觉识别跟踪加油锥套的算法,利用卡尔曼滤波算法估计无人机与加油锥套的相对位姿。实验结果表明:机器视觉图像处理算法可精确识别跟踪加油锥套,滤波器估计的相对位姿误差收敛速度较快,满足插头锥套式无人机自主空中加油的需要。

基于Kalman预测的空中加油锥套跟踪方法

利用加油锥套的位置和尺寸信息建立Kalman滤波方程,结合加油对接过程中锥套的运动特点设置模型参数,并引入目标遮挡系数实现参数的自适应调整,对锥套的运动进行状态估计,再通过改进的霍夫梯度法采集观测值对估计值进行修正。实验结果表明,本文研究的算法在工作范围内能够实现对锥套的稳定跟踪,特别是当锥套发生部分遮挡时具有较好的持续跟踪能力,对背景变化具有较好的适应性。

锥套装置的设计及应用分析

为提高机械传动联接部件的定心精度及在重载、冲击性载荷作用下不会产生切键现象,设计制造了锥套装置,锥套外锥面与锥孔内锥面与轴线均呈4°夹角。安装后,在锥孔锥面的作用下,锥套将产生形变而夹紧锥套轴孔内的传动轴。

不同对接速度下软式加油管锥套运动特性数值模拟研究

采用CFD数值模拟的手段,模拟了飞机在不同对接速度下加油锥套的运动情况。空间离散采用了Osher格式,紊流模型采用了S-A一方程紊流模型,动网格采用了适合柔性变形的基于Delauney图的动网格技术,运用"刚杆-球铰"模型离散方法对软管锥套系统进行建模,建立了软管多体系统模型并得到其运动控制方程。计算结果表明,不同的对接速度对锥套的运动有较大的影响,低于3m/s时,锥套向上飘移并且伴有周期性摆动;当以3m/s速度进行对接时,加油锥套存在向上移动,飘移距离在0.6m左右,但周期性的振荡表现较小。本文的结果为该类飞机加油的对接速度提供参考。

不确定环境下的软管-锥套建模及控制研究

提出了一种能有效适应不确定性环境的锥套稳定控制方法。在对软管-锥套非线性动力学模型线性化及降阶处理的基础上,将大气紊流对软管-锥套的扰动视为随机扰动,并把这种扰动作为参数与软管-锥套系统降阶模型中的状态合并成增广的系统状态量,采用卡尔曼滤波方法对系统状态量进行实时估计,并设计LQG控制器,实现对锥套的稳定控制。仿真结果表明,该方法能实时跟踪大气紊流的变化,且具有较好的抗大气紊流干扰的能力,能保证锥套的稳定。