● 摘要
随着无人机的性能和功能的不断提高和扩展，自主空中加油已逐渐成为无人机的必备能力之一，是未来无人机技术和空中加油技术发展的重要方向。本文针对基于机器视觉的无人机自主硬式空中加油系统进行研究。无人机自主硬式空中加油的关键是实时测量受油口相对于加油机的位置和姿态，为伸缩套管提供精确的导引信息，使其可以完成与受油口的精确对接。
首先，本文对无人机自主硬式空中加油问题进行了详细描述，介绍了近距离对接阶段的视觉导引系统结构和数字仿真环境。视觉导引系统通过视觉测量技术求解出受油口和加油机的相对位姿信息。模块化数字仿真环境基于Matlab/Simulink搭建，提供空中加油虚拟视景，可以对本文方法进行有效的仿真验证。
其次，研究了基于视觉注意机制的图像预处理技术、基于红色发光二极管和加速鲁棒特征的受油口区域特征提取方法。利用微粒群优化改进了一种视觉注意机制模型，取得了较好的效果。在数字仿真环境中对比分析了两种特征提取方法的像素提取精度。
然后，研究了基于单目视觉的三种受油口位姿测量方法。在相机中心透视模型的基础上对单目位姿测量的分辨力进行了估计，在数字仿真环境中对比分析了三种位姿测量方法的测量精度。实验结果表明，单目视觉测量方案最高可达到厘米级的测量精度。
再次，研究了基于双目相机的两种受油口位姿测量方法。在双目三角测量模型基础上对测量误差进行了分析，在数字仿真环境中对比分析了两种双目位姿测量方法的测量精度。实验结果表明，双目视觉测量方法最高也可达到厘米级的测量精度并且稳定性要优于单目系统。
最后，基于显示屏、工业相机和FlightGear软件搭建了自主空中加油半物理仿真平台，集成了图像采集显示、受油口特征提取、位姿测量等功能。设计了基于小型四旋翼无人机的半物理验证平台并对部分技术进行了验证，为进一步闭环系统验证提供了一个很好的平台。