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专利号: 2022114975800
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 飞行器;航空;宇宙航行
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种适用于海上作业直升机的全自动牵引校正入库系统的方法,其特征在于:所述全自动牵引校正入库系统包括用于横向校正直升机运动的快速系留装置、用于采集直升机转向轮姿态的广角相机、用于纵向牵引直升机运动的纵向牵引装置、控制系统和直升机及直升机系留杆,所述全自动牵引校正入库系统具有如下特征:所述快速系留装置上安装有机械爪,所述机械爪与安装在直升机腹部的直升机系留杆为圆柱副连接,在快速系留装置横向校正直升机运动的过程中,机械爪始终垂直于牵引轨道跟随直升机运动;

所述广角相机安装于快速系留装置的后壁中央位置,并跟随快速系留装置运动,在快速系留装置与纵向牵引装置牵引直升机运动的过程中,广角相机能够始终实时拍摄直升机转向轮的姿态;

所述纵向牵引装置牵引直升机运动过程中,快速系留装置始终沿牵引轨道跟随直升机运动,所述纵向牵引装置包括记录快速系留装置在轨道上位置的编码器,所述牵引轨道分为五段,包括牵引轨道第一段、牵引轨道第二段、牵引轨道第三段、牵引轨道第四段和牵引轨道第五段;

所述控制系统包括DSP控制单元和MCU控制单元两部分,所述DSP控制单元用于处理直升机转向轮姿态图像、建立直升机坐标系和甲板坐标系、计算机轮位置坐标、进行牵引提示线边界判断、存储并提取直升机运动路径,所述MCU控制单元用于生成横向和纵向位置控制指令;

所述直升机包括三个机轮,分别为转向轮、第一机轮、第二机轮,所述转向轮安装在直升机尾部,为具有较大偏心距的万向轮;

所述一种适用于海上作业直升机全自动牵引校正入库方法包括以下步骤:

S1、采集直升机转向轮姿态图像:直升机转运系统进入自动控制模式,通过广角相机采集当前直升机转向轮姿态图像;

S2、计算直升机偏航角和转向轮偏转角:DSP控制单元对采集到的直升机转向轮姿态图像进行处理,提取特征信息,计算得到直升机偏航角和直升机转向轮偏转角;所述特征信息包括直升机转向轮轮圆、轮胎和转轴的轮廓像素矩阵,通过轮廓像素矩阵特征直接获得直升机转向轮偏转角;

S3、计算直升机转向轮、第一机轮和第二机轮在甲板坐标系中的位置坐标:建立直升机坐标系和甲板坐标系,通过坐标变换关系和直升机偏航角计算直升机转向轮、第一机轮和第二机轮在甲板坐标系中的位置坐标;

S31、建立直升机坐标系,并根据直升机尺寸参数和直升机偏航角,计算直升机转向轮、第一机轮和第二机轮在直升机坐标系中的位置坐标;所述直升机坐标系以直升机系留杆为原点,以直升机偏航角为0°时,直升机的中心轴线为y0轴,指向舰艏方向为y0轴正方向,以垂直于y0轴射线为x0轴,指向船体右舷方向为x0轴正方向;

S32、建立甲板坐标系,所述甲板坐标系以船舶甲板牵引轨道起点为坐标原点,以牵引轨道起始部分的中心轴线为y轴,指向舰艏方向为y轴正方向,以垂直于y轴射线为x轴,指向船体右舷为x轴正方向,并在甲板坐标系下建立牵引轨道的数学方程和牵引指示线的轨迹方程;

S33、直升机转向轮、第一机轮和第二机轮在甲板坐标系中的位置坐标通过直升机坐标系到甲板坐标系的坐标变换关系计算获取;

S4、对直升机转向轮、第一机轮和第二机轮与牵引指示线进行边界判断:对直升机转向轮、第一机轮和第二机轮在甲板坐标系中的位置坐标与牵引轨道数学方程、牵引指示线轨迹方程进行位置边界判断;根据点到线的距离计算获得直升机转向轮、第一机轮和第二机轮的位置坐标与相应牵引指示线轨迹方程的对应关系,所述对应关系包括在牵引指示线之内、之上和之外三种情况;

S5、提取适合直升机的最优运动路径:根据直升机转向轮、第一机轮和第二机轮边界判断结果和直升机转向轮偏转角,从知识库中提取适合当前姿态直升机的最优运动路径;所述知识库由大量手动操作实践组成,并通过C语言编制成DSP控制单元的执行语句;

S6、根据所提取到的适合直升机的最优运动路径,计算横向和纵向运动位置控制指令,驱动直升机运动:选取一个控制周期内的最优运动路径后,MCU控制单元向快速系留装置液压驱动系统发送横向校正位置控制指令,向纵向牵引装置液压驱动系统发送纵向牵引位置控制指令,由快速系留装置和纵向牵引装置驱动直升机运动;

S7、重复执行步骤S1至步骤S6,直至直升机自动牵引校正入库完成:在直升机实际运动过程中,根据上一个控制周期的直升机最新姿态对最优运动路径进行补偿与调整,保证直升机按照提取的最优运动路径向机库方向运动。

2.根据权利要求1所述适用于海上作业直升机的全自动牵引校正入库系统的方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括以下步骤:S21、基于直升机转向轮轮廓像素矩阵在整体图像中的位置,计算直升机机身相对于广角相机中心轴线的偏角θ;

S22、基于直升机转向轮轮廓像素矩阵,获取直升机转向轮在纵向上的垂直偏移距离h;

其中,L4表示直升机偏航角为0°时,快速系留装置后壁与直升机转向轮中轴线的垂直距离;m1,n1分别表示直升机偏航角为0°时,直升机转向轮在姿态图像中占据的轮廓像素矩阵横向和纵向的像素点个数;m2,n2分别表示直升机处于偏航状态时,直升机转向轮在姿态图像中占据的轮廓像素矩阵横向和纵向的像素点个数;

S23、计算直升机偏航角

其中,x1表示直升机坐标系原点相对于快速系留装置中心偏移的位置,由快速系留装置机械爪位置信号获得;L3表示直升机转向轮中轴与直升机系留杆之间的垂直距离。

3.根据权利要求1所述适用于海上作业直升机的全自动牵引校正入库系统的方法,其特征在于,所述步骤S31中所述直升机转向轮在直升机坐标系中的位置坐标为:其中,xA,yA分别表示直升机转向轮在直升机坐标系中的x0方向坐标和y0方向坐标;L5表示快速系留装置后壁与直升机系留杆中心距离;

所述第一机轮在直升机坐标系中的位置坐标为:

其中,xB,yB分别表示第一机轮在直升机坐标系中的x0方向坐标和y0方向坐标;L2表示直升机系留杆到直升机转向轮轮轴的垂直距离,所述直升机转向轮轮轴为第一机轮和第二机轮的中心轴线;W表示第一机轮和第二机轮的轮距;

所述第二机轮在直升机坐标系中的位置坐标为:

其中,xC,yC分别表示第二机轮在直升机坐标系中的x0方向坐标和y0方向坐标。

4.根据权利要求1所述适用于海上作业直升机的全自动牵引校正入库系统的方法,其特征在于,所述步骤S33具体包括以下步骤:S331、计算直升机坐标系到甲板坐标系的坐标变换关系,首先计算直升机坐标系原点在甲板坐标系中的坐标,即直升机系留杆在甲板坐标系中的坐标(xG,yG):其中,y1表示快速系留装置沿牵引轨道的运动位置,由安装在牵引动力装置上的编码器获得;Y4,Y5,Y6,Y7,Y8分别表示牵引轨道的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段y方向长度;Y表示牵引轨道第三段的长度;l表示牵引轨道的第二段及第四段的圆弧长度;X2表示牵引轨道的第四段的圆弧所对应圆心O2的x方向坐标;α表示牵引轨道的第二段及第四段的圆弧所对应的圆心角;

S332、计算直升机转向轮在甲板坐标系中的位置坐标(x′A,y′A)、第一机轮在甲板坐标系中的位置坐标(x′B,y′B)和第二机轮在甲板坐标系中的位置坐标(x′C,y′C),分别为:

5.根据权利要求1所述适用于海上作业直升机的全自动牵引校正入库系统的方法,其特征在于,所述步骤S32中所述牵引指示线包括左牵引指示线和右牵引指示线,所述左牵引指示线和右牵引指示线的对称中线为所述牵引轨道,所述牵引轨道的数学方程为:其中,X3表示y轴与牵引轨道的第五段之间的距离;

所述左牵引指示线的轨迹方程为:

其中,X1表示左牵引指示线与牵引轨道之间的距离;Y1,Y2,Y3分别表示左牵引指示线的第一段、第二段和第三段y方向长度;

所述右牵引指示线的轨迹方程为:

6.根据权利要求1所述适用于海上作业直升机的全自动牵引校正入库系统的方法,其特征在于,当直升机机身偏航角为0°时,广角相机与直升机机身轴线重合,广角相机在以牵引轨道为中心线的±37.5°范围内获取直升机转向轮图像状态。