一種用于航母自動著艦的視覺伺服技術

許宏泉，吳定剛，謝紅勝

(1.海軍駐武漢709所軍事代表室，湖北 武漢 430074;2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

航母艦載機飛行員所要執行的最為關鍵的任務之一就是在惡劣海況下完成艦載機著艦任務。對于飛行員來說，將飛機降落到靜止的陸地跑道上都極為困難，何況在航母這樣的運動平臺上完成艦載機著艦任務，并且還要面臨海上風浪的考驗。因此，航母艦載機自動著艦作為能夠有效幫助飛行員完成穩定、可靠、精確的著艦任務的一種技術手段，一直受到擁有航母國家海軍的重視。

為了控制航母艦載機自動著艦，需要不斷自動修正艦載機的下滑位置，以指示艦載機沿著參考的下滑軌跡著艦。雷達、GPS技術先后應用于航母艦載機自動著艦系統中。其中，使用航母艦載雷達跟蹤并修正艦載機下滑道的精確進近著艦系統(precision approach landing systems，PALS)與使用GPS引導飛機沿正確下滑道著艦的聯合精確進近著艦系統 (joint precision approach landing system，JPALS)是美國開發的2種世界上最先進的航母艦載機自動著艦系統。

視覺伺服技術使用視覺特征作為輸入控制一個動態系統。視覺特征包括從視覺圖像中提取的點坐標或線間夾角。通過建立飛機在進近或著艦調整階段的線形化空間狀態模型，進而設計出一個控制方案，視覺伺服技術能夠自動指示艦載機沿著參考的下滑軌跡著艦。本文介紹法國研究人員設計的一種視覺伺服航母助降方案。該方案從艦載機傳感器數據和紅外圖像中提取位置和方向特征構造艦載機質心矢量，作為艦載機著艦下滑軌跡控制器的輸入，通過下滑軌跡控制器不斷指示艦載機沿著參考的下滑軌跡著艦。

1 視覺伺服方案需要的傳感器

視覺伺服方案需要以下傳感器:

1)艦載機上的慣性測量單元 (IMU)，用于提供飛機在慣性坐標系中的姿態 (3個歐拉角);

2)飛機攻角傳感器 (AOA)，用于測量飛機的迎角和側滑角;

3)空速管，用于測量飛機的速度;

4)無線電高度計，用于測量飛機相對海面的高度;

5)“塔康”機載系統，用于計算艦載機相對于航母的距離和姿態;

6)艦載機上的光學吊艙，用于產生航母的紅外圖像。

1.1 艦載機上慣性測量單元

艦載機上的慣性測量單元由3個加速度計、3個陀螺儀和磁力計組成。如圖1所示，艦載機上的慣性測量單元用于測量艦載機在參考坐標系FNED中的歐拉角ψ，θ，φ，以及在艦載機本體坐標系Fb中圍繞3個主軸Xb，Yb，Zb旋轉的角速度p，q，r。FNED的下標NED依次表示“北、東、下”。參考坐標系FNED的坐標原點可設在地球上任何一點，且FNED軸與地球緯線相切指向東，ZNED軸指向地球的中心，而坐標軸XNED與YNED軸、ZNED軸滿足右手定則。

1.2 飛機攻角傳感器

飛機攻角傳感器由進氣導片組成。如圖1所示，飛機攻角傳感器用于測量飛機的迎角α和側滑角β。側滑角β定義為飛機速度矢量V→與飛機縱向對稱平面 (飛機本體坐標系Fb中Xb軸和Zb軸確定平面)的夾角，而迎角α定義為飛機機頭指向與速度矢量V→在飛機縱向對稱平面內投影的夾角。

1.3 飛機空速管

空速管是位于飛機機頭前端的導管，具有測壓孔，用于測量飛機飛行速度。如圖1所示，飛機空速管可測量飛行速度矢量。

1.4 無線電高度計

圖1 飛機旋轉及歐拉角表示Fig.1 Aircraft's circumnutating and its Eular angles illustration

無線電高度計用于測量飛機相對于地面或水面高度的雷達。無線電高度計向地面或水面發射雷達波，雷達波經過地面或水面反射后再被無線電高度計接收，這期間雷達波傳播距離的一半即為飛機高度。

1.5 “塔康”機載系統

“塔康”是機載戰術空中導航系統，可提供飛機和航母之間距離和方位角信息。艦載機上有“塔康”發射應答器，而航母上有“塔康”信標。如圖2所示，“塔康”機載系統測量飛機相對于航母的距離和方位角。

1.6 艦載機光學吊艙

艦載機光學吊艙原本用于目標指示，其所擁有的紅外傳感器可以拍攝航母的紅外圖像，其中可包含航母跑道上燈光線特征、參考著艦點紅外特征。依靠“塔康”機載系統提供的信息，艦載機參考著艦點能始終位于光學吊艙拍攝的航母紅外圖像中心處。

圖2 “塔康”機載系統測量的距離和方位角Fig.2 Geodesic range measured by air board TACAN system

圖3 “達摩克利斯”機載光學吊艙及其拍攝的“戴高樂”號航母的紅外圖像Fig.3 Damocles air board optics pod and Degaulle carrier's infrared imagery

2 視覺伺服方案

2.1 坐標系定義

圖4 伺服方案涉及的幾個坐標系Fig.4 Several reference frames of servoing approach

圖4給出了視覺伺服方案涉及的幾個坐標系。其中，F0、Fb和Fc分別表示固定參考坐標系、飛機本體坐標系和相機坐標系。Fd是航母甲板坐標系，且其Xd軸與著艦坐標系Fi的Xi軸指向一致。飛機在著艦坐標系Fi中的姿態矢量定義為P=(p，Φ)=(X，Y，Z，φ，θ，ψ)，其中飛機指向矢量 Φ 用歐拉角φ，θ，ψ表示。飛機飛行速度矢量在飛機本體坐標系中可定義為 vb=(vb，ωb)=(u，v，ω，p，q，r)，其中前3個分量u，v，ω為線性分量，后3個分量p，q，r為轉動分量。vb和Φ由飛機的慣性測量單元測得。飛機空速管測得飛機飛行速率V和飛機攻角α。而視覺伺服方案涉及的視覺信息則和飛機姿態矢量P的分量Y，Z，ψ有關。

2.2 航母紅外圖像特征提取

通過對艦載機光學吊艙拍攝的航母紅外圖像進行檢測和跟蹤，得到如圖5所示航母甲板跑道的圖像特征，其中xf，ly和θk是需要提取的特征量。

圖5 視覺伺服方案所涉及的航母紅外圖像特征Fig.5 Visual servoing approach involved carrier infrared imagery character

圖5中，ly表示航母甲板跑道兩側邊線燈在圖像中投影的交點f和艦載機參考著艦點在圖像中投影i之間的縱向距離，xf表示航母甲板跑道兩側邊線燈在圖像中投影的交點f的橫坐標，θk表示跑道中心線和跑道垂線在圖像中投影的夾角。如圖6所示，理想狀態下，艦載機沿著參考的下滑軌跡著艦，此時 δ0=3.5°，xf=0，θk=90°，ly=－yf。

2.3 控制策略

控制策略是根據以上提取的航母紅外圖像特征量xf，ly和θk，結合艦載機上慣性測量單元獲得的歐拉角ψ，θ，φ和旋轉的角速度p，q，r一起組合構成艦載機質心姿態矢量。以艦載機質心姿態矢量作為輸入，通過艦載機著艦下滑軌跡控制器 (實際上是一個矩陣方程，以艦載機沿著參考下滑軌跡著艦的狀態為線性控制調整點獲得)求出艦載機電傳飛行控制系統的控制矢量 (矢量元素包含如法向加速度、橫滾率等)，最終通過電傳飛行控制系統引導艦載機沿著參考的下滑軌跡著艦。

3 結語

無論是依靠飛行員視覺判斷的光學著艦引導，還是后來應用雷達、GPS技術的艦載機自動著艦引導，都需要在航母上安裝專門的設備，由這些設備指示飛行員或者艦載機飛行控制系統操縱艦載機沿著參考的下滑軌跡著艦。而視覺伺服方法不需在航母上安裝專門的雷達等設備，只需借助艦載機上固有的光學吊艙 (原本用于目標指示)，利用軟件方法計算出艦載機的飛行控制系統的輸入值，并由艦載機飛行控制系統操控艦載機著艦。視覺伺服方法利用航母和飛機上的固有設備，花費成本低，卻能實現與雷達和GPS著艦引導方式相似的效果，開辟了航母艦載機自動著艦引導系統研發的一條新路。

［1］COUTARD L，CHAUMETTE F.Visual detection and 3D model－ based tracking for landing on aircraft carrier［C］.In IEEE Int.Conf.on Robotics and Automation，ICRA’11，Shanghai，China，2011.

［2］COUTARD L，CHAUMETTE F，PFLIMLIN J M.Automatic landing on aircraft carrier by visual servoing［C］.In IEEE/RSJ Int.Conf.on Intelligent Robots and Systems，IROS’11，San Francisco，USA，2011.