[发明专利]空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法

权利要求书

1.一种空中绳系飞行器定位方法，对空中绳系飞行器系统中的飞行器进行定位，所述空中绳系飞行器系统，包括：飞行器，配有监视单元，用于拍摄地面图像并监视目标；地面站，用于处理数据并为飞行器提供能量，包括：相机，用于获取所述空中系绳的图像；以及空中系绳，其两端分别连接所述地面站和飞行器，为飞行器传输能量，并作为地面站和飞行器之间的数据传输载体；所述空中绳系飞行器定位方法包括：

步骤A：建立空中系绳的数学模型；

所述步骤A中通过地面站的相机获取空中系绳的图像，提取系绳的特征点，得到特征点在图像中的坐标，空中系绳在重力作用下形状为双曲函数，在坐标系∑₀中建立的空中系绳的数学模型方程如下：

∑₀：

其中，C为空中系绳的形状系数，t为空中系绳上某一点到坐标系∑₀的坐标原点的水平距离，L(t)为该点到坐标系∑₀的坐标原点的绳长，Z(t)为该点与坐标系∑₀的坐标原点的垂直距离，所述坐标系∑₀的坐标原点为空中系绳和地面站的连接点；|E|为系绳地面连接点和最低点间的水平距离(E＜0)，所述最低点为系绳双曲线数学模型中的最低点；系绳所在平面和OX₀Z₀平面的夹角为θ，所述OX₀Z₀平面，即坐标系∑₀中由坐标轴OX₀和OZ₀组成的平面；X′为空中系绳上任意一点在坐标轴X₀方向的分量；

步骤B：对步骤A所建立空中系绳的数学模型选择一组初始状态值；

所述步骤B中定义空中系绳在相机成像面的投影状态即二维图形的状态其中H_max为飞行器可达到的最大高度，即绳长R；D_max为飞行器可达到的最远距离，即绳长R；a和c为随机选取初始状态值，并且保证a²+c²≤1，a，c＞0；b在[-1，0)∪(0，1]内随机选取；H为系绳地面连接点和空中连接点的垂直距离；D为系绳地面连接点和空中连接点的水平距离；以及

步骤C：利用步骤B所选取的初始状态值通过计算确认空中系绳的姿态；

其中，所述步骤C包括：

步骤C1：对坐标系∑₀中空中系绳进行静力学分析：

步骤C2：采用变换矩阵T将坐标系∑₀中的系绳坐标变换到相机坐标系∑₁中，得到系绳上每一点在∑₁中的坐标表示；

步骤C3：计算相机坐标系∑₁中系绳的三维坐标投影在相机成像平面上的二维表示；以及

步骤C4：计算残差r_i(s)并迭代计算所述空中绳系飞行器的最优的状态s。

2.根据权利要求1所述的空中绳系飞行器定位方法，所述步骤C1中满足代入所述系绳数学模型方程中得到解得

3.根据权利要求1所述的空中绳系飞行器定位方法，所述步骤C2中，计算从坐标系∑₀到相机坐标系∑₁的坐标变换矩阵T，坐标变换矩阵其中，R′是旋转矩阵，t′是平移向量；其中旋转矩阵平移向量表示相机坐标系∑₁原点在坐标系∑₀中的坐标，计算系绳上每一点在相机坐标系∑₁中的坐标P＝(X，Y，Z)，系绳在相机坐标系中的方程∑₁：

4.根据权利要求3所述的空中绳系飞行器定位方法，所述步骤C3中，二维图形的形状是关于的方程，计算相机坐标系中系绳在相机成像面的投影，相机观测方程为可得其中f为相机镜头的焦距，得到在图像平面(x，y)的投影使用中间变量η₁和η₂；其中