[发明专利]空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法

说明书

一种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；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；所述地面站包括：相机，用于获取所述空中系绳的图像；本公开还提供一种对所述空中绳系飞行器的定位方法包括：步骤A：建立空中系绳的数学模型；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；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。

技术领域

本公开涉及航空飞行器及控制领域，尤其涉及一种空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法。

背景技术

空中飞行器在监视、遥感等领域拥有出众的优势。在特定场景下，空中飞行器需要通过一条系绳和地面连接，用于传输能量或者数据。在这种场景下，这条系绳也可以用于对空中飞行器的定位。现有的绳系飞行器大多采用自身携带的向前的或者向下的相机定位，通过获取系绳在图像中的位置和特征，计算出飞行器自身相对于系绳的位姿。这种定位方式不能确定出空中飞行器相对于地面的位置，因此本公开提出新的方法解决这个问题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法，以缓解现有技术中绳系飞行器大多采用自身携带的向前的或者向下的相机定位，只能确定其相对空中系绳的位姿，无法计算出相对于地面的位姿等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种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；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。

在本公开实施例中，所述地面站包括：相机，用于获取所述空中系绳的图像。

本公开还提供一种空中绳系飞行器定位方法，对所述的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定位方法包括：步骤A：建立空中系绳的数学模型；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；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。

在本公开实施例中，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Σ₀中建立的空中系绳的数学模型方程如下：

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Σ₀的坐标原点的水平距离，L(t)为该点到坐标系Σ₀的坐标原点的绳长，Z(t)为该点与坐标系Σ₀的坐标原点的垂直距离，所述坐标系Σ₀的坐标原点为空中系绳和地面站的连接点。

在本公开实施例中，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,c0；b在[-1,0)∪(0,1]内随机选取。

在本公开实施例中，所述步骤C包括：

步骤C1：对坐标系Σ₀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Σ₀中的系绳坐标变换到相机坐标系Σ₁中，得到系绳上每一点在Σ₁中的坐标表示；