[發明專利]空中繩系飛行器系統及飛行器定位方法

有效

• 申請號: 201811324663.3
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109540137B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 秦家虎;林奕爽;王立梅;陳宇航;周崇建
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;B64F3/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

一種空中繩系飛行器系統，包括：飛行器，配有監視單元，用于拍攝地面圖像并監視目標；地面站，用于處理數據并為飛行器提供能量；以及空中系繩，其兩端分別連接所述地面站和飛行器，為飛行器傳輸能量，并作為地面站和飛行器之間的數據傳輸載體；所述地面站包括：相機，用于獲取所述空中系繩的圖像；本公開還提供一種對所述空中繩系飛行器的定位方法包括：步驟A：建立空中系繩的數學模型；步驟B：對步驟A所建立空中系繩的數學模型選擇一組初始狀態值；以及步驟C：利用步驟B所選取的初始狀態值通過計算確認空中系繩的姿態。

技術領域

本公開涉及航空飛行器及控制領域，尤其涉及一種空中繩系飛行器系統及飛行器定位方法。

背景技術

空中飛行器在監視、遙感等領域擁有出眾的優勢。在特定場景下，空中飛行器需要通過一條系繩和地面連接，用于傳輸能量或者數據。在這種場景下，這條系繩也可以用于對空中飛行器的定位。現有的繩系飛行器大多采用自身攜帶的向前的或者向下的相機定位，通過獲取系繩在圖像中的位置和特征，計算出飛行器自身相對于系繩的位姿。這種定位方式不能確定出空中飛行器相對于地面的位置，因此本公開提出新的方法解決這個問題。

公開內容

(一)要解決的技術問題

基于上述問題，本公開提供了一種空中繩系飛行器系統及飛行器定位方法，以緩解現有技術中繩系飛行器大多采用自身攜帶的向前的或者向下的相機定位，只能確定其相對空中系繩的位姿，無法計算出相對于地面的位姿等技術問題。

(二)技術方案

本公開提供一種空中繩系飛行器系統，包括：飛行器，配有監視單元，用于拍攝地面圖像并監視目標；地面站，用于處理數據并為飛行器提供能量；以及空中系繩，其兩端分別連接所述地面站和飛行器，為飛行器傳輸能量，并作為地面站和飛行器之間的數據傳輸載體。

在本公開實施例中，所述地面站包括：相機，用于獲取所述空中系繩的圖像。

本公開還提供一種空中繩系飛行器定位方法，對所述的空中繩系飛行器系統中的飛行器進行定位，所述空中繩系飛行器定位方法包括：步驟A：建立空中系繩的數學模型；步驟B：對步驟A所建立空中系繩的數學模型選擇一組初始狀態值；以及步驟C：利用步驟B所選取的初始狀態值通過計算確認空中系繩的姿態。

在本公開實施例中，所述步驟A中通過地面站的相機獲取空中系繩的圖像，提取系繩的特征點，得到特征點在圖像中的坐標，空中系繩在重力作用下形狀為雙曲函數，在坐標系Σ₀中建立的空中系繩的數學模型方程如下：

其中，C為空中系繩的形狀系數，t為空中系繩上某一點到坐標系Σ₀的坐標原點的水平距離，L(t)為該點到坐標系Σ₀的坐標原點的繩長，Z(t)為該點與坐標系Σ₀的坐標原點的垂直距離，所述坐標系Σ₀的坐標原點為空中系繩和地面站的連接點。

在本公開實施例中，所述步驟B中定義空中系繩在相機成像面的投影狀態即二維圖形的狀態

其中H_max為飛行器可達到的最大高度，即繩長R；D_max為飛行器可達到的最遠距離，即繩長R；a和c為隨機選取初始狀態值，并且保證a²+c²≤1,a,c0；b在[-1,0)∪(0,1]內隨機選取。

在本公開實施例中，所述步驟C包括：

步驟C1：對坐標系Σ₀中空中系繩進行靜力學分析：

步驟C2：采用變換矩陣T將坐標系Σ₀中的系繩坐標變換到相機坐標系Σ₁中，得到系繩上每一點在Σ₁中的坐標表示；