CN109540137B - 空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法

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,c>0；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；

步骤C3：计算相机坐标系Σ₁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。

在本公开实施例中，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

在本公开实施例中，所述步骤C2中，计算从坐标系Σ₀到相机坐标系Σ₁的坐标变换T，坐标变换

其中，R是旋转矩阵，t是平移向量；其中旋转变换为

平移变换为

表示相机坐标系Σ₁原点在坐标系Σ₀中的坐标，计算系绳上每一点在相机坐标系Σ₁中的坐标P＝(X,Y,Z)，系绳在相机坐标系中的方程

在本公开实施例中，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

在本公开实施例中，所述步骤C4中，r_i(s)＝y_i-y(x_i,s)；

其中，r(s^k)表示s^k的残差，

表示雅可比矩阵J_r的广义逆矩阵，其中：

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)地面站可以对飞行器进行全局定位；

(2)定位检测装置放置于地面站，因此不受飞行器载重负荷限制，可以选用体积质量更大但定位检测效果更好的装置；

(3)本定位方法只需要采集地面站相机视野范围内的图像，适用于能见度低、无GPS的场景。

附图说明

图1是本公开实施例的空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法的流程图。

图2是本公开实施例的空中绳系飞行器系统的组成示意图。

图3是本公开实施例的空中系绳在地面站坐标系中的含参双曲线数学模型。

具体实施方式

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，所述定位方法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，根据当前估计的系绳状态值计算误差，利用高斯牛顿法计算迭代后的系绳的状态值，直到得到最优的空中绳系飞行器的状态。

所述定位方法通过地面站负责为飞行器提供能量和处理数据，同时，地面站配有相机，通过建立空中系绳的数学模型以及检测空中系绳的特征，完成对飞行器的定位。空中系绳是连接地面站和飞行器的单元，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。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种空中绳系飞行器系统，图2为所述空中绳系飞行器系统的组成示意图，如图所示，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；以及

空中系绳，其两端分别连接地面站和飞行器，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。

所述地面站配有相机，通过建立空中系绳的数学模型以及检测空中系绳的特征，完成对飞行器的定位，具体包括，首先建立空中系绳在地面站坐标系中的含参双曲线数学模型，并通过坐标变换和投影该系绳模型转换为相机图像中的数学方程。不断优化系绳双曲线数学模型的参数，使得转换得到的相机图像中的数学方程与系绳特征点的图像坐标误差最小，从而得到最优的系绳双曲线数学模型以及飞行器坐标。

在本公开实施例中，还提供一种空中绳系飞行器定位方法，通过上述所述的绳系飞行器系统进行定位；

在本公开实施例中，图3为空中系绳在地面站坐标系中的含参双曲线数学模型，如图所示，空中系绳和地面连接点为坐标系Σ₀的坐标原点，即(X,Y,Z)＝(0,0,0)。定义C为空中系绳的形状系数，D为系绳地面连接点(系绳和地面的连接点)和空中连接点(系绳和飞行器的连接点)的水平距离，|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，即坐标轴Z上最小的点，如附图3中所示；H为系绳地面连接点和空中连接点的垂直距离，R为系绳长度，系绳所在平面和OX₀Z₀平面的夹角为θ，所述OX₀Z₀平面，即坐标系Σ₀中由坐标轴OX₀和OZ₀组成的平面。相机坐标系为Σ₁，其中从Σ₀到Σ₁的坐标变换为T。

在本公开实施例中，图1为空中绳系飞行器定位方法的流程图，如图1所示，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；

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；

对坐标系Σ₀中对空中系绳进行分析，得到空中系绳的数学方程如下：

其中，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(t>0)，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。

步骤B：选择一组初始状态值；

定义状态

其中，H_max为飞行器可达到的最大高度，D_max为飞行器可达到的最远距离，都等于系绳的总长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；

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；包括：

步骤C1：对坐标系Σ₀中空中系绳进行静力学分析：

系绳方程

满足

代入得到

解得

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；

计算从坐标系Σ₀到坐标系Σ₁的坐标变换。

坐标变换

其中，R是旋转矩阵，t是平移向量。

其中旋转变换为

平移变换为

表示相机坐标系Σ₁原点在坐标系Σ₀中的坐标，计算系绳上每一点在相机坐标系Σ₁中的坐标P＝(X,Y,Z)

系绳方程

步骤C3：计算Σ₁中系绳的三维坐标投影在相机成像平面上的二维表示；

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

利用相机的观测方程，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

关于系绳特征点在像平面中的横坐标x的表达式，为了使x和y的关系式易于表达，使用中间变量η₁和η₂；

其中

投影的形状是由三个变量决定的，定义状态为

步骤C4：计算残差r_i(s)并迭代计算估计所述空中绳系飞行器的最优的状态s：

r_i(s)＝y_i-y(x_i,s)；

r(s^k)表示s^k的残差，

表示雅可比矩阵J_r的广义逆矩阵，其中：

通过计算当前状态值下的误差值，判断空中系绳的姿态，若误差小于设定值，认为计算出了最优空中系绳姿态，完成了空中绳系飞行器的定位；若误差大于设定值，利用高斯牛顿法、梯度下降法或不动点法等计算新的状态值，重新转入步骤C。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开空中绳系飞行器系统及飞行器定位方法有了清楚的认识。

综上所述，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，所述定位方法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，根据当前估计的系绳状态值计算误差，利用高斯牛顿法计算迭代后的系绳的状态值，直到得到最优的空中绳系飞行器系统的状态。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (4)

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

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