本技術涉及通信保障與浮空平臺控制，尤其是涉及一種單兵背負式系留球升空平臺裝置。
背景技術：
1、在森林、沙漠、草原、海島等地形復雜、人口稀疏或基礎設施薄弱的區域，常常存在移動通信信號無法覆蓋的問題，尤其在應急救援、戰術偵察、野外科考、旅行探險或露營娛樂等場景中，由于缺乏穩定的通信基站支持，人員所攜帶的手機或手持終端容易出現信號中斷，無法與外界建立有效聯系，嚴重影響任務指令傳達、人員位置協同及突發情況的處理效率。
技術實現思路
1、為了使得位于氣球正下方或周邊一定半徑范圍內的地面用戶能夠重新接入公網或形成局部通信鏈路，本技術提供一種單兵背負式系留球升空平臺裝置。
2、本技術提供的一種單兵背負式系留球升空平臺裝置，采用如下的技術方案：
3、一種單兵背負式系留球升空平臺裝置，包括：
4、系留球，用于提供升空浮力；
5、吊艙設備，懸掛于所述系留球下方，并承載有通信覆蓋設備、自組網通信設備和供電模塊，通信覆蓋設備用于接收遠端通信信號并向地面放大覆蓋，自組網通信設備用于與其它升空平臺裝置的自組網通信設備建立無線通信連接，供電模塊用于為通信設備和自組網通信設備供電；
6、系留繩，用于連接所述吊艙設備與地面背負模塊，并控制系留球的升空高度；
7、控制裝置，所述控制裝置包括慣性測量單元、張力傳感器、攝像頭模組、舵面減擺結構和控制器，所述控制器基于慣性測量單元、張力傳感器和攝像頭模組的數據，控制舵面減擺機構。
8、可選的，所述地面背負模塊包括野戰背包結構，所述野戰背包結構設有多個功能倉，用于分別容納所述系留球、通信覆蓋設備、自組網通信設備、系留繩與電池裝置，還用于容納、氦氣瓶、減壓閥。
9、可選的，所述慣性測量單元，包括三軸陀螺儀和三軸加速度計，用于實時感知所述吊艙設備的俯仰角、橫滾角和偏航角；
10、所述張力傳感器，布置于吊艙與所述系留繩之間的連接部位，用于監測所述系留繩在垂直方向上的拉力變化；
11、攝像頭模組，所述攝像頭模組包括向下設置的第一攝像頭和向前設置的第二攝像頭，所述第一攝像頭用于獲取地面圖像并輔助進行視覺位姿識別；所述第二攝像頭用于監測平臺姿態變化或檢測空氣擾動環境；
12、舵面減擺結構，所述舵面減擺結構包括設置在所述吊艙設備尾部的兩個垂直尾翼，所述兩個垂直尾翼通過微型伺服電機驅動調節其偏轉角度；
13、所述控制器基于慣性測量單元、張力傳感器和攝像頭模組的數據，控制舵面減擺機構。
14、可選的，所述通信覆蓋設備包括對天天線和對地天線，所述對天天線用于與遠端通信鐵塔進行信號傳輸，所述對地天線用于與地面移動終端進行信號傳輸；所述對地天線通過天線固定板固定于所述系留繩上，且所述固定板通過四點吊掛結構保持水平狀態，以保障天線輻射方向與地面平行。
15、可選的，所述控制器用于執行以下方法：
16、s1.基于所述自組網通信模塊，與周圍的浮空平臺建立通信連接，并通過超寬帶測距裝置交換測距信號，獲取相鄰平臺之間的相對距離和相對方位角信息；
17、s2.基于相對距離和相對方位角信息，構建浮空平臺間的空間拓撲模型，并解算各平臺在二維空間中的相對位置坐標，用于建立局部坐標系下的編隊空間結構；
18、s3.獲取位于當前平臺上風方向、且在所述空間拓撲結構中與當前平臺連接的至少一個上游平臺發送的擾動信息數據包，所述擾動信息數據包包括由所述上游平臺根據其環境感知數據和姿態融合算法生成的融合姿態向量；
19、s4.基于接收到的擾動信息數據包中的風向信息、風速估計和平臺間相對距離信息，推算風力擾動傳遞到當前平臺的預計到達時間，并對所接收的融合姿態向量按照風擾傳播時序進行排序和聚合處理，得到具有時間先后性的姿態參考向量集合；
20、s5.基于所述姿態參考向量集合，對時間順序靠前的姿態向量進行時序反向調整處理，以生成預調整姿態向量，用于指導當前平臺在風擾到達前執行前饋姿態控制操作；
21、s6.獲取當前平臺的環境感知數據，基于視覺與慣性融合算法計算當前的實時融合姿態向量，并將所述實時融合姿態向量與測得的本地風力擾動信息打包形成擾動響應數據包，傳輸至下風向且在空間拓撲結構中與當前平臺連接的下游平臺；
22、s7.將所述預調整姿態向量與當前的實時融合姿態向量進行加權組合，得到當前平臺的目標姿態向量，并將所述目標姿態向量作為輸入，執行姿態控制策略以實現平臺穩定控制。
23、可選的，所述s3中的所述上游平臺根據其環境感知數據和姿態融合算法生成的融合姿態向量的生成步驟包括：
24、s301.采集來自視覺傳感器和慣性測量單元的多源傳感數據，并對所述傳感數據進行預處理，構建表征當前浮空平臺所處外部環境狀態的環境狀態向量；
25、s302.將所述環境狀態向量輸入至預先訓練的神經網絡場景判別模型中，輸出視覺感知權重與慣性感知權重；
26、s303.基于所述視覺傳感器獲取的圖像信息估算視覺姿態向量，基于所述慣性測量單元獲取的加速度與角速度數據估算慣性姿態向量；
27、s304.分別將所述視覺姿態向量與所述視覺感知權重進行加權計算，得到加權視覺姿態向量；將所述慣性姿態向量與所述慣性感知權重進行加權計算，得到加權慣性姿態向量；
28、s305.基于所述加權視覺姿態向量與所述加權慣性姿態向量進行融合運算，生成當前時刻上游的所述浮空平臺用于表征其姿態狀態的融合姿態向量。
29、可選的，所述s301包括以下步驟：
30、s3011.通過視覺傳感器實時采集圖像幀序列，并使用圖像處理算法識別圖像中的浮空平臺標識區域，提取標識區域在圖像坐標系中的像素位置、形變信息、遮擋比例及圖像清晰度指標；
31、s3012.基于所述標識區域在連續圖像幀中的像素位置變化，結合平臺之間的超寬帶測距信息和相對方位角信息，解算其他浮空平臺在當前平臺相機坐標系下的相對三維位置；
32、s3013.對連續幀中浮空平臺標識區域的位置變化進行運動趨勢分析，提取視覺動態特征，其中，視覺動態特征包括幀間相對速度、加速度、位移方向和軌跡曲率；
33、s3014.獲取當前慣性測量單元采集的短時加速度變化量、角速度變化量和穩定性指標；
34、s3015.?將所述視覺動態特征與慣性測量特征進行特征融合，構建表征當前浮空平臺所處外部擾動狀態的多維環境狀態向量，其中，所述環境狀態向量包括圖像模糊度、遮擋比例、圖像穩定度、鄰近平臺的相對速度、平臺姿態變化速率及穩定性指標。
35、可選的，所述s303包括以下步驟：
36、s3031.通過視覺傳感器實時獲取圖像序列，并基于圖像處理算法識別圖像中的其他浮空平臺的視覺識別標記，提取所述視覺識別標記在圖像坐標系中的像素位置；
37、s3032.基于所述視覺識別標記的已知物理尺寸、在圖像中的像素位置、以及平臺間的實際三維距離和相對方位角數據，采用透視解算方法，確定當前浮空平臺相對于參考浮空平臺在相機坐標系下的旋轉矩陣與平移向量；
38、s3033.在連續圖像幀中對所述旋轉矩陣進行配準與差分處理，計算平臺自身相對于上一時刻的相對旋轉角度變化，用于估算俯仰角、滾轉角和偏航角的變化量；
39、s3034.基于初始化姿態和所述旋轉角度變化量，估算當前浮空平臺在空間中的視覺姿態向量，所述視覺姿態向量采用歐拉角或四元數形式表征當前平臺的空間姿態狀態。
40、可選的，所述s5包括以下步驟：
41、s51.對根據上游的所述浮空平臺傳輸得到的擾動響應數據包中包含的融合姿態向量進行時間戳標記，并按照風擾傳播路徑方向與平臺相對距離關系，構建姿態參考向量集合，該集合按預估風擾到達時間順序排列；
42、s52.提取所述姿態參考向量集合中時間順序早于當前浮空平臺風擾預計到達時刻的一個或多個融合姿態向量，作為參考基礎用于時序預處理；
43、s53.基于所述融合姿態向量的演化趨勢，構建姿態變化預測模型，用于估算風擾影響在時間上向后傳遞過程中的姿態擾動變化量；
44、s54.將所述預測模型的輸出與當前浮空平臺自身的初始姿態狀態進行差值分析，確定當前平臺在風擾到達前應執行的姿態預偏移量；
45、s55.將所述姿態預偏移量疊加至當前姿態設定值，生成預調整姿態向量，所述預調整姿態向量用于在風擾尚未到達時，指引當前浮空平臺提前調整姿態，實現前饋型減擺控制。
46、可選的，所述s7包括以下步驟：
47、s701.獲取當前浮空平臺對應的實時融合姿態向量，所述實時融合姿態向量由視覺姿態向量與慣性姿態向量根據感知權重融合計算得到，用于表征平臺當前實際空間姿態；
48、s702.基于平臺接收到的預調整姿態向量和所述實時融合姿態向量，計算兩者的姿態差異程度，并根據預設的加權策略，分配預控制信號與實時反饋信號的融合權重；
49、s703.按照所述融合權重對預調整姿態向量與實時融合姿態向量進行加權計算，生成當前平臺的目標姿態向量，所述目標姿態向量用于表征當前時刻下姿態控制的目標指令狀態；
50、s704.將所述目標姿態向量作為參考輸入，輸入至姿態控制器中，所述姿態控制器基于pid控制策略計算舵面偏轉角度或執行機構控制信號；
51、s705.根據所述控制信號調整舵面結構或吊艙張緊機構，以驅動浮空平臺姿態向期望目標偏移。
52、綜上所述，本技術包括以下至少一種有益技術效果：
53、1、提供了一種適用于單兵攜行的背負式系留球升空平臺裝置，整體結構緊湊、模塊化程度高，可實現快速展開與回收，適用于應急救援、野外科考等對部署效率要求高的場景。
54、2、通過系留球攜帶通信覆蓋設備，可在無基站或信號盲區區域實現移動通信信號的中繼放大與廣域覆蓋，使地面人員可直接使用手機與外界建立通信聯系，增強任務通信保障能力。
55、3、結合慣性測量單元與視覺傳感器構建的姿態融合算法，并配合舵面減擺結構實現主動姿態控制，可顯著提升平臺在風擾環境下的穩定性，有效抑制吊艙擺動對通信天線指向與鏈路質量的影響。