CN102043410A - 操纵人员头部运动指示无人机云台伺服系统 - Google Patents

Abstract

操纵人员头部运动指示无人机云台伺服系统属于无人机控制领域，其特征在于，含有：头戴式姿态传感器，地面站，数据电台，视频电台和可俯仰/偏航的无人机机载云台，其中，头戴式姿态传感器用于检测操作人员的头部运动，地面站根据头部运动计算得到云台偏转指令，并通过数据电台发送给机载云台，使机载云台及其搭载的摄像机向操作人员期望的方向偏转，摄像机通过视频电台将拍摄视频传回地面站并实时显示，操作人员根据地面站显示的视频实时修正机载云台的偏转速率和方向，使摄像机始终对准期望的目标。本发明可以使操作人员利用其头部运动的直觉反应控制机载云台的偏转，具有操作容易、使用方便的特点，并能显著降低无人机操作人员的工作负担。

Description

操纵人员头部运动指示无人机云台伺服系统

技术领域

本发明是利用操纵人员的头部运动，控制无人机机载云台偏转的系统，能够方便、准确地操纵无人机的机载云台，并同时降低操纵人员双手的操作负担。主要应用在航空航天、无人机和机器人等技术领域。

背景技术

无人机的机载云台通常携带有摄像机，用于实时地拍摄地面图像。因此在无人机的飞行过程中，需要不断操纵云台的偏转，使之对准拍摄目标。然而无人机的飞行具有较大危险性和随机性，所以在繁重而紧张地操纵无人机的飞行之余，同时操作机载云台有较大难度。

目前对无人机及机载云台的操控方式主要有以下两种。

方式一，由两名操作人员共同完成无人机和机载云台的操控。一名操作人员负责操纵无人机的飞行，另一名操作人员负责操纵机载云台的偏转。两名操作人员需要高度的配合，共同完成视频的拍摄。一旦配合不当，无人机云台可能会丢失拍摄目标。

方式二，由一名操作人员同时完成无人机和机载云台的操纵。通过将机载云台的控制按钮配置在无人机的操纵手柄上，使操作人员在操纵无人机飞行的同时，可以控制机载云台的偏转。由于操纵无人机的飞行已甚为繁重而紧张，所以同时控制无人机和机载云台会加重操作人员的工作负担。不仅如此，通过一个手柄同时操作无人机和机载云台，很容易出现误操作。

本发明通过操作人员的头部控制运动，控制云台的偏转。这样，操作人员手部的操作负担可以得到显著降低。此外，只需一名操作人员即可轻松完成无人机和云台的协调操作。由于操作人员利用其头部运动控制机载云台，其偏转方向与人体的直觉反应一致。因此，本发明操作容易，能够显著降低无人机操作人员的工作负担。

类似应用在武装直升机上已出现，即驾驶员利用头盔控制机炮转向。然而利用无人机地面操作人员的头部运动控制机载云台，尚属首次提出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用头部运动控制无人机机载云台的系统。

本发明的特征在于，含有：头戴式姿态传感器，地面站，数据电台，视频电台和可俯仰/偏航的无人机机载云台，其中，头戴式姿态传感器用于检测操作人员的头部运动，地面站根据头部运动计算得到云台偏转指令，并通过数据电台发送给机载云台，使机载云台及其搭载的摄像机向操作人员期望的方向偏转，摄像机通过视频电台将拍摄视频传回地面站并实时显示，操作人员根据地面站显示的视频实时修正机载云台的偏转速率和方向，使摄像机始终对准期望的目标，其中：操作人员头部的运动方向与机载云台的偏转方向一致。

本发明的优点在于，可显著降低操作人员的手部操作负担，由一名操作人员即可轻松完成无人机和云台的同时操作。由于操作人员利用其头部运动控制机载云台的偏转方向与人体的直觉反应一致，因此本发明操作容易，能显著降低无人机操作人员的工作负担，从而间接地提高无人机的飞行安全性和任务完成率。

附图说明

图1是操纵人员头部运动指示无人机云台伺服系统框图。

图中1.头戴式姿态传感器，2.操纵人员，3.地面站，4.数据电台发射机，5.数据电台接收机，6.机载云台，7.摄像机，8.视频电台发射机，9.视频电台接收机，10.无人机。

具体实施方式

操纵人员头部运动指示无人机云台伺服系统由头戴式姿态传感器(1)，地面站(3)，数据电台(4)、(5)，机载云台(6)，摄像机(7)，和视频电台(8)、(9)组成。地面站(3)根据头戴式姿态传感器(1)对操纵人员(2)的头部运动的检测结果，计算得到机载云台(6)的偏转方向和速率。根据机载云台(6)可以在地面站(3)的控制下，进行俯仰和偏航运动。摄像机(7)安装在机载云台(6)之上，并和机载云台(6)同步转动。通过视频电台(8)和(9)，摄像机(7)将拍摄到的视频实时传送给地面站(3)，并实时显示。

通过地面站(3)上显示的摄像机(7)实时图像，操作人员(2)通过调整头部姿态，给出机载云台(6)及摄像机(7)的期望偏转速率和方向。例如：如果操作人员希望看到摄像机(7)左侧的图像，则只需稍微向左转头，则机载云台(6)和摄像机(7)随之向左偏转，反之亦然；如果操作人员希望看到摄像机下侧的图像，则只需稍微向下低头，则伺服机载云台(6)及摄像机(7)随之向下偏转，反之亦然；本发明的操作方式与人体的直觉反应完全一致，操作人员不会有工作负担。

机载云台(6)和摄像机(7)的偏转速率与操纵人员(2)头部的姿态成正比，且该比例系数可由操作人员(2)设定。头部的倾斜或偏转越大，则机载云台(6)和摄像机(7)的偏转速率越大。

头戴式姿态传感器(1)用于检测操作人员(2)的头部运动，将检测到的头部方向角ψ和俯仰角θ发送给地面站(3)。地面站(3)根据操作人员(1)的头部方向角ψ和俯仰角θ，计算得到机载云台(6)的航向偏转指令δ_ψ和俯仰偏转指令δ_θ。为防止机载云台(6)出现灵敏度过高和运动过快之不良状况，在机载云台(6)偏转指令的计算中应加入死区和饱和，以改善其操纵品质。

机载云台(6)航向偏转速率指令的计算公式如下：

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&psi;}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&delta;}}_{{\mathrm{\&psi;}}_{\lim }}& \left({\mathrm{\&psi;}-\mathrm{\&psi;}}_0\right)>{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{\max }\\ k_{\mathrm{\&psi;}}\left({\mathrm{\&psi;}-\mathrm{\&psi;}}_0\right)& {\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{\min }<\left({\mathrm{\&psi;}-\mathrm{\&psi;}}_0\right)<{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{\max }\\ 0& -{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{\min }<\left({\mathrm{\&psi;}-\mathrm{\&psi;}}_0\right)<{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{\min }\\ k_{\mathrm{\&psi;}}\left({\mathrm{\&psi;}-\mathrm{\&psi;}}_0\right)& {-\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{\max }<\left({\mathrm{\&psi;}-\mathrm{\&psi;}}_0\right)<-{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{\min }\\ -{\mathrm{\&delta;}}_{{\mathrm{\&psi;}}_{\lim }}& \left({\mathrm{\&psi;}-\mathrm{\&psi;}}_0\right)<-{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{\max }\end{array}\right.$

其中，δ_ψ机载云台(6)的航向偏转速率指令；

机载云台(6)的最大限定航向偏转速率；

k_ψ头部方位角-机载云台(6)航向偏转指令比例系数；

ψ头戴式姿态传感器(1)检测到的头部当前方位角；

ψ₀头戴式姿态传感器(1)检测到的头部初始方位角；

Δψ_min机载云台(6)伺服系统工作的方位角最小误差(死区限定)；

Δψ_max机载云台(6)伺服系统工作的方位角最大误差(饱和限定)。

机载云台(6)俯仰偏转速率指令的计算公式如下：

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&theta;}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&delta;}}_{{\mathrm{\&theta;}}_{\lim }}& \left({\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}}_0\right)>{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\max }\\ k_{\mathrm{\&theta;}}\left({\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}}_0\right)& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\min }<\left({\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}}_0\right)<{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\max }\\ 0& -{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\min }<\left({\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}}_0\right)<{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\min }\\ k_{\mathrm{\&theta;}}\left({\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}}_0\right)& {-\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\max }<\left({\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}}_0\right)<-{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\min }\\ {-\mathrm{\&delta;}}_{{\mathrm{\&theta;}}_{\lim }}& \left({\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}}_0\right)<-{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\max }\end{array}\right.$

其中，δ_θ机载云台(6)的俯仰偏转速率指令；

机载云台(6)的最大限定俯仰偏转速率；

k_θ头部俯仰角-机载云台(6)俯仰偏转指令比例系数；

θ头戴式姿态传感器(1)检测到的头部当前俯仰角；

θ₀头戴式姿态传感器(1)检测到的头部初始俯仰角；

Δθ_min机载云台(6)跟踪系统工作的俯仰角最小误差(死区限定)；

Δθ_max机载云台(6)跟踪系统工作的俯仰角最大误差(饱和限定)。

通过数据电台(4)、(5)，地面站(3)将计算得到的航向偏转指令δ_ψ和俯仰偏转指令δ_θ发送给机载云台(7)。机载云台(6)及摄像机(7)以δ_ψ和δ_θ的偏转速率进行偏转。操纵人员(2)通过地面站(3)实时观察摄像机(7)拍摄的视频。当机载云台(6)及摄像机(7)到达操纵人员(2)期望的偏转角度时，操纵人员(2)将其头部姿态恢复到初始姿态，机载云台(6)和摄像机(7)随之停止偏转，从而实现了无人机(10)机载云台(6)对操作人员(2)头部运动的伺服偏转。

Claims (1)

1.操纵人员头部运动指示无人机云台伺服系统属于无人机控制领域，其特征在于，含有：头戴式姿态传感器，地面站，数据电台，视频电台和可俯仰/偏航的无人机机载云台，其中，头戴式姿态传感器用于检测操作人员的头部运动，地面站根据头部运动计算得到云台偏转指令，并通过数据电台发送给机载云台，使机载云台及其搭载的摄像机向操作人员期望的方向偏转，摄像机通过视频电台将拍摄视频传回地面站并实时显示，操作人员根据地面站显示的视频实时修正机载云台的偏转速率和方向，使摄像机始终对准期望的目标，其中：操作人员头部的运动方向与机载云台的偏转方向一致。

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