CN102915397A - 无人飞行载具模拟飞行系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种无人飞行载具模拟飞行系统及方法,该方法包括如下步骤:获取手持装置的加速度传感器侦测到的手持装置的移动数据;将手持装置的移动数据转换为三维虚拟无人飞行载具的控制信号;根据预先设置的环境参数,利用该手持装置中安装的物理引擎对该控制信号进行调整;根据调整后的控制信号,利用该物理引擎模拟三维虚拟无人飞行载具在三维虚拟场景中的飞行动作,并将该模拟动作显示在手持装置的显示设备上。利用本发明可以在手持装置的显示设备上模拟无人飞行载具的飞行动作。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人飞行载具控制系统及方法,尤其涉及一种无人飞行载具模拟飞行系统及方法。
背景技术
目前,无人飞行载具(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)被用来进行安全监控工作。但是,传统的无人飞行载具在初期研发时,需要通过无人飞行载具专属的遥控器,对无人飞行载具的原型机进行飞行动作测试。如果使用者操作不当,容易造成无人飞行载具原型机的损坏或坠毁,缩短无人飞行载具原型机的使用寿命。
另外,传统遥控器的体积庞大不便携带,使用传统遥控器的控制杆进行无人飞行载具的多轴操作对初学者而言较为复杂,初学者难以在短时间内上手。
发明内容
鉴于以上内容,有必要提供一种无人飞行载具模拟飞行系统,其可通过手持装置内建的加速度传感器实时侦测手持装置的移动方向和移动量,并根据手持装置的移动方向和移动量,在该手持装置的三维虚拟场景中模拟无人飞行载具的飞行动作。
鉴于以上内容,还有必要提供一种无人飞行载具模拟飞行系统,其可通过手持装置内建的加速度传感器实时侦测手持装置的移动方向和移动量,并根据手持装置的移动方向和移动量,在该手持装置的三维虚拟场景中模拟无人飞行载具的飞行动作。
一种无人飞行载具模拟飞行系统,该系统包括:
移动数据获取模块,用于获取手持装置的加速度传感器侦测到的手持装置的移动数据,该手持装置的存储器中存储有预先绘制的三维虚拟场景及三维虚拟无人飞行载具;
移动数据转换模块,用于将手持装置的移动数据转换为该三维虚拟无人飞行载具的控制信号;
信号调整模块,用于根据预先设置的环境参数,利用该手持装置中安装的物理引擎对该控制信号进行调整;及
飞行控制模块,用于根据调整后的控制信号,利用该物理引擎模拟该三维虚拟无人飞行载具在该三维虚拟场景中的飞行动作,并将该模拟动作显示在手持装置的显示设备上。
一种无人飞行载具模拟飞行方法,该方法包括如下步骤:
移动数据获取步骤,获取手持装置的加速度传感器侦测到的手持装置的移动数据,该手持装置的存储器中存储有预先绘制的三维虚拟场景及三维虚拟无人飞行载具;
移动数据转换步骤,将手持装置的移动数据转换为该三维虚拟无人飞行载具的控制信号;
信号调整步骤,根据预先设置的环境参数,利用该手持装置中安装的物理引擎对该控制信号进行调整;及
飞行控制步骤,根据调整后的控制信号,利用该物理引擎模拟该三维虚拟无人飞行载具在该三维虚拟场景中的飞行动作,并将该模拟动作显示在手持装置的显示设备上。
前述方法可以由手持装置执行,其中该手持装置具有附带了图形用户界面(GUI)的触控式屏幕、一个或多个处理器、存储器以及保存在存储器中用于执行这些方法的一个或多个模块、程序或指令集。在某些实施例中,该手持装置提供了包括无线通信在内的多种功能。
用于执行前述方法的指令可以包含在被配置成由一个或多个处理器执行的计算机程序产品中。
相较于现有技术,所述的无人飞行载具模拟飞行系统及方法,其可通过手持装置内建的加速度传感器实时侦测手持装置的移动方向和移动量,并根据手持装置的移动方向和移动量,在该手持装置的三维虚拟场景中模拟无人飞行载具的飞行动作,从而避免了无人飞行载具原型机损坏或者坠毁等意外情况的发生。
附图说明
图1是本发明无人飞行载具模拟飞行系统的应用环境图。
图2是本发明无人飞行载具模拟飞行系统的功能模块图。
图3是本发明无人飞行载具模拟飞行方法的较佳实施例的流程图。
图4是本发明内建加速度传感器的手持装置的三轴坐标系示意图。
图5是手持装置移动时,加速度传感器侦测移动数据的示意图。
图6是将手持装置的移动数据转换为不同控制信号的转换表示意图。
图7A是第一控制信号对应的手持装置移动示意图。
图7B是根据调整后的第一控制信号模拟3D虚拟无人飞行载具在3D虚拟场景中飞行的示意图。
图8A是第二控制信号对应的手持装置移动示意图。
图8B是根据调整后的第二控制信号模拟3D虚拟无人飞行载具在3D虚拟场景中飞行的示意图。
图9A是第三控制信号对应的手持装置移动示意图。
图9B是根据调整后的第三控制信号模拟3D虚拟无人飞行载具在3D虚拟场景中飞行的示意图。
图10A是第四控制信号对应的手持装置移动示意图。
图10B是根据调整后的第四控制信号模拟3D虚拟无人飞行载具在3D虚拟场景中飞行的示意图。
主要元件符号说明
手持装置 | 2 |
显示设备 | 20 |
物理引擎 | 21 |
加速度传感器 | 22 |
存储器 | 23 |
UAV模拟飞行系统 | 24 |
处理器 | 25 |
转换表 | 30 |
3D虚拟场景 | 40 |
3D虚拟无人飞行载具 | 41 |
移动数据获取模块 | 201 |
移动数据转换模块 | 202 |
信号调整模块 | 203 |
飞行控制模块 | 204 |
具体实施方式
本发明涉及到无人飞行载具操纵系统和物理引擎的概念,所以先解释一下无人飞行载具操纵系统的组成和物理引擎的作用。
无人飞行载具操纵系统包括,但不限于以下三部分:
1.总距操纵杆(Collective Pitch Control)
简称总距杆,用来控制旋翼桨叶总距变化。上推总距杆时,使自动倾斜器整体上升而增大旋翼桨叶总距(即所有桨叶的桨距同时增大相同角度)使旋翼拉力增大,反之拉力减小,由此来控制直升机(无人飞行载具)的升降运动。
2.周期变距操纵杆(Cyclic Control):横向/纵向
简称驾驶杆,与自动倾斜器相连接。沿横向和纵向操纵周期变距操纵杆时,自动倾斜器会出现相应方向的倾斜,从而导致旋翼拉力方向也发生相应方向的倾斜,由此得到需要的推进力以及横向和纵向操纵力,进而改变直升机(无人飞行载具)的运动状态和自身姿态。
3.反扭力操纵杆(Anti-torque Pedals)
属于航向控制工具。对于单旋翼带尾桨直升机(无人飞行载具)而言,反扭力操纵杆与尾桨的桨距控制装置相连,通过控制尾桨桨距的大小来调节尾桨产生的侧向力,达到控制航向的目的。对于单旋翼无尾桨直升机(无人飞行载具)而言,反扭力操纵杆则是通过反扭力操纵杆控制机身尾部出气量的大小来调节侧向力。对于双旋翼直升机(无人飞行载具)而言,反扭力操纵杆控制的则是两旋翼总桨距的差动,即一个增大一个减小,使得两旋翼反扭矩不能平衡,从而使机身发生航向偏转。
物理引擎为一种可通过计算机程序来模拟牛顿力学模型,通过质量、速度、摩擦力和风力等环境参数,可以使物体的运动遵循固定的规律,有如现实世界存在的地心引力、重力等物理现象,以作为系统软件调整3D(Three Dimensional,三维)物件在各种不同情况下所应呈现效果的依据。例如,当游戏角色跳起的时候,系统内定的重力值将决定他能跳得多高,以及他下落的速度有多快。另外,子弹的飞行轨迹、或车辆的颠簸方式都可由物理引擎所控制。
物理引擎可以用于计算3D虚拟场景中,物体与场景之间,物体与角色之间、物体与物体之间等运动交互和动力学的特性。在物理引擎的支持下,3D虚拟场景内的物体可具有质量、承受到重力、落在地面上或与其它物体发生碰撞,甚至可以反应用户施加的推力、因压力而变形。物理引擎使用对象属性(如动量、扭矩或者弹性)来模拟刚体行为,不仅可以得到真实的结果,对于开发人员来说也比编写行为脚本要更加容易掌握。
如图1所示,是本发明无人飞行载具模拟飞行系统的应用环境图。在本实施例中,所述无人飞行载具(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)模拟飞行系统24运行于手持装置2中。该手持装置2还包括通过数据总线相连的显示设备20、物理引擎21、加速度传感器(Accelerator Sensor)22、存储器23和处理器25。所述手持装置2可以为手机或PDA(Personal Digital Assistant,个人数字助理)等具有资料处理功能的电子设备。
所述UAV模拟飞行系统24用于通过手持装置2内建的加速度传感器22实时侦测手持装置2的移动方向和移动量,并根据手持装置2的移动方向和移动量,在该手持装置2的三维虚拟场景中模拟无人飞行载具的飞行动作,具体过程以下描述。
所述存储器23用于存储所述UAV模拟飞行系统24的程序代码、3D虚拟场景及3D虚拟无人飞行载具等资料。所述显示设备20用于显示3D虚拟场景和3D虚拟无人飞行载具等资料。
在本实施例中,所述加速度传感器22包括,但不限于,双轴加速度传感器(Two-Axis Accelerator)、三轴加速度传感器(Three-AxisAccelerator)、双轴陀螺仪(Two-Axis Gyro)、三轴陀螺仪(Three-AxisGyro)等。
在本实施例中,所述UAV模拟飞行系统24可以被分割成一个或多个模块,所述一个或多个模块被存储在所述存储器23中并被配置成由一个或多个处理器(本实施例为一个处理器25)执行,以完成本发明。例如,参阅图2所示,所述UAV模拟飞行系统24被分割成移动数据获取模块201、移动数据转换模块202、信号调整模块203和飞行控制模块204。本发明所称的模块是完成一特定功能的程序段,比程序更适合于描述软件在手持装置2中的执行过程,关于各模块的功能将在图3的流程图中具体描述。
如图3所示,是利用无人飞行载具模拟飞行方法的较佳实施例的流程图。
在步骤S1之前,用户首先需要利用3D绘图软件(如GoogleSketchUp、Maya等),绘制3D虚拟场景40和3D虚拟无人飞行载具41(参阅图7B所示),并将绘制的3D虚拟场景40和3D虚拟无人飞行载具41设置于物理引擎21中。然后,根据现实环境可能存在的相关物理现象(如地心引力、风力等),通过物理引擎21设置该3D虚拟场景40的环境参数(质量、速度、摩擦力和风力等),将该3D虚拟场景40、3D虚拟无人飞行载具41和设置的环境参数保存于存储器23中。
步骤S1,使用者开启手持装置2的UAV模拟飞行系统24,然后移动手持装置2。
步骤S2,移动数据获取模块201获取加速度传感器22侦测到的手持装置2的移动数据。在本实施例中,所述移动数据包括:手持装置2在三轴(X-Y-Z)坐标系中的移动方向和移动量。其中,手持装置2的三轴坐标系示意图参见图4所示。
参阅图4所示,在本实施例中,以手持装置2的显示设备20所在平面为X-Y平面,其中横向为X轴,竖向为Y轴,垂直于显示设备20所在平面的方向为Z轴。参阅图5所示,当UAV模拟飞行系统24被启动后,如果手持装置2发生移动,加速度传感器22将实时侦测手持装置2在X轴、Y轴和Z轴的移动方向和移动量。
步骤S3,移动数据转换模块202将手持装置2的移动数据转换为3D虚拟无人飞行载具41的控制信号。举例而言,如果手持装置2向左移动1cm,则控制信号为控制该3D虚拟无人飞行载具41在该3D虚拟场景40中向左侧向移动6cm。在本实施例中,所述控制信号包括:控制周期变距操纵杆横向移动的第一控制信号、控制周期变距操纵杆纵向移动的第二控制信号、控制总距操纵杆移动的第三控制信号、控制反扭力操纵杆移动的第四控制信号。
在本实施例中,以单旋翼带尾桨直升机为例进行说明。参阅图6所示,是将手持装置2的移动数据转换为不同控制信号的转换表30示意图。具体而言,如果手持装置2在原位置横向左右移动(参阅图7A所示),则转换为第一控制信号;如果手持装置2在原位置沿着Y轴上下移动(参阅图8A所示),则转换为第二控制信号;如果手持装置2离开原位置横向上下移动(参阅图9A所示),则转换为第三控制信号;如果手持装置2在原位置沿着X轴上下移动(参阅图10A所示),则转换为第四控制信号。
步骤S4,信号调整模块203根据预先设置的环境参数,利用物理引擎21对该控制信号进行调整。举例而言,假设控制信号为向左以10m/s的速度移动3D虚拟无人飞行载具41,环境参数中的风力速度为向右5m/s,则物理引擎21将自动对该控制信号进行调整,调整后的控制信号为向左以5m/s的速度移动3D虚拟无人飞行载具41。
步骤S5,飞行控制模块204根据调整后的控制信号,利用物理引擎21模拟3D虚拟无人飞行载具41在3D虚拟场景40中的飞行动作,即调整3D虚拟无人飞行载具41在3D虚拟场景40中位置关系,并将该模拟动作显示在显示设备20上。
参阅图7B所示,是物理引擎21根据调整后的第一控制信号模拟3D虚拟无人飞行载具41在3D虚拟场景40中飞行的示意图。参阅图8B所示,是物理引擎21根据调整后的第二控制信号模拟3D虚拟无人飞行载具41在3D虚拟场景40中飞行的示意图。参阅图9B所示,是物理引擎21根据调整后的第三控制信号模拟3D虚拟无人飞行载具41在3D虚拟场景40中飞行的示意图。参阅图10B所示,是物理引擎21根据调整后的第四控制信号模拟3D虚拟无人飞行载具41在3D虚拟场景40中飞行的示意图。
最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种无人飞行载具模拟飞行系统,其特征在于,该系统包括:
移动数据获取模块,用于获取手持装置的加速度传感器侦测到的手持装置的移动数据,该手持装置的存储器中存储有预先绘制的三维虚拟场景及三维虚拟无人飞行载具;
移动数据转换模块,用于将手持装置的移动数据转换为该三维虚拟无人飞行载具的控制信号;
信号调整模块,用于根据预先设置的环境参数,利用该手持装置中安装的物理引擎对该控制信号进行调整;及
飞行控制模块,用于根据调整后的控制信号,利用该物理引擎模拟该三维虚拟无人飞行载具在该三维虚拟场景中的飞行动作,并将该模拟动作显示在手持装置的显示设备上。
2.如权利要求1所述的无人飞行载具模拟飞行系统,其特征在于,所述移动数据包括:手持装置在X轴、Y轴和Z轴的移动方向和移动量。
3.如权利要求1所述的无人飞行载具模拟飞行系统,其特征在于,所述控制信号包括:控制该三维虚拟无人飞行载具的周期变距操纵杆横向移动的第一控制信号、控制该三维虚拟无人飞行载具的周期变距操纵杆纵向移动的第二控制信号、控制该三维虚拟无人飞行载具的总距操纵杆移动的第三控制信号、控制该三维虚拟无人飞行载具的反扭力操纵杆移动的第四控制信号。
4.如权利要求3所述的无人飞行载具模拟飞行系统,其特征在于,所述移动数据转换模块将手持装置的移动数据转换为该三维虚拟无人飞行载具的控制信号包括:
如果手持装置在原位置横向左右移动,则转换为第一控制信号;
如果手持装置在原位置沿着Y轴上下移动,则转换为第二控制信号;
如果手持装置离开原位置横向上下移动,则转换为第三控制信号;及
如果手持装置在原位置沿着X轴上下移动,则转换为第四控制信号。
5.如权利要求1所述的无人飞行载具模拟飞行系统,其特征在于,所述加速度传感器包括:双轴加速度传感器、三轴加速度传感器、双轴陀螺仪和三轴陀螺仪。
6.一种无人飞行载具模拟飞行方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
移动数据获取步骤,获取手持装置的加速度传感器侦测到的手持装置的移动数据,该手持装置的存储器中存储有预先绘制的三维虚拟场景及三维虚拟无人飞行载具;
移动数据转换步骤,将手持装置的移动数据转换为该三维虚拟无人飞行载具的控制信号;
信号调整步骤,根据预先设置的环境参数,利用该手持装置中安装的物理引擎对该控制信号进行调整;及
飞行控制步骤,根据调整后的控制信号,利用该物理引擎模拟该三维虚拟无人飞行载具在该三维虚拟场景中的飞行动作,并将该模拟动作显示在手持装置的显示设备上。
7.如权利要求6所述的无人飞行载具模拟飞行方法,其特征在于,所述移动数据包括:手持装置在X轴、Y轴和Z轴的移动方向和移动量。
8.如权利要求6所述的无人飞行载具模拟飞行方法,其特征在于,所述控制信号包括:控制该三维虚拟无人飞行载具的周期变距操纵杆横向移动的第一控制信号、控制该三维虚拟无人飞行载具的周期变距操纵杆纵向移动的第二控制信号、控制该三维虚拟无人飞行载具的总距操纵杆移动的第三控制信号、控制该三维虚拟无人飞行载具的反扭力操纵杆移动的第四控制信号。
9.如权利要求8所述的无人飞行载具模拟飞行方法,其特征在于,所述移动数据转换步骤包括:
如果手持装置在原位置横向左右移动,则转换为第一控制信号;
如果手持装置在原位置沿着Y轴上下移动,则转换为第二控制信号;
如果手持装置离开原位置横向上下移动,则转换为第三控制信号;及
如果手持装置在原位置沿着X轴上下移动,则转换为第四控制信号。
10.如权利要求6所述的无人飞行载具模拟飞行方法,其特征在于,所述加速度传感器包括:双轴加速度传感器、三轴加速度传感器、双轴陀螺仪和三轴陀螺仪。
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