CN105676862A - 一种飞行装置控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种飞行装置控制系统，包括第一指令输入系和第二指令输入系；第一指令输入系包括摄像子系和图像处理子系，所述摄像子系安装于飞行装置主体上，用于获取图像和/或影像信息；图像处理子系用于对所述图像和/或影像信息进行处理，以获得图像和/或影像中一个或多个主体的位置信息；图像处理子系与指令处理单元相连接，用于将所述位置信息作为指令输送给指令处理单元。本发明的飞行装置控制系统及控制方法，使两种控制方式相结合，简化了飞行装置的控制技术，增加了系统拍摄的稳定性。同时也避免了现有全自动跟随控制方式单调乏味的玩法，为航拍增加了更多趣味，还可满足诸如操控者自拍等特殊功能。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，涉及一种飞行装置的控制系统，以及一种控制方法。
背景技术
无人机、飞艇等飞行装置随着技术的成熟已逐步渗透到日常生活中。而且，飞行装置借助其独特的视角优势，与摄影摄像技术相结合形成的航拍市场更是备受关注和追捧。
然而，三维飞行装置控制的复杂性为该技术的普及增加了技术门槛。以传统纯手动遥控方式控制的飞行器为例，完成飞行器的全部自由度控制至少需要遥控装置具备上升/下降，左旋/右旋，前进/后退，左移/右移等多组自由度控制能力。对操作者而言，需要根据飞行经验以及飞行装置的实时姿态或处境对多个自由度的控制键(摇杆)进行准确控制甚至多控制键联动控制，操作难度大。如果增加摄影摄像控制功能，则需另外增加控制键，甚至需要增加云台手进行配合控制。
为了简化传统三维飞行装置的控制难度，部分厂商推出了全自动飞行控制模式的飞行装置，此类飞行装置通常通过GPS等坐标定位系统或视觉跟随系统对目标对象进行跟踪拍摄，飞行控制指令有软件根据目标物运动状态及位置计算得出。
以下是上述两种常见控制方式的不足：
(1)纯手动操作的不足
如图1、图2及图3所示为普通遥控器结构示意图，包括主体1和天线2，要顺利的操作无人机完成航拍，则需要在控制上要同时操作第一四方向摇杆3的四个方向操作键①②③④、第二四方向摇杆4的四个方向操作键⑤⑥⑦⑧，以及操作键5和操作键6共计十个按钮，包括操作无人机和云台相机两大部分。尤其是在拍摄运动物体的时候(比如骑车、滑雪等运动)，对单人操作来说基本上是不可能完成的任务。
所以现在比较通用的做法是，当需要拍摄运动物体的时候，需要飞控手和云台手两个人配合操作。飞控手控制飞行方向和飞行姿态，云台手控制云台和摄像机的拍摄方向，两个人同时操作才能跟随上运动中的被拍摄物体，并保证一直能正常拍摄到被拍摄物。而根据我国现有的规定，专业的飞控手和云台手都需要资质认证，相应的无人机视频拍摄也就需要专业人士的操作，价格昂贵且不容易被大众使用，适用范围较窄。
同样的道理，手动控制玩家也不可能完成边玩边拍的自拍操作。
所以纯手动操作的缺点就是：操作复杂，需要两个专业人员操作，而且无法自拍。
(2)全自动跟随的不足
全自动跟随把操作者的双手完全解放出来，可以简单实现跟随，自拍也非常容易，是现在新一代无人机的发展趋势。但是全自动跟随也有它的不足，比如：
跟随模式单一。无论厂商预设了多少种跟随模式，但是预设总是预设，无法适应用户真正使用中的各种复杂环境，很多跟随模式在复杂环境中并不适用。当前技术还做不到真正用户化定制飞行，用户的创作力和想象力是永远不可能被预设的。
跟随智能不足。现在的无人机飞行的智能化还是不够高，比如野外环境的自动避障到现在都还没解决。无人机的智能无法适应各种变化环境。
模式切换复杂。当厂家预设了很多种跟随模式的时候，各种模式之间的切换就成为了一个问题，因为各种跟随模式都有一些预设参数，比如跟随高度、跟随距离、跟随半径等，对每一个模式设定各种参数，其实对用户是比较麻烦的事情。复杂的操作也违背了自动跟随设计的初衷。
从上面的叙述可以看出，全自动跟随技术只是满足了无人机玩家的自拍需求。但是仍有很多不足，最主要问题就是：全自动跟随无法完全满足用户在拍摄中的各种灵活的创作需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中飞行装置特别是具备航拍功能的飞行装置的两种常用控制方式的不足，提出了一种飞行装置控制系统以及基于该系统的飞行装置控制方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种飞行装置控制系统，包括指令处理单元，用于将控制指令转换为控制飞行装置动力单元运动的驱动信号，其特征在于，所述指令处理单元包括第一指令输入系和第二指令输入系；
第一指令输入系包括摄像子系和图像处理子系，所述摄像子系安装于飞行装置主体上，用于获取图像和/或影像信息；图像处理子系用于对所述图像和/或影像信息进行处理，以获得图像和/或影像中一个或多个主体的位置信息；图像处理子系与指令处理单元相连接，用于将所述位置信息作为指令输送给指令处理单元；
第二指令输入系包括无线通信模块和指令生成模块，所述指令生成模块用于生成飞行装置控制指令中的一个或多个指令，第二指令输入系的指令生成模块和指令处理模块相连接，用于将指令生成模块发出的控制指令传输至指令处理模块。
优选方案，所述位置信息包括被识别对象相对于飞行装置的方位角信息，所述方位角信息包括被识别对象与飞行装置连线相对于某一水平线的俯仰角度和/或水平角度。
优选方案，所述位置信息还包括被识别对象处于摄像子系获取图像和/或影像的画幅中的二维坐标信息和/或尺寸信息。
优选方案，所述第二指令输入系输入指令由用于控制飞行装置在三维空间内的前进/后退指令，左移/右移指令，以及上升/下降的三组指令组成。
优选方案，所述第二指令输入系包括二维摇杆控制键，所述二维摇杆控制键用于生成所述三组指令中的两组指令。
优选方案，所述第一指令输入系的输入指令由用于控制安装摄像子系的云台竖直旋转和/或水平旋转的指令组成。
优选方案，所述第一指令输入系的输入指令包括被识别对象位置主动变化时的跟随指令，以确保飞行装置在被识别对象位置变化时能保持相对位置不变。
一种飞行装置的控制方法，其特征在于，
S1、使用第二指令输入系输入飞行装置控制指令，用于调整飞行装置与被拍摄主体的相对位置关系并锁定；
S2、第一指令输入系根据被拍摄对象位置变化信息生成飞行装置控制指令，所述控制指令用于控制飞行装置保持步骤S1锁定的相对位置不变。
优选方案，第二指令输入系输入控制指令时飞行装置与被拍摄主体被步骤S1锁定的相对位置自动解除锁定，并重新记录新的相对位置关系，然后再次锁定。
优选方案，执行所述锁定操作以时间为依据，设定特定时间阈值t0，距离第二指令输入系发出最后一次操作指令的时长为t，当t大于或等于t0时，执行所述锁定操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果
本发明的飞行装置控制系统及控制方法，通过将复杂的飞行装置控制指令合理分配到第一指令输入系和第二指令输入系，并设置第二指令输入系用于手动输入部分飞行装置运动指令，将复杂的手动控制系统简化为可单手操作仅包含三组控制指令输入键，而第一指令输入系用于根据被拍摄/被跟踪对象的变化实时生成跟踪指令。两种控制方式相结合，简化了飞行装置的控制技术，增加了系统拍摄的稳定性。同时也避免了现有全自动跟随控制方式单调乏味的玩法，为航拍增加了更多趣味，还可满足诸如操控者自拍等特殊功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1、图2及图3所示为现有飞行装置的遥控装置的不同视角结构示意图；
图4所示为本发明优选实施例的飞行装置控制系统系统构成图示；
图5所示为本发明优选实施例的飞行装置控制系统中第一指令输入系系统构成图示；
图6所示为本发明优选实施例的飞行装置控制系统中第二指令输入系系统构成图示；
图7所示为本发明优选实施例的控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，本发明的一种飞行装置控制系统，包括指令处理单元，用于将控制指令转换为控制飞行装置动力单元运动的驱动信号，所述指令处理单元包括第一指令输入系和第二指令输入系；所述驱动信号可以是用于直接驱动舵机、油门控制器或引擎运动的动力信号，也可以是未经放大处理的信号。
如图5所示，第一指令输入系包括摄像子系和图像处理子系，所述摄像子系安装于飞行装置主体上，用于获取图像和/或影像信息；图像处理子系用于对所述图像和/或影像信息进行处理，以获得图像和/或影像中一个或多个主体的位置信息；图像处理子系与指令处理单元相连接，用于将所述位置信息作为指令输送给指令处理单元。根据图像处理技术，通过对摄像机获取的图像信息进行对象剥离和分析，可以容易的得到对象特征信息，根据特征信息可以实现对象的跟踪，以及通过对特征信息变化的分析，获得对象的运动方式及状态等信息。
如图6所示，第二指令输入系包括无线通信模块和指令生成模块，所述指令生成模块用于生成飞行装置控制指令中的一个或多个指令，无线通信模块的指令生成模块和指令处理模块相连接，用于将指令生成模块发出的控制指令传输至指令处理模块。具体生成的指令类型和数量的确定可根据操作者的习惯或大众习惯进行确定，具体指令类型可以是预定设置好不可更改，也可以设置为自定义模式，由用户根据使用习惯自由设定。
优选实施例方案，所述位置信息包括被识别对象相对于飞行装置的方位角信息，所述方位角信息包括被识别对象与飞行装置连线相对于某一水平线的俯仰角度和/或水平角度。获取该信息的目的在于为生成飞行装置控制指令提供参考。所述的作为基准的某一水平线可以通过内置的陀螺仪提供信号生成，也可以采用其他方式。当然，也可以采用二者上一时刻的相对位置作为参考。
优选实施例方案，所述位置信息还包括被识别对象处于摄像子系获取图像和/或影像的画幅中的二维坐标信息和/或尺寸信息。采集此类信息的目的包括为获取更高品质的图像或影像提供调整依据(比如调整对象位于画幅的坐标以获得更高品质的图像或影像)，尺寸信息则可以用于控制飞行装置与被拍摄对象的相对距离。
优选实施例方案，所述第二指令输入系输入指令由用于控制飞行装置在三维空间内的前进/后退指令，左移/右移指令，以及上升/下降的三组指令组成。选择这三组指令是因为这是实现飞行装置相对位置的任意定制所必需的，即缺失某一指令就无法实现拍摄图像或影像效果的任意定制。且，相对于更多的指令操作，三组指令更有利于单手操作，实现自拍等问题提供技术支持。
优选实施例方案，所述第二指令输入系包括二维摇杆控制键，所述二维摇杆控制键用于生成所述三组指令中的两组指令。采用摇杆控制键可以实现四个指令拇指单指操作。摇杆控制键包括前后左右的按键的同时还可包括左前/左后/右前/右后四个组合键，组合键可实现两键组合联动控制。
优选实施例方案，所述第一指令输入系的输入指令由用于控制安装摄像子系的云台竖直旋转和/或水平旋转的指令组成。此指令用于控制云台运转，可以确保被拍摄对象位于画幅正中间或者其他特定位置。
优选实施例方案，所述第一指令输入系的输入指令包括被识别对象位置主动变化时的跟随指令，以确保飞行装置在被识别对象位置变化时能保持相对位置不变。
优选实施例方案，所述云台采用360度自动跟踪云台，所述第一指令输入系的输入指令不包括用于控制云台的指令。云台对对象的跟踪由云台控制单元自动完成，不包含在飞行控制指令内。
如图7所示，一种飞行装置的控制方法：
S1、使用第二指令输入系输入飞行装置控制指令，用于调整飞行装置与被拍摄主体的相对位置关系并锁定；所述锁定操作可通过存储器存储相对位置信息，并将所述位置信息用作第一指令输入系的参考而实现。特别的，所述存储器可存储多组预设模式，用于实现对多种模式的快速选择，以获得全自动跟随控制方式同样的优势效果。
S2、第一指令输入系根据被拍摄对象位置变化信息生成飞行装置控制指令，所述控制指令用于控制飞行装置保持步骤S1锁定的相对位置不变。
优选方案，第二指令输入系输入控制指令时飞行装置与被拍摄主体被步骤S1锁定的相对位置自动解除锁定，并重新记录新的相对位置关系，然后再次锁定。即，使手动操作具备实施操作性和最高优先级，以确保对飞行装置自主控制能力。
优选方案，执行所述锁定操作以时间为依据，设定特定时间阈值t0，距离第二指令输入系发出最后一次操作指令的时长为t，当t大于或等于t0时，执行所述锁定操作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种飞行装置控制系统，包括指令处理单元，用于将控制指令转换为控制飞行装置动力单元运动的驱动信号，其特征在于，所述指令处理单元包括第一指令输入系和第二指令输入系；
第一指令输入系包括摄像子系和图像处理子系，所述摄像子系安装于飞行装置主体上，用于获取图像和/或影像信息；图像处理子系用于对所述图像和/或影像信息进行处理，以获得图像和/或影像中一个或多个主体的位置信息；图像处理子系与指令处理单元相连接，用于将所述位置信息作为指令输送给指令处理单元；
第二指令输入系包括无线通信模块和指令生成模块，所述指令生成模块用于生成飞行装置控制指令中的一个或多个指令，第二指令输入系的指令生成模块和指令处理模块相连接，用于将指令生成模块发出的控制指令传输至指令处理模块。
2.根据权利要求1所述的一种飞行装置控制系统，其特征在于，所述位置信息包括被识别对象相对于飞行装置的方位角信息，所述方位角信息包括被识别对象与飞行装置连线相对于某一水平线的俯仰角度和/或水平角度。
3.根据权利要求1或2所述的一种飞行装置控制系统，其特征在于，所述位置信息还包括被识别对象处于摄像子系获取图像和/或影像的画幅中的二维坐标信息和/或尺寸信息。
4.根据权利要求1或2所述的一种飞行装置控制系统，其特征在于，所述第二指令输入系输入指令由用于控制飞行装置在三维空间内的前进/后退指令，左移/右移指令，以及上升/下降的三组指令组成。
5.根据权利要求1-4之任一项权利要求所述的一种飞行装置控制系统，其特征在于，所述第二指令输入系包括二维摇杆控制键，所述二维摇杆控制键用于生成所述三组指令中的两组指令。
6.根据权利要求5所述的一种飞行装置控制系统，其特征在于，所述第一指令输入系的输入指令由用于控制安装摄像子系的云台竖直旋转和/或水平旋转的指令组成。
7.根据权利要求1-6之任一项权利要求所述的一种飞行装置控制系统，其特征在于，所述第一指令输入系的输入指令包括被识别对象位置主动变化时的跟随指令，以确保飞行装置在被识别对象位置变化时能保持相对位置不变。
8.一种飞行装置的控制方法，其特征在于，
S1、使用第二指令输入系输入飞行装置控制指令，用于调整飞行装置与被拍摄主体的相对位置关系并锁定；
S2、第一指令输入系根据被拍摄对象位置变化信息生成飞行装置控制指令，所述控制指令用于控制飞行装置保持步骤S1锁定的相对位置不变。
9.根据权利要求8所述的一种飞行装置的控制方法，其特征在于，第二指令输入系输入控制指令时飞行装置与被拍摄主体被步骤S1锁定的相对位置自动解除锁定，并重新记录新的相对位置关系，然后再次锁定。
10.根据权利要求8或9所述的一种飞行装置控制系统，其特征在于，执行所述锁定操作以时间为依据，设定特定时间阈值t0，距离第二指令输入系发出最后一次操作指令的时长为t，当t大于或等于t0时，执行所述锁定操作。
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