CN106292716A - 一种攀岩用跟踪系统及跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种攀岩用跟踪系统及跟踪方法，涉及跟踪领域。攀岩用跟踪系统包括：目标位置获取单元用于获取目标端在跟踪图像中的位置；距离确定单元用于确定无人机相对于目标端的当前相对距离；角度确定单元用于确定无人机相对于目标端的第一当前相对角度；和设置在无人机处的控制器用于根据目标端在跟踪图像中的位置来调节图像获取装置相对于无人机的第二当前相对角度，根据当前相对距离和第一当前相对角度来调节无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态，以使得所述无人机相对于所述目标端基本保持为预设相对距离和预设相对角度。本发明由于加入了速度，使得无人机响应目标端移动更加及时，减少了滞后时间，实现了精确跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及无人机跟踪控制领域，特别是涉及一种攀岩用跟踪系统及跟踪方法。
背景技术
攀岩运动富有很强的技巧性和冒险性，是极限运动中的一个重要项目，在世界上十分流行。越来越多的户外运动爱好者都愿意在极限运动中携带无人机进行拍摄，将无人机和户外运动相结合，不仅能够为诸多户外企业和组织提供良好的宣传平台和途径，还能带来带来视觉上的冲击和精神上的享受。
利用无人机对攀岩运动中的移动目标进行跟踪的跟踪技术几乎是空白的。而用已有的无人机携带拍摄装置对移动目标进行跟踪拍摄时，无法保证目标始终处于拍摄画面的理想位置处。主要原因是当目标处于运动状态时，尤其是目标出现速度的突然变化，则无人机会产生更大幅度的速度变化来确保按照预定跟踪速度和角度进行跟踪。
现有技术中，无人机基本上采用计算机视觉来实现跟踪，通过采集跟踪目标的图像并对图像进行处理来确定无人机的跟踪角度和跟踪距离。在采用上述方式进行跟踪时，由于图像处理需要大量的计算，在一定程度上存在时间滞后问题，而且在计算距离信息时图像处理不够精确。此外，在采用计算机视觉方式来跟踪目标时，一旦出现跟踪目标不在摄像头的拍摄范围内或者被其他物体遮挡住的情况时，则无法实现有效跟踪。
因此，有必要提供一种对移动目标进行跟踪的方法及系统，实现在攀岩运动时对移动目标的智能跟踪，克服现有技术对高速运动、不规则运动或变速运动等运动目标跟踪困难，拍摄效果差的缺陷。
发明内容
本发明的一个目的是为了克服上述问题，提供一种能够实现高精度目标跟踪的攀岩用跟踪系统及跟踪方法。
特别地，本发明提供了一种攀岩用跟踪系统，用于控制无人机移动以跟踪一攀岩的目标端，所述无人机处设置有用于获取跟踪图像的图像获取装置，包括：
目标位置获取单元，用于获取所述目标端在所述跟踪图像中的位置；
距离确定单元，用于确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对距离；
角度确定单元，用于确定所述无人机相对于所述目标端的第一当前相对角度；和
设置在无人机处的控制器，用于根据所述目标端在跟踪图像中的位置来调节所述图像获取装置相对于所述无人机的第二当前相对角度，根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态，以使得所述无人机相对于所述目标端基本保持为预设相对距离和预设相对角度。
进一步地，所述控制器配置成调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态之前调节所述第二当前相对角度；
其中，所述第二当前相对角度为所述图像获取装置的俯仰角。
进一步地，所述系统还包括：
控制端，用于选择不同的攀岩模式，以根据所述攀岩模式向所述控制器发出控制指令；
其中，所述攀岩模式包括向上攀爬模式和登顶速降模式。
进一步地，所述攀岩模式为所述向上攀爬模式时，所述控制器配置成在所述目标端向上移动时调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像中的中心位置处；
所述控制器配置成在当所述第二当前相对角度到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度；
其中，所述预设相对距离和所述预设相对角度均为一定范围值。
进一步地，所述攀岩模式为登顶速降模式时，所述控制器配置成在所述目标端向下速降时以第二预设调节速度调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像的中心位置处；
所述控制器配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述登顶速降模式的特点预设的速度和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度；
其中，所述第二预设调节速度是根据所述登顶速降模式特点预设的速度来设定的。
进一步地，所述目标位置获取单元配置成所述攀岩模式为登顶速降模式时，在登顶速降模式开启时将所述目标端调整到在跟踪图像中的中心位置处；
所述控制器配置成在所述目标端不在跟踪图像中时才开始调整所述第二当前相对角度。
进一步地，所述无人机的当前跟踪运动速度以所述无人机在垂直方向的高度变化ΔHcmd(t)来表示；
所述无人机在垂直方向的高度变化为
其中，θe(t)为θe(t)为t时刻所述第二当前相对角度的设定值和修正值之间的误差，θsp为所述第二当前相对角度的设定值，为 为t时刻将θm(t)进行低通滤波后所述第二当前相对角度的修正值，θm(t)为θm(t)为t时刻所述第二当前相对角度，he(t)为he(t)＝hsp-hm(t)，he(t)为t时刻所述目标端的相对高度设定值和相对高度测量值之间的误差，hsp为所述目标端的相对高度设定值，hm(t)为hm(t)为t时刻所述目标端的相对高度测量值，y(t)为t时刻所述目标端在像平面垂直方向的位置坐标，Y为所述像平面在垂直方向的尺寸，kp、ki、kq和kj为可调参数，c为非负的可调参数；
可选地，所述的传递函数配置成能够保留信号的低频分量的其他函数。
进一步地，所述系统还包括：
设置在所述无人机处的第一射频装置；和
设置在所述目标端的第二射频装置；
其中，所述距离确定单元配置成根据所述第一射频装置和第二射频装置之间传输的射频信号的传输时间来确定所述当前相对距离；
所述第一和第二射频装置用于所述无人机与所述目标端的数据和指令传输。
特别地，本发明提供了一种攀岩用跟踪方法，用于控制无人机移动以跟踪一攀岩的目标端，所述无人机处设置有用于获取跟踪图像的图像获取装置，包括如下步骤：
获取所述目标端在跟踪图像中的位置；
确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对距离；
确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对角度；和
根据所述目标端在跟踪图像中的位置来调节所述图像获取装置相对于所述无人机的第二当前相对角度，根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态，以使得所述无人机相对于所述目标端基本保持为预设相对距离和预设相对角度。
进一步地，在调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态之前调节所述第二当前相对角度；
其中，所述第二当前相对角度为所述图像获取装置的俯仰角。
进一步地，所述方法还包括如下步骤：
选择不同的攀岩模式，以根据所述攀岩模式向所述控制器发出控制指令；
其中，所述攀岩模式包括向上攀爬模式和登顶速降模式。
进一步地，所述攀岩模式为所述向上攀爬模式时，在所述目标端向上移动时调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像中的中心位置处；
当所述第二当前相对角度到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度；
其中，所述预设相对距离和所述预设相对角度均为一定范围值。
进一步地，所述攀岩模式为登顶速降模式时，在所述目标端向下速降时以第二预设调节速度调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像的中心位置处；
当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述登顶速降模式的特点预设的速度和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度；
其中，所述第二预设调节速度是根据所述登顶速降模式特点预设的速度来设定的。
进一步地，所述攀岩模式为登顶速降模式时，在登顶速降模式开启时将所述目标端调整到在跟踪图像中的中心位置处；
当所述目标端不在跟踪图像中时才开始调整所述第二当前相对角度。
本发明的方案由于只有在所述第二相对角度达到预设角度阈值时才调整无人机的跟踪运动速度，使得在攀岩过程中无人机无需时刻调整跟踪运动速度，从而极大提高了无人机的续航能力。此外，本发明中由于在登顶速降模式中，提前设置好目标端的速降速度，在跟踪目标端移动的过程中无需经过大量的计算以获取速降速度，使得无人机能够及时地响应目标端的移动，极大提高了响应速度。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明的攀岩用跟踪系统的一般性结构框图；
图2是根据本发明一个实施例的攀岩用跟踪系统的结构示意图；
图3是本发明实施例中当所述攀岩模式为向上攀爬模式时所述无人机高度变化示意图；
图4是根据本发明一个实施例的攀岩用跟踪方法流程示意图；
图5是根据本发明另一实施例的攀岩用跟踪方法流程示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的攀岩用跟踪系统100的结构框图。图2是根据本发明一个实施例的攀岩用跟踪系统100的结构示意图。如图1和图2所示，本发明提供了一种攀岩用跟踪系统100，其用于控制无人机11移动以跟踪一基本上沿竖向移动的目标端12。所述攀岩用跟踪系统100可包括：图像获取装置7、目标位置获取单元1、距离确定单元3、角度确定单元4、设置在无人机11处的图像获取装置7和设置在无人机11处的控制器5。所述图像获取装置7，用于获取包含所述目标端12的跟踪图像，所述目标位置获取单元1，用于获取所述目标端12在跟踪图像中的位置，所述目标位置获取单元，用于获取所述目标端在所述跟踪图像中的位置，所述距离确定单元，用于确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对距离，所述角度确定单元，用于确定所述无人机相对于所述目标端的第一当前相对角度，所述控制器5，用于根据所述目标端12在跟踪图像中的位置来调节所述图像获取装置7相对于所述无人机11的第二当前相对角度，根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机11的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态，以使得所述无人机11相对于所述目标端12基本保持为预设相对距离和预设相对角度。
本发明的方案由于只有在所述第二相对角度达到预设角度阈值时才调整无人机11的跟踪运动速度，使得在攀岩过程中无人机11无需时刻调整跟踪运动速度，从而极大提高了无人机11的续航能力。
本发明的所述控制器5配置成调节所述无人机11的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态之前调节所述图像获取装置7相对于所述无人机11的当前相对角度。其中，所述图像获取装置7相对于所述无人机11的当前相对角度为所述图像获取装置7的俯仰角。其中，所述图像获取装置7可以包括用于获取目标端图像的例如摄像头和云台6，所述云台6用于固定所述摄像头和带动所述摄像头调整角度。
本发明的攀岩用跟踪系统100还可包括控制端13，所述控制端13包括终端APP 10，用于选择不同的攀岩模式，以根据所述攀岩模式向所述控制器5发出控制指令。其中，所述攀岩模式包括向上攀爬模式和登顶速降模式。所述攀岩模式是根据攀岩过程的特性进行划分的，攀岩过程中分为三种情况，一是向上攀爬时速度均匀且慢，根据攀爬的高度进行跟踪，二是中间滑落(接近于自由落体)，三是登顶后速降(包括一段或多段的可控速度)。由此，使得无人机11在对目标端12进行跟踪时，可以根据攀岩特性进行划分，能够更加及时准确，减少了滞后时间。
本发明的所述APP终端选择所述攀岩模式。
在一个实施例中，当选择所述攀岩模式为向上攀爬模式时，为了确定所述图像获取装置7俯仰角，所述控制器5配置成在所述目标端12向上移动时根据所述目标端12在跟踪图像中的位置来调节所述图像获取装置7中云台6的俯仰角以使得所述目标端12在所述跟踪图像中的中心位置处。所述目标端12在所述跟踪图像中的中心位置处具体可以是所述目标端12在所述跟踪图像的横向和竖向的正中心。
为了确定所述无人机11相对于所述目标端12的第一当前相对角度，所述控制器5配置成在当所述图像获取装置7的俯仰角达到预设角度阈值时，将所述图像获取装置7相对于所述无人机11的第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述无人机11相对于所述目标端12的当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机11的当前跟踪运动速度以保证所述无人机11与所述目标端12处于一段可控的距离范围。所述角度确定单元4配置成根据所述目标端12在跟踪图像中的位置确定所述无人机11相对于所述目标端12的当前相对距离。其中，由于所述图像获取装置7的俯仰角与预设角度阈值之间存在一定角度范围，在该角度范围内，只有所述图像获取装置7的角度发生变化，而无人机11的当前跟踪速度，或所述无人机11的高度并不发生变化，在该情况下，所述无人机11相对于所述目标端12的预设相对距离并不是一个固定值，而是具有一定范围的值，同样地，所述无人机11相对于所述目标端12的预设相对角度也并不是一个固定值，而是具有一定范围的值。因此，所述预设相对距离和所述预设相对角度均为一定范围值。
在另一实施例中，所述控制器5配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，先根据所述无人机11相对于所述目标端12的当前相对距离和所述第一当前相对角度调节所述无人机11的当前跟踪运动速度，即先调整所述无人机11的飞行高度，当所述目标端12重新出现在跟踪图像中时，再将所述图像获取装置7的第二当前相对角度恢复到初始相对角度，在将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度的同时，微调所述无人机11的飞行高度。
在另一实施例中，所述控制器5配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，先将所述图像获取装置7的第二当前相对角度恢复到初始相对角度，再根据所述无人机11相对于所述目标端12的当前相对距离和所述第一当前相对角度调节所述无人机11的当前跟踪运动速度，即再调整所述无人机11的飞行高度。
在所述攀岩模式为向上攀爬模式时，所述目标端12在向上攀爬时可能会出现中间滑落，当判定目标端处于中间滑落状态时，为了确定所述图像获取装置7的俯仰角，所述控制器5配置成在所述目标端向下滑落时以第一预设调节速度来调节所述第二当前相对角度，以寻找目标端。其中，所述第一预设调节速度是根据中间滑落的特点预先设定的。为了确定所述无人机11相对于所述目标端12的当前相对角度，所述控制器5配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据中间滑落的特点预先设定的速度来调节所述无人机11的当前跟踪运动速度。可选地，所述第一预设调节速度小于或等于根据中间滑落的特点预先设定的速度。所述角度确定单元4配置成根据所述目标端12在跟踪图像中的位置确定所述无人机11相对于所述目标端12的当前相对距离。
在另一实施例中，所述控制器5配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，先根据中间滑落的特点预先设定的速度调节所述无人机11的当前跟踪运动速度，即先调整所述无人机11的飞行高度，当所述目标端12重新出现在跟踪图像中时，再将所述图像获取装置7的第二当前相对角度恢复到初始相对角度，在将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度的同时，微调所述无人机11的飞行高度。
在另一实施例中，所述控制器5配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，先将所述图像获取装置7的第二当前相对角度恢复到初始相对角度，再根据中间滑落的特点预先设定的速度调节所述无人机11的当前跟踪运动速度，即再调整所述无人机11的飞行高度。
根据本发明的另一实施例，为了确定所述图像获取装置7俯仰角以及所述无人机11相对于所述目标端12的第一当前相对角度，当所述目标端12处于中间滑落状态时，所述控制器5配置成保持所述图像获取装置7相对于所述无人机11的初始相对角度不变，直接调节所述无人机11的当前跟踪运动速度。具体实施时，所述无人机11的当前跟踪运动速度调节为根据中间滑落的特点预先设定的速度。
为了确定目标端12处于中间滑落状态，所述控制器5配置成在所述目标端12在跟踪图像中的位置突然向下移动且位置发生较大变化时，根据中间滑落的特点来调节所述图像获取装置7相对于所述无人机11的第二当前相对角度和所述无人机11的当前跟踪运动速度。
在一个实施例中，当选择所述攀岩模式为登顶速降模式时，为了确定所述图像获取装置7的俯仰角，所述控制器5配置成以第二预设调节速度调节所述图像获取装置7相对于所述无人机11的当前相对角度，以使得所述目标端12在所述跟踪图像的中心位置处。其中，所述第二预设调节速度是根据所述登顶速降模式特点预设的速度来设定的。由登顶速降的特点可知，登顶速降包括一段或多段的可控速度，由此，所述第二预设调节速度可包括一个或多个不同的预设调节速度。
为了确定所述无人机11相对于所述目标端12的当前相对角度，所述控制器5配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述登顶速降模式的特点预设的速度来调节所述无人机11的当前跟踪运动速度。由登顶速降的特点可知，登顶速降包括一段或多段的可控速度，由此，所述无人机11的当前跟踪运动速度可包括一个或多个不同的跟踪运动速度。
在另一实施例中，所述控制器5配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，先根据登顶速降的特点预先设定的速度调节所述无人机11的当前跟踪运动速度，即先调整所述无人机11的飞行高度，当所述目标端12重新出现在跟踪图像中时，再将所述图像获取装置7的第二当前相对角度恢复到初始相对角度，在将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度的同时，微调所述无人机11的飞行高度。
在另一实施例中，所述控制器5配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，先将所述图像获取装置7的第二当前相对角度恢复到初始相对角度，再根据登顶速降的特点预先设定的速度调节所述无人机11的当前跟踪运动速度，即再调整所述无人机11的飞行高度。根据本发明的另一实施例，当选择所述攀岩模式为所述登顶速降模式时，所述控制器5配置成保持所述图像获取装置7相对于所述无人机11的初始相对角度不变，直接调节所述无人机11的当前跟踪运动速度。具体实施时，所述无人机11的当前跟踪运动速度调节为根据所述登顶速降模式的特点预设的速度。
根据本发明的方案，所述目标位置获取单元1配置成所述攀岩模式为登顶速降模式时，在登顶速降模式开启时将所述目标端12调整到在跟踪图像中的中心位置处。即在登顶速降模式开启时，所述目标端12处于跟踪图像中的中心位置处。所述控制器5配置成在所述目标端12不在跟踪图像中时才开始调整所述图像获取装置7相对于所述无人机11的相对角度。
在一个实施例中，所述控制器5可以配置成在不迟于调节所述无人机11的所述当前跟踪运动姿态时调节所述无人机11的所述当前跟踪运动速度，从而使得无人机11响应目标端12移动更加及时，由此减少了滞后时间。
在一个实施例中，所述控制器5可以配置成调节所述无人机11的所述当前跟踪运动姿态之前调节所述无人机11的所述当前跟踪运动速度，从而使得无人机11响应目标端12移动更加及时，由此减少了滞后时间。
如图3所示，图3是本发明实施例中当所述攀岩模式为向上攀爬模式时所述无人机11在垂直方向的高度变化示意图。本发明的所述无人机11的当前跟踪运动速度可用所述无人机11在垂直方向的高度变化ΔHcmd(t)来表示，所述无人机11在垂直方向的高度变化ΔHcmd(t)的算法为：
获取t时刻所述目标端12在像平面的坐标信息(x(t),y(t))，以及所述像平面的尺寸(X,Y)；
根据所述t时刻所述目标端12在像平面的坐标信息和所述像平面的尺寸，得到t时刻所述目标端12的无量纲的相对位置坐标(x(t)/X,y(t)/Y)，且记为公式(1)，
预设所述目标端12相对高度设定值hsp，其中，hsp表示为理想跟踪状况下所述目标端12在像平面垂直方向的位置。通常，可以令hsp＝0。根据以下公式(2)得出t时刻所述目标端12的所述相对高度设定值和所述相对高度测量值之间的误差，
he(t)＝hsp-hm(t) 公式(2)；
由以下公式(3)可以得出t时刻所述图像获取装置7相对于所述无人机11的相对角度，
其中，kq和kj为可调参数；
公式(3)中的角度信息将被用于决定飞机的高度变化。此信号通常含有高频分量，影响角度信息的准确性，因此，通常采用线性低通滤波器来处理，以减小其负面影响。低通滤波后的对角度修正值记为以下公式(4)是一个线性一阶滤波器的传递函数形式：
其中，c为非负的可调参数，s为传递函数变量，当s为t时表示传递函数变量为时间；
此处，低通滤波器的形式可以多种。其实现的功能在于保留信号的低频分量。其他低通滤波的实现包括高阶滤波，非线性滤波等等。现有的实时低通滤波器都可以应用。
根据以下公式(5)得出t时刻所述图像获取装置7的所述相对角度设定值θsp和所述相对角度修正值之间的误差，
其中，θsp通常默认设置为45°；
由以下公式(6)可计算得到所述无人机11在垂直方向的高度变化值，
由上述公式(1)至公式(6)，可计算得出所述无人机11在垂直方向的高度变化ΔHcmd(t)，即可计算得到所述无人机11的当前跟踪运动速度。本发明中由于在中间滑落和登顶速降模式中，提前设置好目标端的滑落速度或速降速度，在跟踪目标端移动的过程中无需经过大量的计算以获取滑落速度或速降速度，使得无人机能够及时地响应目标端的移动，极大提高了响应速度。
为了确定所述无人机11的相对于所述目标端12的当前相对距离，所述攀岩用跟踪系统100还可包括设置在所述无人机11处的第一射频装置8和设置在所述目标端12的第二射频装置2。其中，所述距离确定单元3配置成根据所述第一射频装置8和第二射频装置2之间传输的射频信号的传输时间来确定所述当前相对距离。在另一实施例中，所述射频信号为超宽频射频信号。具体地，所述第一射频装置8和所述第二射频装置2之间进行射频信号的传递，并记录射频信号的发送接收时间，所述距离确定单元3可以通过射频信号在第一射频装置8和所述第二射频装置2之间的传递时间来计算两者之间的距离。其中，所述第一射频装置8和所述第二射频装置2可以用来对所述目标端12进行定位。由于本发明无需通过所述跟踪图像来确定距离，因此大大降低了计算量明显下降，使得无人机11能够更及时地响应目标端12的移动，减少了滞后时间。
为了确定所述无人机11的当前跟踪运动姿态，所述目标位置获取单元1配置成将所述目标端12的初始位置设定为原始坐标，当所述目标端12移动后，所述目标端12在所述跟踪图像上有像素偏移，向X方向所偏移位置，即为当前所述无人机11的当前跟踪运动姿态。其中，由于所述无人机11有前进后退、上下和左右三个方位的变化，当用于攀岩跟踪时，将攀岩面作为一个平面，所述目标端12在此平面上运动，所述无人机11也就只有上下和左右两个方位的变化，因此，本发明一个实施例中，所述无人机11的当前跟踪运动姿态为左右方位的变化。具体地，所述目标端12在移动时，所述跟踪图像获取模块获取跟踪图片，并确定所述目标端12在所述跟踪图像中的位置，然后跟上一帧图像相比较获得目标端12在跟踪图像中缠上的x和y方向的像素位移变化，从而根据在x方向的像素位移变化调整所述无人机11的当前跟踪运动姿态以使得目标端12再次处于摄像头拍摄的跟踪图像的中心点。
在一个实施例中，所述控制端13还可以具有蓝牙和WIFI等无线传输方式。所述蓝牙用于与所述目标端12通信。所述蓝牙接收终端APP 10的指令并将该指令发送给目标端12的第二射频装置2。所述WIFI用于与所述跟踪端通信，所述WIFI接收跟踪端发来的视频且发送终端APP 10的指令给所述跟踪端的控制器5。所述终端APP 10用于显示视频、指令信息等，其中，指令信息包括预设无人机11的跟踪范围、图像获取装置7的拍摄角度、悬停、起飞、降落等等。
相应地，本发明实施例还提供了一种攀岩用跟踪方法，用于控制一无人机跟踪一移动的目标端，所述无人机处设置有图像获取装置，包括如下步骤：
获取所述目标端在跟踪图像中的位置；
确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对距离；
确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对角度；和
根据所述目标端在跟踪图像中的位置来调节所述图像获取装置相对于所述无人机的第二当前相对角度，根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态，以使得所述无人机相对于所述目标端基本保持为预设相对距离和预设相对角度。
本发明的方案由于只有在所述第二相对角度达到预设角度阈值时才调整无人机的跟踪运动速度，使得在攀岩过程中无人机无需时刻调整跟踪运动速度，从而极大提高了无人机的续航能力。
本发明方案是在调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态之前调节所述第二当前相对角度。其中，所述第二当前相对角度为所述图像获取装置的俯仰角。
所述攀岩用跟踪方法还包括如下步骤：
选择不同的攀岩模式，以根据所述攀岩模式向所述控制器发出控制指令。其中，所述攀岩模式包括向上攀爬模式和登顶速降模式。
图4是本发明一个实施例的攀岩用跟踪方法流程示意图。如图4所示，为了确定图像获取装置的俯仰角、俯仰角的变化速度以及为了确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对角度，所述攀岩用跟踪方法具体包括如下步骤：S100、选择所述攀岩模式为所述向上攀爬模式；S101、调节所述图像获取装置相对于所述无人机的第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像中的中心位置处；S102、判断所述第二当前相对角度是否达到预设角度阈值，若达到上述预设角度阈值，则执行下一步骤；S103、将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述无人机相对于所述目标端的当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度。其中，所述预设相对距离和所述预设相对角度均为一定范围值。
如图4所示，为了确定图像获取装置的俯仰角、俯仰角的变化速度以及为了确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对角度，所述攀岩用跟踪方法具体包括如下步骤：S201、当所述目标端处于中间滑落状态时以第一预设调节速度调节所述第二当前相对角度，以寻找目标端。S202、判断所述第二当前相对角度是否达到预设角度阈值，若达到上述预设角度阈值，则执行下一步骤；S203、将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据目标端的体重计算出的速度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度。其中，所述第一预设调节速度是根据所述目标端体重计算出的速度来设定的。
如图4所示，为了确定图像获取装置的俯仰角、俯仰角的变化速度以及为了确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对角度，所述攀岩用跟踪方法具体包括如下步骤：S100、选择所述攀岩模式为为登顶速降模式；S301、以第二预设调节速度调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像的中心位置处。其中，所述第二预设调节速度是根据所述登顶速降模式特点预设的速度来设定的；S302、判断所述第二当前相对角度是否达到预设角度阈值，若达到上述预设角度阈值，则执行下一步骤；S303、将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述登顶速降模式的特点预设的速度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度。
图5是本发明另一实施例的攀岩用跟踪方法流程示意图。图5与图4的区别在于，当目标端12处于中间滑落状态或所述攀岩模式为登顶速降模式时，所述攀岩用跟踪方法的步骤是不同的。如图5所示，在另一实施例中，为了确定图像获取装置的俯仰角、俯仰角的变化速度以及为了确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对角度，所述攀岩用跟踪方法具体包括如下步骤：S201’、当所述目标端12处于中间滑落状态时，保持所述图像获取装置相对于所述无人机的初始相对角度不变，直接调节所述无人机的当前跟踪运动速度。所述无人机的当前跟踪运动速度调节为根据中间滑落的特点预设的速度。
如图5所示，在另一实施例中，为了确定图像获取装置的俯仰角、俯仰角的变化速度以及为了确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对角度，所述攀岩用跟踪方法具体包括如下步骤：S100、选择所述攀岩模式为所述登顶速降模式；S301’、保持所述图像获取装置相对于所述无人机的初始相对角度不变，直接调节所述无人机的当前跟踪运动速度。具体实施时，所述无人机的当前跟踪运动速度调节为根据所述登顶速降模式的特点预设的速度。
所述攀岩模式为登顶速降模式时，在登顶速降模式开启时将所述目标端调整到在跟踪图像中的中心位置处。当所述目标端不在跟踪图像中时才开始调整所述图像获取装置相对于所述无人机的相对角度。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (14)
1.一种攀岩用跟踪系统，用于控制无人机移动以跟踪一攀岩的目标端，所述无人机处设置有用于获取跟踪图像的图像获取装置，包括：
目标位置获取单元，用于获取所述目标端在所述跟踪图像中的位置；
距离确定单元，用于确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对距离；
角度确定单元，用于确定所述无人机相对于所述目标端的第一当前相对角度；和
设置在无人机处的控制器，用于根据所述目标端在跟踪图像中的位置来调节所述图像获取装置相对于所述无人机的第二当前相对角度，根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态，以使得所述无人机相对于所述目标端基本保持为预设相对距离和预设相对角度。
2.根据权利要求1所述的攀岩用跟踪系统，其中，所述控制器配置成调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态之前调节所述第二当前相对角度；
其中，所述第二当前相对角度为所述图像获取装置的俯仰角。
3.根据权利要求2所述的攀岩用跟踪系统，其中，还包括：
控制端，用于选择不同的攀岩模式，以根据所述攀岩模式向所述控制器发出控制指令；
其中，所述攀岩模式包括向上攀爬模式和登顶速降模式。
4.根据权利要求2或3所述的攀岩用跟踪系统，其中，
所述攀岩模式为所述向上攀爬模式时，所述控制器配置成在所述目标端向上移动时调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像中的中心位置处；
所述控制器配置成在当所述第二当前相对角度到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度；
其中，所述预设相对距离和所述预设相对角度均为一定范围值。
5.根据权利要求2或3所述的攀岩用跟踪系统，其中，
所述攀岩模式为登顶速降模式时，所述控制器配置成在所述目标端向下速降时以第二预设调节速度调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像的中心位置处；
所述控制器配置成当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述登顶速降模式的特点预设的速度和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度；
其中，所述第二预设调节速度是根据所述登顶速降模式特点预设的速度来设定的。
6.根据权利要求5所述的攀岩用跟踪系统，其中，
所述目标位置获取单元配置成所述攀岩模式为登顶速降模式时，在登顶速降模式开启时将所述目标端调整到在跟踪图像中的中心位置处；
所述控制器配置成在所述目标端不在跟踪图像中时才开始调整所述第二当前相对角度。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的攀岩用跟踪系统，其中，所述无人机的当前跟踪运动速度以所述无人机在垂直方向的高度变化ΔHcmd(t)来表示；
所述无人机在垂直方向的高度变化为
其中，θe(t)为θe(t)为t时刻所述第二当前相对角度的设定值和修正值之间的误差，θsp为所述第二当前相对角度的设定值，为 为t时刻将θm(t)进行低通滤波后所述第二当前相对角度的修正值，θm(t)为θm(t)为t时刻所述第二当前相对角度，he(t)为he(t)＝hsp-hm(t)，he(t)为t时刻所述目标端的相对高度设定值和相对高度测量值之间的误差，hsp为所述目标端的相对高度设定值，hm(t)为hm(t)为t时刻所述目标端的相对高度测量值，y(t)为t时刻所述目标端在像平面垂直方向的位置坐标，Y为所述像平面在垂直方向的尺寸，kp、ki、kq和kj为可调参数，c为非负的可调参数；
可选地，所述的传递函数配置成能够保留信号的低频分量的其他函数。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的攀岩用跟踪系统，其中，还包括：
设置在所述无人机处的第一射频装置；和
设置在所述目标端的第二射频装置；
其中，所述距离确定单元配置成根据所述第一射频装置和第二射频装置之间传输的射频信号的传输时间来确定所述当前相对距离；
所述第一和第二射频装置用于所述无人机与所述目标端的数据和指令传输。
9.一种攀岩用跟踪方法，用于控制无人机移动以跟踪一攀岩的目标端，所述无人机处设置有用于获取跟踪图像的图像获取装置，包括如下步骤：
获取所述目标端在跟踪图像中的位置；
确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对距离；
确定所述无人机相对于所述目标端的当前相对角度；和
根据所述目标端在跟踪图像中的位置来调节所述图像获取装置相对于所述无人机的第二当前相对角度，根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态，以使得所述无人机相对于所述目标端基本保持为预设相对距离和预设相对角度。
10.根据权利要求9所述的攀岩用跟踪方法，其中，在调节所述无人机的当前跟踪运动速度和当前跟踪运动姿态之前调节所述第二当前相对角度；
其中，所述第二当前相对角度为所述图像获取装置的俯仰角。
11.根据权利要求9或10所述的攀岩用跟踪方法，其中，还包括如下步骤：
选择不同的攀岩模式，以根据所述攀岩模式向所述控制器发出控制指令；
其中，所述攀岩模式包括向上攀爬模式和登顶速降模式。
12.根据权利要求11所述的攀岩用跟踪方法，其中，
所述攀岩模式为所述向上攀爬模式时，在所述目标端向上移动时调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像中的中心位置处；
当所述第二当前相对角度到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述当前相对距离和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度；
其中，所述预设相对距离和所述预设相对角度均为一定范围值。
13.根据权利要求12所述的攀岩用跟踪方法，其中，
所述攀岩模式为登顶速降模式时，在所述目标端向下速降时以第二预设调节速度调节所述第二当前相对角度，以使得所述目标端在所述跟踪图像的中心位置处；
当所述第二当前相对角度达到预设角度阈值时，将所述第二当前相对角度恢复到初始相对角度，同时根据所述登顶速降模式的特点预设的速度和所述第一当前相对角度来调节所述无人机的当前跟踪运动速度；
其中，所述第二预设调节速度是根据所述登顶速降模式特点预设的速度来设定的。
14.根据权利要求13所述的攀岩用跟踪方法，其中，
所述攀岩模式为登顶速降模式时，在登顶速降模式开启时将所述目标端调整到在跟踪图像中的中心位置处；
当所述目标端不在跟踪图像中时才开始调整所述第二当前相对角度。
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