CN106422358A - 基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置及方法、电动玩具 - Google Patents

基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置及方法、电动玩具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置及方法、电动玩具，所述装置包括图像传感器、视觉微处理器和运动微处理器，图像传感器连接至视觉微处理器，视觉微处理器和运动微处理器分别具有第一至第六输出引脚和第一至第六输入引脚，视觉微处理器的第一至第六输出引脚分别连接至运动微处理器的第一至第六输入引脚，运动微处理器连接至电动玩具控制单元的主控制器。本发明结构简单，特别适合电动玩具直升机，在较低的成本下，实现比较复杂的功能，大大增加了电动玩具直升机的实用性和趣味性。

Description

基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置及方法、电动玩具
技术领域
本发明涉及机器视觉控制技术领域，具体涉及基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置及方法、电动玩具。
背景技术
操作不熟练的用户，在第一次操作玩具直升机时，经常发生飞机一旦起飞即发生意外碰撞的事情，或者在着陆回收阶段发生撞地情形，或者很难做到悬停在空中做空中侦查。悬停动作主要依赖操控人员的熟练操作，操作难度高。目前悬停多为被动控制，有些采用GPS定位方式，价格昂贵，抗干扰能力差；有些产品采用测距的方法，只能控制玩具直升机稳定在一定高度范围内，但仍然会存在水平漂移。
此外，跟踪技术目前主要有基于面部和眼睛的视觉控制技术，需要用户在面对面的特定方位才能实现，无法实现身后跟踪；有些采用GPS定位方式，无法在室内等GPS信号屏蔽环境进行；还有一种常见的基于无线电技术的跟踪技术，系统复杂、成本较高，适宜于在较大范围内粗略控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电动玩具的悬停和近距离跟踪装置和方法，能够自动实现玩具直升机等电动玩具稳定在一定的水平范围内，解决了现有用户操作不当造成玩具直升机碰撞损坏的问题；以及能够实现在一定较小范围内跟踪移动目标的问题。
为实现上述目的，本发明提供了基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置，所述装置包括图像传感器、视觉微处理器和运动微处理器，所述图像传感器连接至所述视觉微处理器，所述视觉微处理器和所述运动微处理器分别具有第一至第六输出引脚和第一至第六输入引脚，所述视觉微处理器的第一至第六输出引脚分别连接至所述运动微处理器的第一至第六输入引脚，所述运动微处理器连接至电动玩具控制单元的主控制器。
进一步地，所述运动微处理器有线连接至所述电动玩具控制单元的主控制器，所述图像传感器、所述视觉微处理器和所述运动微处理器集成安装至电动玩具上。
进一步地，所述运动微处理器无线连接至所述电动玩具控制单元的主控制器，所述图像传感器、所述视觉微处理器和所述运动微处理器集成安装至电动玩具上。
进一步地，所述视觉微处理器包括像素点矢量赋予单元、矢量信息分析单元、矢量叠加分析单元和运动轨迹形成单元，所述像素点矢量赋予单元、所述矢量信息分析单元、所述矢量叠加分析单元和所述运动轨迹形成单元依次连接，所述图像传感器与所述像素点矢量赋予单元连接，所述运动轨迹形成单元连接至所述视觉微处理器的第一至第六输出引脚。
进一步地，所述装置还包括姿态测量单元和姿态调整单元，所述姿态测量单元连接至所述姿态调整单元，所述姿态测量单元安装至电动玩具上，所述姿态调整单元安装至电动玩具控制单元内并与主控制器连接。
进一步地，所述姿态测量单元包括陀螺仪、加速度传感器和磁力计，所述陀螺仪、所述加速度传感器和所述磁力计分别连接至所述姿态调整单元。
本发明还提供了基于视觉控制的悬停和近距离跟踪方法，所述方法包括：图像传感器获取电动玩具或电动玩具周围的图像帧序列，并将获取的图像帧序列传送给视觉微处理器；视觉微处理器对图像帧序列进行处理获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹，并将获取的运动轨迹转化为电平信号后传递给运动控制微处理器；运动微处理器根据获取的运动轨迹信号向电动玩具的主控制器发出控制指令，通过主控制器控制电动玩具的运动姿态和运动轨迹；其中，视觉微处理器对图像帧序列进行处理获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹包括：像素点矢量赋予单元给图像帧序列中的每帧图像的每个像素点赋予一个位移速度矢量；矢量信息分析单元不间断的分析图像帧序列中前后两帧图像之间的每个像素点的位移速度矢量信息，并生成一个叠加的位移速度矢量信息包；矢量叠加分析单元持续地对叠加的位移速度矢量信息包做分析比对；和运动轨迹形成单元根据矢量叠加分析单元的分析比对结果获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹。
进一步地，所述视觉微处理器将一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹转换成电平信号后通过第一至第六输出引脚输出视觉微处理器，并通过第一至第六输入引脚将电平信号输入到运动控制微处理器。
进一步地，所述方法还包括：姿态测量单元对电动玩具悬停或运动的位置和姿态进行测算并将测量结果发送至姿态调整单元；姿态调整单元根据测算结果向电动玩具的主控制器发送姿态调整指令；和电动玩具的主控制器根据姿态调整指令对悬停或运动的位置和姿态进行保持或调整。
本发明还提供了一种电动玩具，所述电动玩具包括上述基于视觉控制的悬停和近距离跟踪，进一步地，所述电动玩具优选玩具直升机或玩具电动车。
本发明具有如下优点：
本发明结构简单，特别适合电动玩具直升机，在较低的成本下，实现比较复杂的功能，大大增加了电动玩具直升机的实用性和趣味性。
附图说明
图1是一种包括本发明公开的基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置的玩具直升机的结构框图。
图2是本发明公开的视觉微处理器的结构框图。
图3是本发明公开的基于视觉控制的悬停和近距离跟踪方法的流程图。
图4是本发明公开的视觉微处理器对图像帧序列进行处理获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹的流程图。
图5是本发明公开的电动玩具的主控制器基于姿态测量单元和姿态调整单元对悬停或运动的位置和姿态进行保持或调整的方法的流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参考图1，本实施例公开的一种包括本发明提供的基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置的玩具直升机包括：主机体01、控制单元02、姿态测量单元03、姿态调整单元22、图像传感器04、视觉微处理器05和运动微处理器06，主机体01包括连接有旋翼的第一至第四电机11、12、13和14，连接有旋翼的第一至第四电机11、12、13和14形成十字架构，控制单元02内安装有主控制器21和姿态调整单元22，控制单元02的主控制器21与第一至第四电机11、12、13和14连接，第一至第四电机11、12、13和14与主控制器21之间分别设置有第一至第四电磁开关15、16、17和18，姿态测量单元03连接至姿态调整单元22，姿态调整单元22连接至主控制器21，图像传感器04、视觉微处理器05、运动微处理器06和主控制器21依次连接，视觉微处理器05和运动微处理器06分别具有第一至第六输出引脚和第一至第六输入引脚(图中未示出)，视觉微处理器05的第一至第六输出引脚分别连接至运动微处理器06的第一至第六输入引脚。
本实施例中的图像传感器04、视觉微处理器05和运动微处理器06集成安装至玩具直升机上，运动微处理器06有线或无线连接至玩具直升机控制单元02的主控制器21。
参考图2，本实施例中的视觉微处理器05进一步包括像素点矢量赋予单元51、矢量信息分析单元52、矢量叠加分析单元53和运动轨迹形成单元54，像素点矢量赋予单元51、矢量信息分析单元52、矢量叠加分析单元53和运动轨迹形成单元54依次连接，图像传感器04与像素点矢量赋予单元51连接，运动轨迹形成单元54连接至视觉微处理器05的第一至第六输出引脚(图中未示出)。
参考图3，本实施例中空开的基于视觉控制的悬停和近距离跟踪方法包括：
S301：图像传感器获取电动玩具周围的图像帧序列；
S302：将获取的图像帧序列传送给视觉微处理器；
S303：视觉微处理器对图像帧序列进行处理获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹；
S304：将获取的运动轨迹转化为电平信号后传递给运动控制微处理器；
S305：运动微处理器根据获取的运动轨迹信号向电动玩具的主控制器发出控制指令；
S306：通过主控制器控制电动玩具的运动姿态和运动轨迹。
其中，参考图4，视觉微处理器对图像帧序列进行处理获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹包括：
S401：像素点矢量赋予单元给图像帧序列中的每帧图像的每个像素点赋予一个位移速度矢量；
S402：矢量信息分析单元不间断的分析图像帧序列中前后两帧图像之间的每个像素点的位移速度矢量信息；
S403：生成一个叠加的位移速度矢量信息包；
S404：矢量叠加分析单元持续地对叠加的位移速度矢量信息包做分析比对；
S405：运动轨迹形成单元根据矢量叠加分析单元的分析比对结果获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹。
进一步地，视觉微处理器将一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹转换成电平信号后通过第一至第六输出引脚输出视觉微处理器，并通过第一至第六输入引脚将电平信号输入到运动控制微处理器，其中，电平信号通过第一至第六输出引脚和第一至第六输入引脚可以以矩形波的形式发送至运动控制微处理器，第一输出/输入引脚、第二输出/输入引脚、第三输出/输入引脚、第四输出/输入引脚、第五输出/输入引脚和第六输出/输入引脚分别代表像素点位移速度矢量的一个正方向，例如，分别代表像素点位移速度矢量的正前方、正后方、正左方、正右方、正上方和正下方。
参考图5，本实施例中的基于视觉控制的悬停和近距离跟踪方法，还包括：
S501：姿态测量单元对电动玩具悬停或运动的位置和姿态进行测算；
S502：将测量结果发送至姿态调整单元；
S503：姿态调整单元根据测算结果向电动玩具的主控制器发送姿态调整指令；和
S504：电动玩具的主控制器根据姿态调整指令对悬停或运动的位置和姿态进行保持或调整。
综上所述，本实施例中的基于视觉控制的悬停和近距离跟踪方法，给图像帧序列中的每帧图像的每个像素点赋予一个位移速度矢量，没有运动物体或整幅画面静止时，位移速度矢量是连续变化的，当有运动物体或整幅画面移动时，位移速度矢量必然发生相对变化；不间断的分析图像帧序列中前后两帧图像之间的每个像素点的位移速度矢量信息，并生成一个叠加的位移速度矢量信息包，持续地对叠加的位移速度矢量信息包做分析比对，从而获得获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹，随即将运动轨迹转换成电平信号输出到输入/输出(I/O)引脚，把电平信号传递给运动微处理器，运动微处理器根据获取的运动轨迹信号向电动玩具的主控制器发出控制指令，通过主控制器控制电动玩具的运动姿态和运动轨迹，从而完成转向、加速、倒退、侧移等动作。整个控制过程，并不影响普通图像的采集、处理、存储过程，也就是可以在开启录像功能的情况下，同时完成运动控制。
进一步地，如图1所示，姿态测量单元03包括陀螺仪31、加速度传感器32和磁力计33，陀螺仪31、加速度传感器32和磁力计33分别连接至姿态调整单元22。姿态测量单元03对悬停及运动位置和姿态进行测算，姿态调整单元22根据根据测算结果对悬停及运动位置和姿态进行保持和调整，旋翼组成的十字架构配合加速度传感器32和第一至第四电机11、12、13和14，可以控制旋翼偏转，产生侧向控制力，利用陀螺仪31对侧向阻力和自身升力的合力进行轴向矫正，同时调整侧向阻力的方向，以适合设备运行过程中，外界因素，比如：气流、自重等对重力轴向的影响，就像蜂鸟在空中悬停时，要不断调整翅膀挥动的方向和头部前后的摆动来控制自身悬停一样，甚至是倒退飞行。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置，其特征在于，所述装置包括图像传感器、视觉微处理器和运动微处理器，所述图像传感器连接至所述视觉微处理器，所述视觉微处理器和所述运动微处理器分别具有第一至第六输出引脚和第一至第六输入引脚，所述视觉微处理器的第一至第六输出引脚分别连接至所述运动微处理器的第一至第六输入引脚，所述运动微处理器连接至电动玩具控制单元的主控制器。
2.根据权利要求1所述基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置，其特征在于，所述运动微处理器有线连接至所述电动玩具控制单元的主控制器，所述图像传感器、所述视觉微处理器和所述运动微处理器集成安装至电动玩具上。
3.根据权利要求1所述基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置，其特征在于，所述运动微处理器无线连接至所述电动玩具控制单元的主控制器，所述图像传感器、所述视觉微处理器和所述运动微处理器集成安装至电动玩具上。
4.根据权利要求2或3所述基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置，其特征在于，所述视觉微处理器包括像素点矢量赋予单元、矢量信息分析单元、矢量叠加分析单元和运动轨迹形成单元，所述像素点矢量赋予单元、所述矢量信息分析单元、所述矢量叠加分析单元和所述运动轨迹形成单元依次连接，所述图像传感器与所述像素点矢量赋予单元连接，所述运动轨迹形成单元连接至所述视觉微处理器的第一至第六输出引脚。
5.根据权利要求1或2或3所述基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置，其特征在于，所述装置还包括姿态测量单元和姿态调整单元，所述姿态测量单元连接至所述姿态调整单元，所述姿态测量单元安装至电动玩具上，所述姿态调整单元安装至电动玩具控制单元内并与主控制器连接。
6.根据权利要求5所述基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置，其特征在于，所述姿态测量单元包括陀螺仪、加速度传感器和磁力计，所述陀螺仪、所述加速度传感器和所述磁力计分别连接至所述姿态调整单元。
7.基于视觉控制的悬停和近距离跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：
图像传感器获取电动玩具或电动玩具周围的图像帧序列，并将获取的图像帧序列传送给视觉微处理器；
视觉微处理器对图像帧序列进行处理获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹，并将获取的运动轨迹转化为电平信号后传递给运动控制微处理器；
运动微处理器根据获取的运动轨迹信号向电动玩具的主控制器发出控制指令，通过主控制器控制电动玩具的运动姿态和运动轨迹；
其中，视觉微处理器对图像帧序列进行处理获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹包括：
像素点矢量赋予单元给图像帧序列中的每帧图像的每个像素点赋予一个位移速度矢量；
矢量信息分析单元不间断的分析图像帧序列中前后两帧图像之间的每个像素点的位移速度矢量信息，并生成一个叠加的位移速度矢量信息包；
矢量叠加分析单元持续地对叠加的位移速度矢量信息包做分析比对；和
运动轨迹形成单元根据矢量叠加分析单元的分析比对结果获得图像中一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹。
8.根据权利要求7所述基于视觉控制的悬停和近距离跟踪方法，其特征在于，所述视觉微处理器将一个或多个物体运动轨迹或整幅画面所有像素点的运动轨迹转换成电平信号后通过第一至第六输出引脚输出视觉微处理器，并通过第一至第六输入引脚将电平信号输入到运动控制微处理器。
9.根据权利要求7所述基于视觉控制的悬停和近距离跟踪方法，其特征在于，所述方法还包括：
姿态测量单元对电动玩具悬停或运动的位置和姿态进行测算并将测量结果发送至姿态调整单元；
姿态调整单元根据测算结果向电动玩具的主控制器发送姿态调整指令；和
电动玩具的主控制器根据姿态调整指令对悬停或运动的位置和姿态进行保持或调整。
10.一种电动玩具，其特征在于：所述电动玩具包括如权利要求1-6中任一项所述的基于视觉控制的悬停和近距离跟踪装置。
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