CN106454103A - 一种自动追随系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动追随系统，所述系统包括：定位装置、控制装置和追随装置；所述定位装置与所述控制装置无线通信连接，所述控制装置与所述追随装置无线通信连接或有线连接；所述定位装置用于获取至少一个目标的定位信息并发送给所述控制装置；所述控制装置用于根据所述定位信息解算所述至少一个目标的空间位置，并根据指定命令生成指定目标的控制指令发送给所述追随装置；所述追随装置用于根据所述控制指令调整预设组件的指向以使所述预设组件的视角覆盖所述指定目标的空间位置。本发明可以对目标进行自动定位以及追随，用于自动追光可以减少追光师的工作量，并且可以大大减少排练次数，降低排练成本，用于自动摄像可以降低人力成本，减少人为误差。

Description

一种自动追随系统

技术领域

本发明涉及一种自动追随系统。

背景技术

舞台灯光，是舞台美术造型手段之一，需要运用舞台灯光设备和技术手段。随着剧情的发展、光色及其变化显示环境、渲染气氛、突出中心人物，创造舞台空间感、时间感，塑造舞台演出的外部形象，并提供必要的灯光效果等。目前，很多渲染气氛效果的灯光都已实现自动控制，无需过多的人为参与，但是用于追踪目标的追光灯却一直由追光师操作，对追光灯的改进也仅局限于灯光效果方面。

在舞台表演过程中，追光师不仅需要有较高的专业素养还需要精力高度集中，才能保证追光过程流畅、不失误。在话剧、舞蹈等许多艺术场景中，需要追光师与目标密切配合及多次排练才能实现追光较为流畅，但是容易造成人力成本和排练成本超出预算。若将追光灯的轨迹通过编程进行固定，则会限制目标的发挥，当表演出现意外时，得不到及时的纠正，影响到表演效果。

在公开课录像和攀岩、赛马、冲浪等一些体育运动摄像中，需要跟随固定目标获取实时画面时，传统方法是需要摄像师全程操作录像机，在目标移动时罢录像机对准目标，虽然动作量小，但表演以及赛事时间长，需要摄像师注意力高度集中，容易导致摄像师疲劳，稍不留神就可能错过珍贵画面。并且运动录像的特征是目标移动频繁、速度快，人手持摄像机的移动并非稳定移动，专业录像一般也是通过手动云台调整摄像机角度，不然会造成画面抖动不稳。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种自动追随系统，可以解决或者部分解决现有技术中追光师工作量大，排练超出预算以及摄像师长时间操作摄像机疲劳错过珍贵画面等问题。

第一方面，本发明提供了一种自动追随系统，所述系统包括：定位装置、控制装置和追随装置；

所述定位装置与所述控制装置无线通信连接，所述控制装置与所述追随装置无线通信连接或有线连接；

所述定位装置用于获取至少一个目标的定位信息并发送给所述控制装置；

所述控制装置用于根据所述定位信息解算所述至少一个目标的空间位置，并根据指定命令生成指定目标的控制指令发送给所述追随装置；

所述追随装置用于根据所述控制指令调整预设组件的指向以使所述预设组件的视角覆盖所述指定目标的空间位置。

可选地，所述定位装置包括至少一个标签和至少四组基站；其中，所述至少一个标签以一对一的方式佩带在至少一个目标身上；所述至少四组基站设置在舞台任意的至少四个位置；

所述至少一个标签用于以广播方式向所述至少四组基站发射脉冲超宽带信号；

所述至少四组基站用于根据自身所获取的脉冲超宽带信号并根据预设解析算法获取所述至少一个标签的具体位置并发送给所述控制装置。

可选地，所述至少四组基站中任意一组基站设置有主基站，其余设置为从基站；所述主基站用于向所有从基站发布时钟同步信号，以保持所有从基站与所述主基站时钟同步。

可选地，每组基站以10Hz的频率向所述控制装置发送定位信息。

可选地，所述基站包括：UWB射频模块、计算模块以及无线通信模块；所述UWB射频模块与所述计算模块连接，所述计算模块与所述无线通信模块连接；

所述UWB射频模块用于接收来自至少一个标签的脉冲超宽带信号发送给所述计算模块；

所述计算模块用于根据所述脉冲超宽带信号解析所述至少一个标签的定位信息并发送给所述无线通信模块；

所述无线通信模块用于将上述定位信息上传给所述控制装置。

可选地，所述系统还包括：与所述控制装置连接的UI操作面板，所述UI操作面板用于显示所述控制装置解算出至少一个目标的空间位置，以及根据操作者选择的目标生成指定命令发送给控制装置。

可选地，所述控制装置包括无线通信匹配模块、解算模块、指令生成模块和输出模块，并依次连接；

所述无线通信匹配模块用于接收来自所述至少四组基站的定位信息并发送给所述解算模块；

所述解算模块用于根据同一个标签的至少四个定位信息解算出该标签的空间位置，并发送给所述指令生成模块；

所述指令生成模块用于根据所述空间位置生成相应的控制指令并发送给所述输出模块；

所述输出模块用于将所述控制指令发送给所述追随装置。

可选地，所述追随装置包括：云台、控制俯仰角的第一伺服电机、控制偏航角的第二伺服电机和伺服控制模块；所述云台上固定所述预设组件；所述第一伺服电机和所述第二伺服电机分别安装在所述云台的预设位置；

所述伺服控制用于根据所述控制指令驱动所述第一伺服电机以调节所述云台的俯仰角，和/或，驱动所述第二伺服电机以调节所述云台的偏航角以使所述组件的视角覆盖所述指定目标的空间位置。

可选地，所述预设组件为追光灯、摄像机、录相机和手机中的一种或者多种。

可选地，所述定位装置包括至少一个标签和两组或三组基站；其中，所述至少一个标签以一对一的方式佩带在至少一个目标身上；所述三组基站设置在不在一条直线上的三个位置；

所述至少一个标签用于以广播方式向所述两组或三组基站发射脉冲超宽带信号；

所述两组或三组基站用于根据自身所获取的脉冲超宽带信号并根据预设解析算法获取所述至少一个标签的具体位置并发送给所述控制装置。

由上述技术方案可知，本发明利用定位装置对目标进行定位得到定位信息，由控制装置根据该目标的定位信息得到其空间位置，然后生成相应的控制指令调节追随装置，从而实现追光灯或录像机通过云台转动实时追踪目标。可见，本发明通过对目标自动定位，与现有技术相比，可以减少摄影师和追光师的人力成本，用于自动追光并且可以大大减少排练次数，降低排练成本，而且，本发明避免了追光师认为误差产生的目标与追光灯光圈不匹配的情况。用在自动录像上可以实现无人自动追踪录像，节省人力成本并且可以得到稳定精准的视频。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种自动追随系统的结构示意图；

图2是图1中基站结构框图；

图3是图1中控制装置框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本发明提供了一种自动追随系统，如图1所示，所述系统包括：定位装置1、控制装置2和追随装置3。其中，定位装置1与控制装置2无线通信连接；控制装置2与追随装置3无线通信连接或有线连接。定位装置1用于获取至少一个目标的定位信息并发送给控制装置2。控制装置2用于根据定位信息解算上述至少一个目标的空间位置，并指定命令生成指定目标的控制指令发送给追随装置3。追随装置3用于根据控制指令调整预设组件的指向以使该预设组件的视角覆盖指定目标的空间位置。

需要说明的是，上述预设组件包括追光灯、摄像机、录相机和手机中的一种或者多种。例如，当该预设组件为追光灯时，通过调节该追光灯的视角使灯光照射在指定目标的空间位置坐标上。又如，当该预设组件为摄像机时，通过调节该摄像机的视角，可以使其实时拍摄指定目标，以防止错过珍贵的画面。

需要说明的是，定位装置1与控制装置2之间无线通信采用例如，蓝牙、Wifi、射频等；还可以采用以太网等有线通信方式实现。本发明实施例中采用超宽带通信方式可以使脉冲超宽带信号穿透墙体，除了可以实现精确定位外，还便于使用与控制。

控制装置2与追随装置3之间可以采用无线通信方式，例如，蓝牙、Wifi、射频等；还可以采用以太网等有线通信方式，可以根据控制装置2与追随装置3之间的相对位置进行选择与调整，本发明不作限定。

如图1所示，上述定位装置1包括至少一个标签和至少四组基站(例如图1中基站11、基站12、基站13、基站14)。每个标签与每组基站之间通过超宽带通信方式实现连接。其中，在每个目标(舞台上需要追光灯的光圈追随的演员)上固定一个标签，有需要跟随多个目标时，需要在每个目标上固定一个，并且所有目标上的标签具有不同的ID以实现区分。当工作时，每个标签以广播方式向四面八方发射脉冲超宽带信号。实际应用中，上述标签可以以腕带式标签，如手表，手腕、手环、脚环等，也可以采用便携式标签，如腰挂件等，标签的具体结构形状可以根据具体使用场景进行设置，本发明不作限定。

定位装置1中的至少四组基站，制成鼠标大小，可以分布在舞台的任意位置，或者舞台顶部的任意位置，并且需要满足任意三组基站不在一条直线上。优选地，舞台的每个角落设置一组基站。这样基站能够以最广阔的角度接收来自每个标签的脉冲超宽带信号。每组基站根据自身所接收的脉冲超宽带信号获取每个标签的具体位置，然后发送给控制装置2。

本发明实施例中至少四组基站中的任意一个设置为主基站，剩余基站作为从基站。主基站向所有从基站发布时钟同步信号，以使所述基站处于同一个时钟下，提高定位的精确度。实际应用中，本发明中采用四组基站，该四组基站分别设置在舞台顶部的四个角落。例如，当室内面积为1000平方米的舞台，设置四组基站可以满足所有规格的舞台定位需求。当舞台超过1000平方米时，可以设置五组基站，甚至更多，从而在多组基站之间相互切换定位标签。

每组基站可以采用相同的结构制成，以基站12为例进行说明，如图2所示，包括：UWB射频模块121、计算模块122以及无线通信模块123。

UWB射频模块121接收来自至少一个标签的脉冲超宽带信号。该UWB射频模块121可以采用现有技术中的DW1000UWB定位芯片实现，也可以采用具有UWB射频通信功能的电路实现，本发明不作限定。

计算模块122与上述UWB射频模块121连接，接收由UWB射频模块121转发的脉冲超宽带信号，并对该脉冲超宽带信号按照预设解析算法进行解析，以得到每个标签的定位信息，并发送给无线通信模块123。需要说明的是，该计算模块122可以采用现有技术中的单片机、数字信号处理器或者ARM芯片实现。另外，上述预设解析算法采用现有技术中的解析方法实现，本发明不作限定。

无线通信模块123与上述计算模块122连接，将定位信息发到控制装置2。如图1所示，无线通信模块123为Wifi通信模块或者以太网模块。当然本领域技术人员也可以采用其他无线通信模块或者有线通信模块实现，本发明不作限定。

如图3所示，本发明实施例中控制装置2包括无线通信匹配模块21、解算模块22、指令生成模块23和输出模块24，并依次连接。

无线通信匹配模块21与基站中的无线通信模块122相匹配，接收来自至少四组基站的定位信息并发送给解算模块22。实际应用中，该无线通信匹配模块21可以是Wifi通信模块或者以太网模块，与上述无线通信模块相匹配即可。

解算模块22与无线通信匹配模块21连接，从所接收的定位信息中挑选出同一个标签的至少四个定位信息，然后根据预设解算方法计算出该标签的空间位置。实际应用中，上述预设解算方法是预先设置在解算模块22中的方法，获取标签与四组基站的距离数据之后，通过TOA(Time Of Arrival)算法来确定标签的空间坐标。由于云台空间坐标已知，两个空间坐标的矢量差值即是云台指向，确定云台指向即可算出云台理想位置，即确定云台转角。当然，本领域技术人员还可以采用现有技术中TDOA(到达时间差)、AOA(到达角度测距)的算法实现，本发明不作限定。

指令生成模块23与解算模块22连接，根据上述空间位置检查相应的预设控制指令表得到控制指令。需要说明的是，该控制指令包括第一控制指令和第二控制指令。其中第一控制指令是用于控制追光灯的俯仰角的指令，第二控制指令是用于控制追光灯的偏航角的指令。两个控制指令同时配合调整追光灯的灯泡投射位置。

如图1所示，追随装置3包括：云台(图中未示出)、控制俯仰角的第一伺服电机(图中未示出)、控制偏航角的第二伺服电机(图中未示出)和伺服控制模块(图中未示出)。

实际应用中，追光灯或者摄像机等预设组件固定在云台上，通过调节云台的角度调节预设组件的视角，即投射光线的位置以及拍摄位置。在云台的预设位置分别安装第一伺服电机和第二伺服电机。例如，云台包括三段支撑结构，第一段支撑结构放置在地面上(位置相对固定)，在第二段支撑结构与第一段支撑结构的连接处设置有第一伺服电机。该第一伺服电机可以驱动第二段支撑结构在垂直方向上移动即调节该第二段支撑结构的俯仰角。在第二段支撑结构与第三段支撑结构的连接处设置有第二伺服电机，该第二伺服电机可以驱动第三段支撑结构在水平方向(相对于第二支撑结构)上移动，这样通过调节第一伺服电机和第二伺服电机的动作，即可将云台调节到指定的位置，从而使追光灯的灯光投射到指定标签的空间位置，或者使摄像机拍摄到指定标签的空间位置。

需要说明的是，在同一时刻，本发明实施例中每个预设组件仅能追随一个标签。为方便切换目标，本发明提供的系统还包括：UI操作面板。该UI操作面板与与控制装置连接，将控制装置解算出的至少一个目标的空间位置实时显示。此时操作者所选择的目标生成指定命令发送给控制装置，以使控制装置根据该指定命令生成指定目标的控制指令。可见，操作者可以根据场景需要及时切换到需要的目标的空间位置上，这样操作者仅需要记忆场景与目标的对应关系即可无需操作追光灯或者摄像机等预设组件，从而可以极大的节省体力与精力，提高舞台效果或者抓拍珍贵画面。

另外，本发明实施例中，预设组件还可以设置为多个。例如，为追随多个目标时，此时可设置多个追光灯，每个追光灯追随一个标签。或者，设置多个摄像机，每个摄像机追随一个目标。由操作者根据需要将场景画面及时呈现给观众，这样可以提高追随效率，具体的工作原理与上文相同，在此不再详细说明。

实际应用中，本发明的追随系统的误差范围在0.1～0.3米之间，在用于拍摄或者追光时，采用4组基站时可以满足所有使用场景的目标的定位需求。当追随系统的精度不高时，例如目标与摄像机处于或者基本处于同一个水平面时，此时仅调节云台的偏航角即可对指定目标进行追踪，这样设置两个或者三组基站即可实现定位。当设置有三组基站时，该三组基站设置在不在同一直线上的三个位置上。此时，以一对一的方式佩带在至少一个目标身上的至少一个标签以广播方式向所述两组或三组基站发射脉冲超宽带信号。两组或三组基站用于根据自身所获取的脉冲超宽带信号并根据预设解析算法获取至少一个标签的具体位置并发送给控制装置。至于控制装置以及追随装置与采用四个基站的情况相同，在此不再介绍。可见，本发明根据使用场景的不同，设置不同数量的基站，可以减少本发明提供的自动追随系统的体积，并降低生成成本。

另外，当使用场景为室外追踪时，若摄像机与目标的距离比较远，例如体育比赛中标枪、铁饼或者马术等项目，此时定位误差体现在摄像画面中影响可以忽略，此时本发明中的定位装置还可以采用GPS模块实现，通过采用GPS模块替代标签与基站可以极大的降低硬件成本。

本发明实施例中提供的定位装置、控制装置、追随装置以及UI操作装置，本领域技术人员可以根据上文中的技术方案随意组合，各种组合方案同样落入本发明的保护范围。在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种自动追随系统，其特征在于，所述系统包括：定位装置、控制装置和追随装置；

所述定位装置与所述控制装置无线通信连接，所述控制装置与所述追随装置无线通信连接或有线连接；

所述定位装置用于获取至少一个目标的定位信息并发送给所述控制装置；

所述控制装置用于根据所述定位信息解算所述至少一个目标的空间位置，并根据指定命令生成指定目标的控制指令发送给所述追随装置；

所述追随装置用于根据所述控制指令调整预设组件的指向以使所述预设组件的视角覆盖所述指定目标的空间位置。

2.根据权利要求1所述的自动追随系统，其特征在于，所述定位装置包括至少一个标签和至少四组基站；其中，所述至少一个标签以一对一的方式佩带在至少一个目标身上；所述至少四组基站设置在任意三组基站不在一条直线上的至少四个位置；

所述至少一个标签用于以广播方式向所述至少四组基站发射脉冲超宽带信号；

所述至少四组基站用于根据自身所获取的脉冲超宽带信号并根据预设解析算法获取所述至少一个标签的具体位置并发送给所述控制装置。

3.根据权利要求2所述的自动追随系统，其特征在于，所述至少四组基站中任意一组基站设置有主基站，其余设置为从基站；所述主基站用于向所有从基站发布时钟同步信号，以保持所有从基站与所述主基站时钟同步。

4.根据权利要求3所述的自动追随系统，其特征在于，每组基站以10Hz的频率向所述控制装置发送定位信息。

5.根据权利要求1～4任一项所述的自动追随系统，其特征在于，所述基站包括：UWB射频模块、计算模块以及无线通信模块；所述UWB射频模块与所述计算模块连接，所述计算模块与所述无线通信模块连接；

所述UWB射频模块用于接收来自至少一个标签的脉冲超宽带信号发送给所述计算模块；

所述计算模块用于根据所述脉冲超宽带信号解析所述至少一个标签的定位信息并发送给所述无线通信模块；

所述无线通信模块用于将上述定位信息上传给所述控制装置。

6.根据权利要求5所述的自动追随系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述控制装置连接的UI操作面板，所述UI操作面板用于显示所述控制装置解算出至少一个目标的空间位置，以及根据操作者选择的目标生成指定命令发送给控制装置。

7.根据权利要求1所述的自动追随系统，其特征在于，所述控制装置包括无线通信匹配模块、解算模块、指令生成模块和输出模块，并依次连接；

所述无线通信匹配模块用于接收来自所述至少四组基站的定位信息并发送给所述解算模块；

所述解算模块用于根据同一个标签的至少四个定位信息解算出该标签的空间位置，并发送给所述指令生成模块；

所述指令生成模块用于根据所述空间位置生成相应的控制指令并发送给所述输出模块；

所述输出模块用于将所述控制指令发送给所述追随装置。

8.根据权利要求1所述的自动追随系统，其特征在于，所述追随装置包括：云台、控制俯仰角的第一伺服电机、控制偏航角的第二伺服电机和伺服控制模块；所述云台上固定所述预设组件；所述第一伺服电机和所述第二伺服电机分别安装在所述云台的预设位置；

所述伺服控制用于根据所述控制指令驱动所述第一伺服电机以调节所述云台的俯仰角，和/或，驱动所述第二伺服电机以调节所述云台的偏航角以使所述组件的视角覆盖所述指定目标的空间位置。

9.根据权利要求8所述的自动追随系统，其特征在于，所述预设组件为追光灯、摄像机、录相机和手机中的一种或者多种。

10.根据权利要求1所述的自动追随系统，其特征在于，所述定位装置包括至少一个标签和两组或三组基站；其中，所述至少一个标签以一对一的方式佩带在至少一个目标身上；所述三组基站设置在不在一条直线上的三个位置；

所述至少一个标签用于以广播方式向所述两组或三组基站发射脉冲超宽带信号；

所述两组或三组基站用于根据自身所获取的脉冲超宽带信号并根据预设解析算法获取所述至少一个标签的具体位置并发送给所述控制装置。