CN107340780A - 多旋翼飞行器的控制方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多旋翼飞行器的控制方法、装置和系统，其中方法包括：接收机载飞控系统获取的飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息；根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器控制技术领域，尤其涉及一种多旋翼飞行器的控制方法、装置和系统。
背景技术
随着自动控制技术、微型传感器技术和微机电系统的发展，多旋翼无人机由于其性能稳定和成本较低等特点，正逐步取代传统的载人或无人的直升机和固定翼飞机，而应用于许多行业。
通过搭载摄像机或专业的成像设备和传感器，多旋翼无人机可以方便地完成各种拍摄任务。如在民用领域，多旋翼无人机可用于娱乐、影视航拍、电力线路巡检、警用巡逻等；在军用领域，可用于监控、侦查等。
目前，在多旋翼无人机执行拍摄任务时，为了使被拍摄的对象时刻保持在摄像设备视野内，至少需要两名操作手，其中一名操控无人机的飞行，另一名操控云台的转动。这需要两名操作手有丰富的经验，同时也要求操控手实时关注被拍摄对象的运动情况，导致拍摄成本较高。
发明内容
基于此，有必要针对拍摄成本较高的问题，提供一种多旋翼飞行器的控制方法、装置和系统。
一种多旋翼飞行器的控制方法，包括以下步骤：
根据飞行器的初始位置和智能终端的初始位置计算飞行器与智能终端的水平相对距离、垂直相对距离和相对角度；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
在智能终端移动过程中，执行以下步骤：
实时获取所述飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息，根据所述水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；
根据所述位移生成控制信息，并将所述控制信息发送至飞行器的机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
一种多旋翼飞行器的控制方法，包括以下步骤：
接收机载飞控系统获取的飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息；
根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
一种多旋翼飞行器的控制装置，包括：
第一计算装置，用于根据飞行器的初始位置和智能终端的初始位置计算飞行器与智能终端的水平相对距离、垂直相对距离和相对角度；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
在智能终端移动过程中，执行以下装置的功能：
第二计算装置，用于实时获取所述飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息，根据所述水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；
第一控制装置，用于根据所述位移生成控制信息，并将所述控制信息发送至飞行器的机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
一种多旋翼飞行器的控制装置，包括：
位置获取装置，用于接收机载飞控系统获取的飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息；
第三计算装置，用于根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
第二控制装置，用于根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
一种多旋翼飞行器的控制系统，包括：机载飞控系统和控制系统；
所述控制系统通过所述机载飞控系统连接到飞行器；
所述机载飞控系统用于获取飞行器的第一位置信息，并将所述第一位置信息发送至所述控制系统；
所述控制系统用于获取智能终端当前的第二位置信息，根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移，根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
所述机载飞控系统还用于控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
上述多旋翼飞行器的控制方法、装置和系统，在终端发生移动时，根据飞行器与智能终端的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移，根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置，实现了飞行器的自动跟随。从而当被拍摄对象携带上述智能终端时，飞行器上安装的摄像装置可以自动跟随被拍摄者进行拍摄，避免了手动操控飞行器，不仅节约了拍摄成本，而且提高了拍摄效率。
附图说明
图1为第一实施例的多旋翼飞行器的控制方法流程图；
图2为一个实施例的相对角度示意图；
图3为一个实施例的期望距离示意图；
图4为一个实施例的跟随示意图；
图5为第二实施例的多旋翼飞行器的控制方法流程图；
图6为第一实施例的多旋翼飞行器的控制装置的结构示意图；
图7为第二实施例的多旋翼飞行器的控制装置的结构示意图；
图8为一个实施例的多旋翼飞行器的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，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。
参考图1，本发明提供一种多旋翼飞行器的控制方法，所述控制方法可包括以下步骤：
S11，根据飞行器的初始位置和智能终端的初始位置计算飞行器与智能终端的水平相对距离、垂直相对距离和相对角度；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
其中，智能终端可以是体感操控设备如体感操控器，或者可为智能手机、便携式电脑等具有通信、数据处理和定位功能的便携式电子设备。机载飞控系统和智能终端的定位功能可通过安装全球定位系统(Global Positioning System，GPS)软件等具有定位功能的软件实现。可以预先设置一个时间间隔，并每隔所述时间间隔获取一次第一位置信息以及第二位置信息。所述时间间隔可以根据实际需要设定。例如，可以根据智能终端的飞行速度来设定。当智能终端的飞行速度较小时，可以将所述时间间隔设定为一个较小的值，当智能终端的飞行速度较大时，可以将所述时间间隔设定为一个较大的值。也可以根据其他方式来获取。
假设飞行器的初始位置的坐标为(XF0,YF0,ZF0)，智能终端的初始位置的坐标为(XT0,YT0,ZT0)，则：
所述水平相对距离为：
所述垂直相对距离为：H＝|ZT0-ZTF|；
所述相对角度为：
其中，为所述相对角度，XF0、YF0、ZF0分别为飞行器的初始位置在NED坐标系中的北轴、东轴和下轴的坐标值，XT0、YT0、ZT0分别为智能终端的初始位置在NED坐标系中的北轴、东轴和下轴的坐标值。
相对角度和期望距离的示意图分别如图2和图3所示。在图2中，若x轴表示NED坐标系中的东轴，y轴表示NED坐标系中的北轴，z轴表示NED坐标系中的下轴，O为原点，为飞行器与智能终端在NED坐标系中的位置矢量，为在NED坐标系中的xOy平面上的投影，则在xOy平面中所指的方向即为所述相对角度。在一个实施例中，如图2所示，该相对角度可以是东偏南80°。当然，该相对角度也可以是其他角度。具体数值可以根据实际需要设定。在跟随过程中，该相对角度保持不变。
在智能终端移动过程中，执行以下步骤：
S12，实时获取所述飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息，根据所述水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；
由于使飞行器与智能终端之间的水平相对距离为D，且垂直相对距离为H的位置有无数个(即，与所述智能终端的垂直相对距离为H，半径为D的圆上的任意一点都满足)，通过设置该相对角度，可以唯一确定一个满足条件的目标位置，使飞行器移动到该目标位置的过程完全复制智能终端的移动过程。通过步骤S12计算出的目标位置、位移矢量以及相对角度，可以使本发明的飞行器按照智能终端的移动轨迹来移动，即当智能终端往左移动1米时，飞行器也往左移动1米；智能终端往上移动1米时，飞行器也往上移动1米；智能终端位置不变时，飞行器位置也不变，且飞行器与智能终端的水平相对距离与垂直相对距离均保持不变。跟随过程示意图如图4所示，智能终端移动前的位置记为P1，智能终端移动后的位置记为P1’，飞行器当前的位置记为P2，飞行器的目标位置记为P2’，飞行器的目标位置与所述第一位置信息对应的位置所形成的位移矢量记为智能终端移动前的位置与当前的第二位置信息对应的位置所形成的位移矢量记为则与是相等的。
示例性的，所述目标位置应满足：
|ZT-ZF|＝H；
其中，(XF,YF,ZF)为目标位置的坐标，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，D为所述水平距离，H为所述垂直距离，为所述相对角度，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
S13，根据所述位移生成控制信息，并将所述控制信息发送至飞行器的机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。所述俯仰角是使所述飞行器上的摄像装置的镜头始终朝向或者正对着智能终端的俯仰角。飞行器在向目标位置飞行过程中，可以不断调整所述俯仰角，使智能终端始终保持在摄像装置的拍摄画面中。在飞行器到达目标位置之后，可以将俯仰角调回到与初始状态相同的俯仰角。目标位置的俯仰角可以根据如下公式计算：
其中，H＝|ZT-ZF|；
式中，θ为所述俯仰角，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的相对距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的相对距离，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
智能终端获取到飞行器的位置信息后，还可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息，计算出飞行器应有的飞行速度，以保证飞行器始终能跟着智能终端飞行。
如当携带有智能终端的被拍摄对象在水平方向上移动时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度，并将该水平飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该水平飞行速度后，可以控制飞行器以该水平飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
又如，当携带有智能终端的被拍摄对象在垂直方向上移动如跳伞或吊威亚时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的垂直飞行速度，并将该垂直飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该垂直飞行速度后，可以控制飞行器以该垂直飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
再如，当携带有智能终端的被拍摄对象在水平方向和垂直方向上均有移动，如倾斜向上或倾斜向下移动时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度和垂直飞行速度，并将该水平飞行速度和垂直飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该水平飞行速度和垂直飞行速度后，可以控制飞行器以该水平飞行速度和垂直飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
上述飞行器跟随被拍摄对象或者智能终端的情形，可以称之为跟随模式。
示例性的，可以根据如下方式控制飞行器的水平飞行速度：
其中，VX为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的北轴上的飞行速度，VY为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的东轴上的飞行速度，V为智能终端得到的所述飞行器地速，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，为所述相对角度，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的距离，XT和YT分别为智能终端在所述NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
示例性的，还可以根据如下方式控制飞行器的垂直飞行速度：
H＝|ZT-ZF|；
其中，V为所述垂直飞行速度，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置。
另外，智能终端还可以将起飞、悬停、降落或返航的命令发送至所述机载飞控系统，相应控制所述飞行器起飞、悬停、降落或返航。
在一个实施例中，智能终端还可以将所述第二位置信息发送到所述机载飞控系统，所述机载飞控系统在所述飞行器与智能终端失联时，控制所述飞行器移动到最后一次接收到的第二位置信息对应的位置。
在一个实施例中，还可以计算所述第二位置信息与初始第二位置信息的差值；其中，所述初始第二位置信息为智能终端上次获取到的智能终端的位置信息；若所述差值大于预设的距离阈值，根据所述第一位置信息和所述第二位置信息计算所述飞行器的目标位置。
可以看出，本实施例提供的多旋翼飞行器的控制方法，根据飞行器与智能终端之间的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移矢量，根据所述位移矢量生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移矢量移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置，实现了飞行器的自动跟随。并且，在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。从而当被拍摄对象携带上述智能终端时，飞行器上安装的摄像装置可以自动跟随被拍摄者进行拍摄，避免了手动操控飞行器，不仅节约了拍摄成本，而且提高了拍摄效率。
参考图5，本发明还提供一种多旋翼飞行器的控制方法，所述控制方法可包括以下步骤：
S21，接收机载飞控系统获取的飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息；
其中，智能终端可以是体感操控设备如体感操控器，或者可为智能手机、便携式电脑等具有通信、数据处理和定位功能的便携式电子设备。机载飞控系统和智能终端的定位功能可通过安装全球定位系统(Global Positioning System，GPS)软件等具有定位功能的软件实现。可以预先设置一个时间间隔，并每隔所述时间间隔获取一次第一位置信息以及第二位置信息。所述时间间隔可以根据实际需要设定。例如，可以根据智能终端的飞行速度来设定。当智能终端的飞行速度较小时，可以将所述时间间隔设定为一个较小的值，当智能终端的飞行速度较大时，可以将所述时间间隔设定为一个较大的值。也可以根据其他方式来获取。
S22，根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
在跟随时，可以设定飞行器跟随智能终端时与智能终端的水平和垂直相对距离。例如，可以设定飞行器在相距智能终端的水平距离与垂直距离分别是1米和0.5米处跟随智能终端。上述1米和0.5米即为后续跟随过程中的期望距离，跟随的目标是使飞行器与智能终端之间的水平和垂直相对距离始终保持1米和0.5米不变。期望距离的示意图如图3所示。每次开机时，可以根据飞行器的经纬度和智能终端的经纬度计算所述水平相对距离、垂直相对距离和相对角度。在后续跟随过程中，可直接根据开机时计算得到的所述水平相对距离、垂直相对距离和相对角度执行跟随过程。
相对角度的示意图如图2所示。在图2中，若x轴表示NED坐标系中的东轴，y轴表示NED坐标系中的北轴，z轴表示NED坐标系中的下轴，O为原点，为飞行器与智能终端在NED坐标系中的位置矢量，为在NED坐标系中的xOy平面上的投影，则在xOy平面中所指的方向即为所述相对角度。在一个实施例中，如图2所示，该相对角度可以是东偏南80°。当然，该相对角度也可以是其他角度。具体数值可以根据实际需要设定。在跟随过程中，该相对角度保持不变。
由于使飞行器与智能终端之间的水平相对距离为D，且垂直相对距离为H的位置有无数个(即，与所述智能终端的垂直相对距离为H，半径为D的圆上的任意一点都满足)，通过设置该相对角度，可以唯一确定一个满足条件的目标位置，使飞行器移动到该目标位置的过程完全复制智能终端的移动过程。通过步骤S22计算出的目标位置、位移以及相对角度，可以使本发明的飞行器按照智能终端的移动轨迹来移动，即当智能终端往左移动1米时，飞行器也往左移动1米；智能终端往上移动1米时，飞行器也往上移动1米；智能终端位置不变时，飞行器位置也不变，且飞行器与智能终端的水平相对距离与垂直相对距离均保持不变。跟随过程示意图如图5所示，智能终端移动前的位置记为P1，智能终端移动后的位置记为P1’，飞行器当前的位置记为P2，飞行器的目标位置记为P2’，飞行器的目标位置与所述第一位置信息对应的位置所形成的位移记为智能终端移动前的位置与当前的第二位置信息对应的位置所形成的位移记为则与是相等的。
示例性的，所述目标位置应满足：
|ZT-ZF|＝H；
其中，(XF,YF,ZF)为目标位置的坐标，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，D为所述水平距离，H为所述垂直距离，为所述相对角度，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
其中，所述相对角度可以根据所述机载飞控系统获取的飞行器的初始位置信息(XF0,YF0,ZF0)以及智能终端的初始位置信息(XT0,YT0，ZT0)计算得到，所述飞行器的初始位置信息以及智能终端的初始位置信息可以是系统开始运行之后第一次获取到的位置信息。在计算出相对角度之后，可以将该相对角度存储在系统中，并在后续控制过程中控制飞行器保持该相对角度移动。根据初始位置信息计算相对角度的方式为：
S23、根据所述目标位置生成控制信息，并将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，相应控制所述飞行器保持预存的相对角度移动到所述目标位置；其中，所述相对角度为飞行器与智能终端之间的相对角度。
在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。所述俯仰角是使所述飞行器上的摄像装置的镜头始终朝向或者正对着智能终端的俯仰角。飞行器在向目标位置飞行过程中，可以不断调整所述俯仰角，使智能终端始终保持在摄像装置的拍摄画面中。在飞行器到达目标位置之后，可以将俯仰角调回到与初始状态相同的俯仰角。目标位置的俯仰角可以根据如下公式计算：
其中，H＝|ZT-ZF|；
式中，θ为所述俯仰角，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的相对距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的相对距离，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
智能终端获取到飞行器的位置信息后，还可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息，计算出飞行器应有的飞行速度，以保证飞行器始终能跟着智能终端飞行。
如当携带有智能终端的被拍摄对象在水平方向上移动时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度，并将该水平飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该水平飞行速度后，可以控制飞行器以该水平飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
又如，当携带有智能终端的被拍摄对象在垂直方向上移动如跳伞或吊威亚时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的垂直飞行速度，并将该垂直飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该垂直飞行速度后，可以控制飞行器以该垂直飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
再如，当携带有智能终端的被拍摄对象在水平方向和垂直方向上均有移动，如倾斜向上或倾斜向下移动时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度和垂直飞行速度，并将该水平飞行速度和垂直飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该水平飞行速度和垂直飞行速度后，可以控制飞行器以该水平飞行速度和垂直飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
上述飞行器跟随被拍摄对象或者智能终端的情形，可以称之为跟随模式。
示例性的，可以根据如下方式控制飞行器的水平飞行速度：
其中，VX为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的北轴上的飞行速度，VY为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的东轴上的飞行速度，V为智能终端得到的所述飞行器地速，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，为所述相对角度，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的距离，XT和YT分别为智能终端在所述NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
示例性的，还可以根据如下方式控制飞行器的垂直飞行速度：
H＝|ZT-ZF|；
其中，V为所述垂直飞行速度，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置。
另外，智能终端还可以将起飞、悬停、降落或返航的命令发送至所述机载飞控系统，相应控制所述飞行器起飞、悬停、降落或返航。
在一个实施例中，智能终端还可以将所述第二位置信息发送到所述机载飞控系统，所述机载飞控系统在所述飞行器与智能终端失联时，控制所述飞行器移动到最后一次接收到的第二位置信息对应的位置。
在一个实施例中，还可以计算所述第二位置信息与初始第二位置信息的差值；其中，所述初始第二位置信息为智能终端上次获取到的智能终端的位置信息；若所述差值大于预设的距离阈值，根据所述第一位置信息和所述第二位置信息计算所述飞行器的目标位置。
可以看出，本实施例提供的多旋翼飞行器的控制方法，根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移，根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置，实现了飞行器的自动跟随。并且，在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。从而当被拍摄对象携带上述智能终端时，飞行器上安装的摄像装置可以自动跟随被拍摄者进行拍摄，避免了手动操控飞行器，不仅节约了拍摄成本，而且提高了拍摄效率。
参考图6，与所述第一实施例的多旋翼飞行器的控制方法相对应地，本发明提供一种多旋翼飞行器的控制装置，可包括：
第一计算装置110，用于根据飞行器的初始位置和智能终端的初始位置计算飞行器与智能终端的水平相对距离、垂直相对距离和相对角度；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
其中，智能终端可以是体感操控设备如体感操控器，或者可为智能手机、便携式电脑等具有通信、数据处理和定位功能的便携式电子设备。机载飞控系统和智能终端的定位功能可通过安装全球定位系统(Global Positioning System，GPS)软件等具有定位功能的软件实现。可以预先设置一个时间间隔，并每隔所述时间间隔获取一次第一位置信息以及第二位置信息。所述时间间隔可以根据实际需要设定。例如，可以根据智能终端的飞行速度来设定。当智能终端的飞行速度较小时，可以将所述时间间隔设定为一个较小的值，当智能终端的飞行速度较大时，可以将所述时间间隔设定为一个较大的值。也可以根据其他方式来获取。
假设飞行器的初始位置的坐标为(XF0,YF0,ZF0)，智能终端的初始位置的坐标为(XT0,YT0,ZT0)，则：
所述水平相对距离为：
所述垂直相对距离为：H＝|ZT0-ZTF|；
所述相对角度为：
其中，为所述相对角度，XF0、YF0、ZF0分别为飞行器的初始位置在NED坐标系中的北轴、东轴和下轴的坐标值，XT0、YT0、ZT0分别为智能终端的初始位置在NED坐标系中的北轴、东轴和下轴的坐标值。
相对角度的示意图如图2所示。在图2中，若x轴表示NED坐标系中的东轴，y轴表示NED坐标系中的北轴，z轴表示NED坐标系中的下轴，O为原点，为飞行器与智能终端在NED坐标系中的位置矢量，为在NED坐标系中的xOy平面上的投影，则在xOy平面中所指的方向即为所述相对角度。在一个实施例中，如图2所示，该相对角度可以是东偏南80°。当然，该相对角度也可以是其他角度。具体数值可以根据实际需要设定。在跟随过程中，该相对角度保持不变。
在智能终端移动过程中，执行以下装置的功能：
第二计算装置120，用于实时获取所述飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息，根据所述水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；
由于使飞行器与智能终端之间的水平相对距离为D，且垂直相对距离为H的位置有无数个(即，与所述智能终端的垂直相对距离为H，半径为D的圆上的任意一点都满足)，通过设置该相对角度，可以唯一确定一个满足条件的目标位置，使飞行器移动到该目标位置的过程完全复制智能终端的移动过程。通过第二计算装置120计算出的目标位置、位移矢量以及相对角度，可以使本发明的飞行器按照智能终端的移动轨迹来移动，即当智能终端往左移动1米时，飞行器也往左移动1米；智能终端往上移动1米时，飞行器也往上移动1米；智能终端位置不变时，飞行器位置也不变，且飞行器与智能终端的水平相对距离与垂直相对距离均保持不变。跟随过程示意图如图5所示，智能终端移动前的位置记为P1，智能终端移动后的位置记为P1’，飞行器当前的位置记为P2，飞行器的目标位置记为P2’，飞行器的目标位置与所述第一位置信息对应的位置所形成的位移矢量记为智能终端移动前的位置与当前的第二位置信息对应的位置所形成的位移矢量记为则与是相等的。
示例性的，所述目标位置应满足：
|ZT-ZF|＝H；
其中，(XF,YF,ZF)为目标位置的坐标，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，D为所述水平距离，H为所述垂直距离，为所述相对角度，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
第一控制装置130，用于根据所述位移生成控制信息，并将所述控制信息发送至飞行器的机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。所述俯仰角是使所述飞行器上的摄像装置的镜头始终朝向或者正对着智能终端的俯仰角。飞行器在向目标位置飞行过程中，可以不断调整所述俯仰角，使智能终端始终保持在摄像装置的拍摄画面中。在飞行器到达目标位置之后，可以将俯仰角调回到与初始状态相同的俯仰角。目标位置的俯仰角可以根据如下公式计算：
其中，H＝|ZT-ZF|；
式中，θ为所述俯仰角，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的相对距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的相对距离，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
智能终端获取到飞行器的位置信息后，还可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息，计算出飞行器应有的飞行速度，以保证飞行器始终能跟着智能终端飞行。
如当携带有智能终端的被拍摄对象在水平方向上移动时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度，并将该水平飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该水平飞行速度后，可以控制飞行器以该水平飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
又如，当携带有智能终端的被拍摄对象在垂直方向上移动如跳伞或吊威亚时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的垂直飞行速度，并将该垂直飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该垂直飞行速度后，可以控制飞行器以该垂直飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
再如，当携带有智能终端的被拍摄对象在水平方向和垂直方向上均有移动，如倾斜向上或倾斜向下移动时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度和垂直飞行速度，并将该水平飞行速度和垂直飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该水平飞行速度和垂直飞行速度后，可以控制飞行器以该水平飞行速度和垂直飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
上述飞行器跟随被拍摄对象或者智能终端的情形，可以称之为跟随模式。
示例性的，可以根据如下方式控制飞行器的水平飞行速度：
其中，VX为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的北轴上的飞行速度，VY为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的东轴上的飞行速度，V为智能终端得到的所述飞行器地速，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，为所述相对角度，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的距离，XT和YT分别为智能终端在所述NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
示例性的，还可以根据如下方式控制飞行器的垂直飞行速度：
H＝|ZT-ZF|；
其中，V为所述垂直飞行速度，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置。
另外，智能终端还可以将起飞、悬停、降落或返航的命令发送至所述机载飞控系统，相应控制所述飞行器起飞、悬停、降落或返航。
在一个实施例中，智能终端还可以将所述第二位置信息发送到所述机载飞控系统，所述机载飞控系统在所述飞行器与智能终端失联时，控制所述飞行器移动到最后一次接收到的第二位置信息对应的位置。
在一个实施例中，还可以计算所述第二位置信息与初始第二位置信息的差值；其中，所述初始第二位置信息为智能终端上次获取到的智能终端的位置信息；若所述差值大于预设的距离阈值，根据所述第一位置信息和所述第二位置信息计算所述飞行器的目标位置。
可以看出，本实施例提供的多旋翼飞行器的控制装置，根据飞行器与智能终端之间的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移矢量，根据所述位移矢量生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移矢量移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置，实现了飞行器的自动跟随。并且，在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。从而当被拍摄对象携带上述智能终端时，飞行器上安装的摄像装置可以自动跟随被拍摄者进行拍摄，避免了手动操控飞行器，不仅节约了拍摄成本，而且提高了拍摄效率。
与第二实施例的多旋翼飞行器的控制方法相对应地，本发明还提供一种多旋翼飞行器的控制装置，如图7所示，所述多旋翼飞行器的控制装置可包括：
位置获取装置210，用于接收机载飞控系统获取的飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息；
其中，智能终端可以是体感操控设备如体感操控器，或者可为智能手机、便携式电脑等具有通信、数据处理和定位功能的便携式电子设备。机载飞控系统和智能终端的定位功能可通过安装全球定位系统(Global Positioning System，GPS)软件等具有定位功能的软件实现。可以预设时间间隔，并每隔所述时间间隔获取一次第一位置信息以及第二位置信息。所述时间间隔可以根据实际需要设定。例如，可以根据智能终端的飞行速度来设定。当智能终端的飞行速度较小时，可以将所述时间间隔设定为一个较小的值，当智能终端的飞行速度较大时，可以将所述时间间隔设定为一个较大的值。也可以根据其他方式来获取。
第三计算装置220，用于根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
在跟随时，可以设定飞行器跟随智能终端时与智能终端的水平和垂直相对距离。例如，可以设定飞行器在相距智能终端的水平距离与垂直距离分别是1米和0.5米处跟随智能终端。上述1米和0.5米即为后续跟随过程中的期望距离，跟随的目标是使飞行器与智能终端之间的水平和垂直相对距离始终保持1米和0.5米不变。期望距离的示意图如图3所示。每次开机时，可以根据飞行器的经纬度和智能终端的经纬度计算所述水平相对距离、垂直相对距离和相对角度。在后续跟随过程中，可直接根据开机时计算得到的所述水平相对距离、垂直相对距离和相对角度执行跟随过程。
相对角度的示意图如图2所示。在图2中，若x轴表示NED坐标系中的东轴，y轴表示NED坐标系中的北轴，z轴表示NED坐标系中的下轴，O为原点，为飞行器与智能终端在NED坐标系中的位置矢量，为在NED坐标系中的xOy平面上的投影，则在xOy平面中所指的方向即为所述相对角度。在一个实施例中，如图2所示，该相对角度可以是东偏南80°。当然，该相对角度也可以是其他角度。具体数值可以根据实际需要设定。在跟随过程中，该相对角度保持不变。
由于使飞行器与智能终端之间的水平相对距离为D，且垂直相对距离为H的位置有无数个(即，与所述智能终端的垂直相对距离为H，半径为D的圆上的任意一点都满足)，通过设置该相对角度，可以唯一确定一个满足条件的目标位置，使飞行器移动到该目标位置的过程完全复制智能终端的移动过程。通过第三计算装置220计算出的目标位置、位移以及相对角度，可以使本发明的飞行器按照智能终端的移动轨迹来移动，即当智能终端往左移动1米时，飞行器也往左移动1米；智能终端往上移动1米时，飞行器也往上移动1米；智能终端位置不变时，飞行器位置也不变，且飞行器与智能终端的水平相对距离与垂直相对距离均保持不变。跟随过程示意图如图5所示，智能终端移动前的位置记为P1，智能终端移动后的位置记为P1’，飞行器当前的位置记为P2，飞行器的目标位置记为P2’，飞行器的目标位置与所述第一位置信息对应的位置所形成的位移记为智能终端移动前的位置与当前的第二位置信息对应的位置所形成的位移记为则与是相等的。
示例性的，所述目标位置应满足：
|ZT-ZF|＝H；
其中，(XF,YF,ZF)为目标位置的坐标，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的相对距离，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的相对距离，为所述相对角度，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
其中，所述相对角度可以根据所述机载飞控系统获取的飞行器的初始位置信息(XF0,YF0,ZF0)以及智能终端的初始位置信息(XT0,YT0，ZT0)计算得到，所述飞行器的初始位置信息以及智能终端的初始位置信息可以是系统开始运行之后第一次获取到的位置信息。在计算出相对角度之后，可以将该相对角度存储在系统中，并在后续控制过程中控制飞行器保持该相对角度移动。根据初始位置信息计算相对角度的方式为：
第二控制装置230，用于根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。所述俯仰角是使所述飞行器上的摄像装置的镜头始终朝向或者正对着智能终端的俯仰角。飞行器在向目标位置飞行过程中，可以不断调整所述俯仰角，使智能终端始终保持在摄像装置的拍摄画面中。在飞行器到达目标位置之后，可以将俯仰角调回到与初始状态相同的俯仰角。目标位置的俯仰角可以根据如下公式计算：
其中，H＝|ZT-ZF|；
式中，θ为所述俯仰角，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的相对距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的相对距离，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
智能终端获取到飞行器的位置信息后，还可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息，计算出飞行器应有的飞行速度，以保证飞行器始终能跟着智能终端飞行。
如当携带有智能终端的被拍摄对象在水平方向上移动时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度，并将该水平飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该水平飞行速度后，可以控制飞行器以该水平飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
又如，当携带有智能终端的被拍摄对象在垂直方向上移动如跳伞或吊威亚时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的垂直飞行速度，并将该垂直飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该垂直飞行速度后，可以控制飞行器以该垂直飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
再如，当携带有智能终端的被拍摄对象在水平方向和垂直方向上均有移动，如倾斜向上或倾斜向下移动时，智能终端可以根据飞行器的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度和垂直飞行速度，并将该水平飞行速度和垂直飞行速度发送给机载飞控系统。机载飞控系统接收到该水平飞行速度和垂直飞行速度后，可以控制飞行器以该水平飞行速度和垂直飞行速度飞行，使飞行器跟着的被拍摄对象飞行。
上述飞行器跟随被拍摄对象或者智能终端的情形，可以称之为跟随模式。
示例性的，可以根据如下方式控制飞行器的水平飞行速度：
其中，VX为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的北轴上的飞行速度，VY为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的东轴上的飞行速度，V为智能终端得到的所述飞行器地速，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，为所述相对角度，D为所述飞行器与智能终端在水平方向上的距离，XT和YT分别为智能终端在所述NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
示例性的，还可以根据如下方式控制飞行器的垂直飞行速度：
H＝|ZT-ZF|；
其中，V为所述垂直飞行速度，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，H为所述飞行器与智能终端在垂直方向上的距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置。
另外，智能终端还可以将起飞、悬停、降落或返航的命令发送至所述机载飞控系统，相应控制所述飞行器起飞、悬停、降落或返航。
在一个实施例中，智能终端还可以将所述第二位置信息发送到所述机载飞控系统，所述机载飞控系统在所述飞行器与智能终端失联时，控制所述飞行器移动到最后一次接收到的第二位置信息对应的位置。
在一个实施例中，还可以计算所述第二位置信息与初始第二位置信息的差值；其中，所述初始第二位置信息为智能终端上次获取到的智能终端的位置信息；若所述差值大于预设的距离阈值，根据所述第一位置信息和所述第二位置信息计算所述飞行器的目标位置。
可以看出，本实施例提供的多旋翼飞行器的控制装置，在终端发生移动时，根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移，根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置，实现了飞行器的自动跟随。并且，在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。从而当被拍摄对象携带上述智能终端时，飞行器上安装的摄像装置可以自动跟随被拍摄者进行拍摄，避免了手动操控飞行器，不仅节约了拍摄成本，而且提高了拍摄效率。
如图8所示，本发明还提供一种多旋翼飞行器的控制系统，所述控制系统可包括：机载飞控系统21和控制系统22；
所述控制系统22连接到所述机载飞控系统21，所述机载飞控系统21连接到飞行器；
所述机载飞控系统21用于获取飞行器23的第一位置信息，并将所述第一位置信息发送至所述控制系统22；
所述控制系统22用于获取智能终端24当前的第二位置信息，根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器23的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器23的位移，根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统21；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器23与智能终端24在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器23在水平面上的投影与智能终端24在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
所述机载飞控系统21还用于控制所述飞行器23以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器23上的摄像装置的镜头25在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
其中，控制系统22可以是体感操控设备如体感操控器，或者可为智能手机、便携式电脑等具有通信、数据处理和定位功能的便携式电子设备。机载飞控系统21和控制系统22的定位功能可通过安装全球定位系统(Global Positioning System，GPS)软件等具有定位功能的软件实现。可以预设时间间隔，并每隔所述时间间隔获取一次第一位置信息以及第二位置信息。所述时间间隔可以根据实际需要设定。例如，可以根据控制系统22的飞行速度来设定。当控制系统22的飞行速度较小时，可以将所述时间间隔设定为一个较小的值，当控制系统22的飞行速度较大时，可以将所述时间间隔设定为一个较大的值。也可以根据其他方式来获取。
在跟随时，可以设定飞行器跟随智能终端时与智能终端的水平和垂直相对距离。例如，可以设定飞行器在相距智能终端的水平距离与垂直距离分别是1米和0.5米处跟随智能终端。上述1米和0.5米即为后续跟随过程中的期望距离，跟随的目标是使飞行器与智能终端之间的水平和垂直相对距离始终保持1米和0.5米不变。期望距离的示意图如图3所示。每次开机时，可以根据飞行器的经纬度和智能终端的经纬度计算所述水平相对距离、垂直相对距离和相对角度。在后续跟随过程中，可直接根据开机时计算得到的所述水平相对距离、垂直相对距离和相对角度执行跟随过程。
相对角度的示意图如图2所示。在图2中，若x轴表示NED坐标系中的东轴，y轴表示NED坐标系中的北轴，z轴表示NED坐标系中的下轴，O为原点，为飞行器与智能终端在NED坐标系中的位置矢量，为在NED坐标系中的xOy平面上的投影，则在xOy平面中所指的方向即为所述相对角度。在一个实施例中，如图2所示，该相对角度可以是东偏南80°。当然，该相对角度也可以是其他角度。具体数值可以根据实际需要设定。在跟随过程中，该相对角度保持不变。
示例性的，所述目标位置应满足：
ZF＝ZT-H；
其中，(XF,YF,ZF)为目标位置的坐标，XT和YT分别为控制系统22在NED坐标系中的北轴和东轴位置，D为所述飞行器23与控制系统22在水平方向上的相对距离，H为所述飞行器23与控制系统22在垂直方向上的相对距离，为所述相对角度，ZT和ZF分别为控制系统22和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，XF和YF为所述飞行器23在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
其中，所述相对角度可以根据所述机载飞控系统21获取的飞行器的初始位置信息(XF0,YF0,ZF0)以及智能终端的初始位置信息(XT0,YT0，ZT0)计算得到，所述飞行器23的初始位置信息以及控制系统22的初始位置信息可以是系统开始运行之后第一次获取到的位置信息。在计算出相对角度之后，可以将该相对角度存储在系统中，并在后续控制过程中控制飞行器保持该相对角度移动。根据初始位置信息计算相对角度的方式为：
在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器23上安装的摄像装置25的俯仰角，使控制系统22保持在所述摄像装置的拍摄画面中。所述俯仰角是使所述飞行器23上的摄像装置25的镜头始终朝向或者正对着控制系统22的俯仰角。飞行器23在向目标位置飞行过程中，可以不断调整所述俯仰角，使控制系统22始终保持在摄像装置25的拍摄画面中。在飞行器到达目标位置之后，可以将俯仰角调回到与初始状态相同的俯仰角。目标位置的俯仰角可以根据如下公式计算：
其中，H＝|ZT-ZF|；
式中，θ为所述俯仰角，H为所述飞行器23与控制系统22在垂直方向上的相对距离，ZT和ZF分别为控制系统22和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，D为所述飞行器23与控制系统22在水平方向上的相对距离，XT和YT分别为控制系统22在NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器23在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
控制系统22获取到飞行器23的位置信息后，还可以根据飞行器23的位置信息及自身的位置信息，计算出飞行器应有的飞行速度，以保证飞行器23始终能跟着控制系统22飞行。
如当携带有控制系统22的被拍摄对象在水平方向上移动时，控制系统22可以根据飞行器23的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器应该具有的水平飞行速度，并将该水平飞行速度发送给机载飞控系统21。机载飞控系统21接收到该水平飞行速度后，可以控制飞行器23以该水平飞行速度飞行，使飞行器23跟着的被拍摄对象飞行。
又如，当携带有控制系统22的被拍摄对象在垂直方向上移动如跳伞或吊威亚时，控制系统22可以根据飞行器23的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器23应该具有的垂直飞行速度，并将该垂直飞行速度发送给机载飞控系统21。机载飞控系统21接收到该垂直飞行速度后，可以控制飞行器23以该垂直飞行速度飞行，使飞行器23跟着的被拍摄对象飞行。
再如，当携带有控制系统22的被拍摄对象在水平方向和垂直方向上均有移动，如倾斜向上或倾斜向下移动时，控制系统22可以根据飞行器23的位置信息及自身的位置信息计算出飞行器23应该具有的水平飞行速度和垂直飞行速度，并将该水平飞行速度和垂直飞行速度发送给机载飞控系统21。机载飞控系统21接收到该水平飞行速度和垂直飞行速度后，可以控制飞行器23以该水平飞行速度和垂直飞行速度飞行，使飞行器23跟着的被拍摄对象飞行。
上述飞行器跟随被拍摄对象或者智能终端的情形，可以称之为跟随模式。
示例性的，可以根据如下方式控制飞行器23的水平飞行速度：
其中，VX为所述控制系统22指示所述飞行器23在所述NED坐标系中的北轴上的飞行速度，VY为所述控制系统22指示所述飞行器23在所述NED坐标系中的东轴上的飞行速度，V为所述控制系统22得到的所述飞行器23的地速，Vm为所述控制系统22得到的所述飞行器23的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，为所述相对角度，D为所述飞行器23与所述控制系统22在水平方向上的距离，XT和YT分别为控制系统22在所述NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器23在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
示例性的，还可以根据如下方式控制飞行器23的垂直飞行速度：
H＝|ZT-ZF|；
其中，V为所述垂直飞行速度，Vm为所述控制系统22得到的所述飞行器23的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，H为所述飞行器23与所述智能终端在垂直方向上的距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置。
另外，控制系统22还可以将起飞、悬停、降落或返航的命令发送至所述机载飞控系统21，相应控制所述飞行器21起飞、悬停、降落或返航。
在一个实施例中，控制系统22还可以将所述第二位置信息发送到所述机载飞控系统21，所述机载飞控系统21在所述飞行器与控制系统22失联时，可以控制所述飞行器23移动到最后一次接收到的第二位置信息对应的位置。
在一个实施例中，控制系统22还可以计算所述第二位置信息与初始第二位置信息的差值；其中，所述初始第二位置信息为智能终端上次获取到的智能终端的位置信息；若所述差值大于预设的距离阈值，控制系统22可根据所述第一位置信息和所述第二位置信息计算所述飞行器的目标位置。
可以看出，本实施例提供的多旋翼飞行器的控制系统，在终端发生移动时，根据飞行器的第一位置信息以及终端当前的第二位置信息计算飞行器跟随拍摄需要调整的目标位置，生成并发送相应的控制系统至机载飞控系统，相应控制所述飞行器以预存的相对角度移动到所述目标位置，实现了飞行器的自动跟随。并且，在所述飞行器移动过程中，还可以调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使智能终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。从而当被拍摄对象携带上述智能终端时，飞行器上安装的摄像装置可以自动跟随被拍摄者进行拍摄，避免了手动操控飞行器，不仅节约了拍摄成本，而且提高了拍摄效率。
示例性的，上述多旋翼飞行器的控制装置还可包括通信中继设备26，用于增加所述机载飞控系统21和控制系统22之间的通信距离。例如，多旋翼飞行器23的控制系统可通过蓝牙通讯盒进行信号中继。无人机与蓝牙通讯盒可通过无线数传模块进行无线通讯，蓝牙通讯盒与控制系统22可通过蓝牙进行无线通讯，从而使无人机与智能手机在1km范围内保证可靠的通讯质量和速率。本发明不局限于使用该通信中继方式进行中继，这里只是解释说明，而非限制。
在一个实施例中，所述机载飞控系统21可包括：第一GPS模块211、微处理器212、无线数传模块213、航姿参考系统(Altitude Heading Reference System，简称AHRS)214和气压计215。
微处理器211可为单片机运行相关算法，通过GPS模块211、航姿参考系统214和气压计215获取自身的姿态和位置，以实现对机载飞控系统21所在的飞行器的飞行控制，如实现多旋翼无人机的姿态及位置控制，完成自主悬停或巡航飞行。
微处理器211还可通过无线数传模块213与控制系统22进行双向数据通信，得到控制系统22发送的控制指令。机载飞控系统21可以接收的控制指令包括但不限于：水平和竖直方向上的目标位置、水平和竖直方向上的目标速度、飞机的目标相对角度等姿态指令。机载飞控系统21还可以根据接收的控制指令控制无人机的姿态及位置等。
机载飞控系统21还可根据接收的控制指令，通过输出PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)信号控制摄像装置25的俯仰和/或横滚角转动，即控制摄像装置25的俯仰角和横滚角中的至少一个，从而控制摄像装置25的拍摄视野。
通信中继设备26可包括：无线数传模块261和蓝牙模块262。通信中继设备26可通过无线数传模块261与机载飞控系统21通信，通过蓝牙模块262与控制系统22通信，作为一个中继转发两者之间互相传输的数据。以在无人机和控制系统22之间建立稳定且长距离的通信链路。
所述控制系统22可包括：GPS模块221、控制模块222和蓝牙模块223。
其中，控制模块222可以是安装在控制系统22上的APP(应用程序)。该APP运行时可以通过GPS模块获取控制系统22的GPS定位信息，并通过蓝牙模块223与无人机进行数据通信，根据机载飞控系统21发送的无人机的位置信息及控制系统22的位置信息，通过运行跟随飞行算法得到相对角度及飞行速度，并发送给机载飞控系统21控制无人机的飞行和拍摄。
本发明通过多旋翼无人机飞控系统和运行相应App的智能终端的配合，实现了无人机全自主地跟随携带智能终端的用户飞行，并将摄像头对准用户所在区域。当用户携带该智能终端时，即可自动实现对自己的实时跟随航拍；当将该智能终端放置在车、船等上时，即可自动实现无人机的跟随巡航和拍摄。该发明可广泛应用于可用于娱乐、航拍、极限运动、监控、侦查等领域。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (16)
1.一种多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据飞行器的初始位置和智能终端的初始位置计算飞行器与智能终端的水平相对距离、垂直相对距离和相对角度；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
在智能终端移动过程中，执行以下步骤：
实时获取所述飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息，根据所述水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；
根据所述位移生成控制信息，并将所述控制信息发送至飞行器的机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
2.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，根据飞行器的初始位置和智能终端的初始位置计算飞行器与智能终端的相对角度步骤包括：
根据如下公式计算飞行器与智能终端的相对角度：
其中，为所述相对角度，XF0和YF0分别为飞行器的初始位置在NED坐标系中的北轴和东轴的坐标值，XT0和YT0分别为智能终端的初始位置在NED坐标系中的北轴和东轴的坐标值。
3.一种多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收机载飞控系统获取的飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息；
根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
4.根据权利要求3所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据如下公式算所述飞行器的目标位置：
<mrow>
<msqrt>
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
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<mi>T</mi>
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</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>=</mo>
<mi>D</mi>
<mo>;</mo>
</mrow>
|ZT-ZF|＝H；
其中，(XF,YF,ZF)为目标位置的坐标，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，D为所述水平相对距离，H为所述垂直相对距离，为所述相对角度，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
5.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，在控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置时，还包括以下步骤：
在所述飞行器移动过程中，调整所述飞行器上安装的摄像装置的俯仰角，使本终端保持在所述摄像装置的拍摄画面中。
6.根据权利要求5所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，在飞行器到达目标位置之后，还包括以下步骤：
根据如下公式调整所述摄像装置的俯仰角:
<mrow>
<mi>&theta;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>a</mi>
<mi> </mi>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<mi>H</mi>
<mi>D</mi>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，
式中，θ为所述俯仰角，H为所述垂直相对距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置，D为所述水平相对距离，XT和YT分别为智能终端在NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
7.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将起飞、悬停、降落或返航的命令发送至所述机载飞控系统，相应控制所述飞行器起飞、悬停、降落或返航。
8.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将所述第二位置信息发送到所述机载飞控系统，所述机载飞控系统在所述飞行器与智能终端失联时，控制所述飞行器移动到最后一次接收到的第二位置信息对应的位置。
9.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据如下公式控制所述飞行器的水平飞行速度：
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
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<msub>
<mi>V</mi>
<mi>m</mi>
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</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，VX为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的北轴上的飞行速度，VY为智能终端指示所述飞行器在所述NED坐标系中的东轴上的飞行速度，V为智能终端得到的所述飞行器地速，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，为所述相对角度，D为所述水平相对距离，XT和YT分别为智能终端在所述NED坐标系中的北轴和东轴位置，XF和YF为所述飞行器在北东下NED坐标系中的北轴和东轴位置。
10.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据如下公式控制所述飞行器的垂直飞行速度：
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
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<msub>
<mi>V</mi>
<mi>m</mi>
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<mn>0</mn>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>;</mo>
</mrow>
H＝|ZT-ZF|；
其中，V为所述垂直飞行速度，Vm为智能终端得到的所述飞行器的最大跟随速度，k为增益系数，d为死区半径，H为所述垂直相对距离，ZT和ZF分别为智能终端和所述目标位置在NED坐标系下的下轴位置。
11.根据权利要求5所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，所述俯仰角是使所述飞行器上的摄像装置的镜头始终朝向或者正对着智能终端的俯仰角。
12.根据权利要求3所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
计算所述第二位置信息与初始第二位置信息的差值；其中，所述初始第二位置信息为智能终端上次获取到的智能终端的位置信息；
若所述差值大于预设的距离阈值，根据所述第一位置信息和所述第二位置信息计算所述飞行器的目标位置。
13.一种多旋翼飞行器的控制装置，其特征在于，包括：
第一计算装置，用于根据飞行器的初始位置和智能终端的初始位置计算飞行器与智能终端的水平相对距离、垂直相对距离和相对角度；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
在智能终端移动过程中，执行以下装置的功能：
第二计算装置，用于实时获取所述飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息，根据所述水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；
第一控制装置，用于根据所述位移生成控制信息，并将所述控制信息发送至飞行器的机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
14.一种多旋翼飞行器的控制装置，其特征在于，包括：
位置获取装置，用于接收机载飞控系统获取的飞行器的第一位置信息，并获取智能终端的第二位置信息；
第三计算装置，用于根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
第二控制装置，用于根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统，控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
15.一种多旋翼飞行器的控制系统，其特征在于，包括：机载飞控系统和控制系统；
所述控制系统通过所述机载飞控系统连接到飞行器；
所述机载飞控系统用于获取飞行器的第一位置信息，并将所述第一位置信息发送至所述控制系统；
所述控制系统用于获取智能终端当前的第二位置信息，根据预设的水平相对距离、垂直相对距离、相对角度和所述第二位置信息计算飞行器的目标位置，根据所述第一位置信息和目标位置计算飞行器的位移，根据所述位移生成控制信息，将所述控制信息发送到所述机载飞控系统；其中，所述水平相对距离和垂直相对距离分别是所述飞行器与智能终端在水平方向和垂直方向上的期望距离，所述相对角度是所述飞行器在水平面上的投影与智能终端在水平面上的投影所形成的相对位置矢量在水平面上的角度；
所述机载飞控系统还用于控制所述飞行器以所述位移移动到所述目标位置，以使所述飞行器上的摄像装置的镜头在移动过程中始终朝向或者正对着所述智能终端所在的位置。
16.根据权利要求15所述的多旋翼飞行器的控制系统，其特征在于，还包括用于建立所述机载飞控系统和控制系统通信连接的通信中继设备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20171110 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |