CN108132677B

CN108132677B - 一种遮阳无人机控制系统和控制方法

Info

Publication number: CN108132677B
Application number: CN201711466103.7A
Authority: CN
Inventors: 何佳林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: CN108132677A; WO2019129170A1

Abstract

本发明涉及一种遮阳无人机控制系统和控制方法，该系统包括无人机本体、设于无人机本体上的遮阳部件、设于无人机本体上的图像采集单元、图像处理单元和控制单元，图像采集单元设于支撑装置上，承载图像采集单元进行转动。本发明解决遮阳问题，解放了双手；使用图像识别极大提高定位精度，使定位精度趋近于零；减少了使用者的负担，也避免了穿戴设备脱落带来的定位错误。

Description

一种遮阳无人机控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及一种无人机控制系统，尤其是一种遮阳无人机控制系统，还涉及其控制方法。

背景技术

人们在阳光下户外活动，希望避免阳光直射带来的不便，传统方法可以通过手持遮阳伞来解决，近年来随着无人机技术的发展，使用领域不断扩大，不少人希望设计出希望可以自动遮挡阳光的无人机，但是还没有较为成熟的方法和实际应用。这主要是由于控制无人机在自动飞行条件下，飞行于使用者和阳光入射光线之间的定位方法一直是一个难点。

当前提出的定位方法尝试使用GPS、光敏传感器等方法来解决这一问题，但上述手段均存在定位精度不高的缺陷。

发明内容

为了解决上述问题，本申请第一目的在于提供一种遮阳无人机控制系统，第二目的在于提供一种遮阳无人机控制方法，本发明基于图像识别进行无人机定位，可提高定位精度、可靠性和便利性。

本发明的具体方案如下：

一种遮阳无人机控制系统，其特征在于：包括无人机本体、设于无人机本体上的遮阳部件、设于无人机本体上的图像采集单元、图像处理单元和控制单元，图像采集单元设于支撑装置上，承载图像采集单元进行转动；其中，

图像采集单元，实时采集遮阳部件在地面的投影和使用者参照位置；

图像处理单元，识别出采集遮阳部件在地面的投影和使用者参照位置，并将两者位置信息传至控制单元、支撑装置和图像采集单元；

控制单元，根据投影和使用者参照位置解算出两者的相对位置，控制无人机本体的运动。

进一步地，图像采集单元为摄像头，支撑装置为摄像头云台。

进一步地，控制单元为飞行控制器，图像处理单元为图像识别芯片，飞行控制器通过无人机本体中的电子调速器和无刷电动机控制无人机运动。

本发明涉及的遮阳无人机控制方法，包括如下步骤：

步骤（1）、控制无人机本体飞至使用者上方适当位置；

步骤（2）、无人机本体下方的图像采集单元启动，初始状态下垂直采集地面图像，使得遮阳部件的投影和使用者参照位置在图像范围内；

步骤（3）、位置校准，使得遮阳部件的投影中心位于采集的图像中心；

步骤（4）、控制单元根据图像处理单元的结果控制无人机本体水平偏转，使得无人机本体前后运动方向与摄像头方向一致；

步骤（5）、图像处理单元识别出使用者头部位置，并将使用者参照位置数据传至控制单元，控制单元根据采集遮阳部件在地面的投影与使用者参照位置控制无人机本体运动，直至图像处理单元识别出使用者参照位置与遮阳部件在地面的投影重合；

步骤（6）、图像处理单元识别出使用者参照位置与遮阳部件在地面的投影重合时，控制单元控制无人机本体悬停于所需的遮阳位置；

步骤（7）、太阳和使用者不断变换位置，图像采集单元实时采集使用者参照位置和遮阳部件的投影位置，控制单元调节根据图像采集单元和图像处理单元的结果控制无人机本体运动，使得使用者参照位置与遮阳部件在地面的投影始终重合，实现自动遮阳。

进一步地，步骤（5）中，无人机本体控制单元根据采集遮阳部件在地面的投影与使用者头部位置控制无人机本体运动，直至图像处理单元识别出使用者参照位置中心与遮阳部件在地面的投影中心重合。

进一步地，步骤（1）中，控制无人机本体飞至使用者上方，使得无人机本体下方的遮阳部件的投影在使用者参照位置附近。

进一步地，步骤（3）中，图像采集单元持续将图像数据传至图像处理单元，图像处理单元识别出遮阳部件的投影并将具体位置传至支撑装置，支撑装置控制图像采集单元转动，使其正对遮阳部件的投影中心，使得遮阳部件的投影中心位于采集的图像中心。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）、解决遮阳问题，解放了双手。

（2）、通过建立两个参照物的坐标系，使用图像识别确定两者参照物的坐标信息，极大提高定位精度，使定位精度趋近于零。

（3）、基本构造下，只需要一个摄像头采集的信息，相对现有方法需要多种传感器或者数据源，可靠性得到了提高。

（4）、不需要使用者穿戴对应传感器的设备，减少了使用者的负担，也避免了穿戴设备脱落带来的定位错误。

附图说明

图1为本发明使用的带遮阳板的无人机的结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为本发明的遮阳无人机控制系统的结构框图；

图4为使用者与带遮阳板的无人机的投影的位置关系图；

图5为初始状态下带遮阳板的无人机及其投影与使用者头部的位置关系图；

图6为初始状态下采集的无人机投影与使用者头部的位置关系图；

图7为校正位置后带遮阳板的无人机及其投影与使用者头部的位置关系图；

图8为校正位置后采集的无人机投影与使用者头部的位置关系图；

图9为调整过程中带遮阳板的无人机及其投影与使用者头部的位置关系图；

图10为调整过程中采集的无人机投影与使用者头部的位置关系图；

图11为最终状态下带遮阳板的无人机及其投影与使用者头部的位置关系图；

图12为最终状态下采集的无人机投影与使用者头部的位置关系图；

其中：1-飞行器的遮阳板，2-摄像头，3-飞行器本体，4-阳光，5-使用者头部，6-飞行器的遮阳板的投影，7-摄像头拍摄的图像，8-摄像头拍摄图像中使用者头部，9-拍摄图像中飞行器的遮阳板的投影，图5、7、9、11中，N为北。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本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对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

实际设计中考虑到图像识别稳定性及图像识别精度，以及实际遮阳部位的需要，对使用者特征的选取可以是身体的全部或某一部分特征。只要对能通过比较使用者特征图像和地面阴影图像来定位无人机的位置，达到遮阳效果即可，本实施例以使用者头部为参照位置。

如图1-3所示，本实施例的遮阳无人机控制系统，包括无人机本体3、设于无人机本体3下方的遮阳板1、设于无人机本体3下方的摄像头2、图像识别芯片和飞行控制器，摄像头2设于云台上，承载摄像头2进行转动；飞行控制器通过无人机本体中的电子调速器和无刷电动机控制无人机运动。还可以设置遥控器，遥控器通过遥控器接收机控制飞行控制器。

其中，摄像头2实时采集遮阳部件在地面的投影和使用者头部位置；图像识别芯片识别出遮阳部件在地面的投影和使用者头部位置，并将两者位置信息传至飞行控制器和云台及摄像头；飞行控制器根据投影中心和使用者头部位置中心的坐标信息解算出两者的相对位置，控制无人机本体运动。

图像识别芯片选用Movidius Myriad 2图像识别芯片，飞行控制器可通过遥控器在人工和自动模式之间切换。摄像头数据传输至图像识别芯片，图像识别芯片对目标进行识别，并将数据分别传输至飞行控制器和云台及摄像头。飞行控制器通过电子调速器控制无刷电动机，达到控制无人机飞行状态的目的。

无人机本体可以是现有的四轴或多旋翼无人无人机，本例中遮阳板为圆形，遮阳板投影阴影为圆形。实际应用中考虑到气动性能，遮阳效果需要，以及遮阳板和摄像头的相对位置关系，故遮阳板有多种形状的设计，相应的地面投影同时也可以是其他形状。

下面通过四轴无人机搭载正圆形遮阳板，这一具体实施方式做出说明，当这种结构的无人机在空中飞行时，其空间阴影区域为一个斜圆柱体。无人机的自动飞行位置就是使得这个斜圆柱体尽量和使用者重合头部5投影，如图4所示。

如图4所示，本实施例中，无人机遮阳板在地面产生投影6，投影6与无人机的水平距离为1.6米。

本实施例的控制方法，包括如下步骤：

步骤（1）、使用者在人工模式下操纵无人机起飞并飞至使用者上方20米高度，使得无人机遮阳板的地面投影6在使用者附近。

步骤（2）、摄像头启动，初始状态下摄像机垂直拍摄地面图像。本例中阳光4入射方向为正西南方向，无人机遮阳板在地面相对无人机45°方位角，1.6米处产生一个投影。如图5所示，以无人机为中心，无人机与其投影6中心设为Y轴，垂直于Y轴设置为X轴，建立地面坐标系。无人机前后飞行方向为X1轴，无人机左右飞行方向为Y1轴，图5中，X1轴与X轴夹角为100°。

步骤（3）、使用者通过遥控器切换至自动模式，摄像头持续拍摄图像数据传至图像识别芯片。图像识别芯片运行CAFFE识别出无人机的地面投影，并将地面投影数据回传至摄像头云台，摄像头云台控制摄像头转动并正对地面投影中心拍摄，即地面投影6中心位于拍摄图像7中心。

摄像头所拍摄图像7如图6所示。图6示出摄像头拍摄图像中使用者头部8和飞行器的遮阳板的投影9的相对位置，图像水平方向为X2轴，竖直方向为Y2轴，X2轴与Y2轴交点位于图像中心，地面投影6中心位于图像中心处。

步骤（4）、摄像头将地面投影数据传输至飞行控制器。飞行控制器控制无人机在平面上顺时针偏转100°，使得无人机前后运动的Y1轴与摄像头的方向一致。这样即达到无人机前后运动Y1轴和左右运动X1轴与摄像机图像上下Y2轴和左右X2轴方向性一致。如图7所示，无人机中心坐标为（0m，0m），无人机阴影中心坐标为（0m，1.6m），使用者头部中心坐标为（0.3m，0.86m）。摄像头所拍摄图像如图8所示。

步骤（5）、图像识别芯片运行CAFFE识别出使用者头部，得出其中心位置位于（300，-600）像素位置处，并将使用者头部中心位置数据传至飞行控制器。当图片中使用者图像在X2轴正值区域内，无人机向X1轴正方向移动；当图片中使用者图像在X2轴负值区域内，无人机向X1轴负方向移动。当图片中使用者图像在Y2轴正值区域内，无人机向Y1轴正方向移动；当图片中使用者图像在Y2轴负值区域内，无人机向Y1轴负方向移动。本例中，飞行控制器控制无人机朝X1轴正值的方向飞行，朝Y1轴负值的方向飞行。

步骤（6）、当图像处理单元识别出图像中使用者头部中心和采集图像的Y2轴重合时，将数据传至飞行控制器，飞行控制器控制无人机在X1轴方向上的运动停止，如图9-10所示，图9中，无人机中心坐标为（0.3m，-0.3m)，无人机阴影中心坐标为（0.3m，1.3m)，使用者头部中心坐标为（0.3m，0.86m)。摄像头拍摄图像如图10所示，图10中，图片中使用者头部中心位置位于（0，-300）像素位置处。

当图像处理单元识别出使用者头部图像和采集图像X2轴重合时，将数据传至飞行控制器，飞行控制器控制无人机在Y1轴方向上的运动停止。

此刻，无人机在两个方向的运动都停止时，如图11所示，其中无人机中心坐标为（0.3m，-0.6m)，无人机阴影中心坐标为（0.3m，1m）,使用者头部中心坐标为（0.3m,0.86m)。摄像头中图像如图12所示，其中，地面阴影中心、使用者头部中心和拍摄图像中心三点重合。此时无人机悬停于所需的遮阳位置。

步骤（7）、太阳和使用者不断变换位置，持续重复步骤（2）至步骤（5），达到实时自动飞行于所需的遮阳位置。

步骤（8）、使用者不再需要遮阳功能时，切换至人工模式，人工控制无人机飞行和降落。

实际设计中考虑到图像识别稳定性及图像识别精度，以及实际遮阳部位的需要，对使用者特征的选取可以是身体的全部或某一部分特征。只要应用本专利中对通过比较使用者特征图像和地面阴影图像来定位无人机的位置，均在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种遮阳无人机控制系统，其特征在于：包括无人机本体、设于无人机本体上的遮阳部件、设于无人机本体上的图像采集单元、图像处理单元和控制单元，图像采集单元设于支撑装置上，承载图像采集单元进行转动；其中，

图像处理单元，识别出遮阳部件在地面的投影和使用者参照位置，并将两者位置信息传至控制单元、支撑装置和图像采集单元；

控制单元，根据图像处理单元识别出遮阳部件在地面的投影与使用者参照位置控制无人机本体运动，直至图像处理单元识别出使用者参照位置与遮阳部件在地面的投影重合。

2.根据权利要求1的遮阳无人机控制系统，其特征在于：图像采集单元为摄像头，支撑装置为摄像头云台。

3.根据权利要求1的遮阳无人机控制系统，其特征在于：控制单元为飞行控制器，图像处理单元为图像识别芯片，飞行控制器通过无人机本体中的电子调速器和无刷电动机控制无人机运动。

4.一种遮阳无人机控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1）、控制无人机本体飞至使用者上方适当位置；

5.根据权利要求4所述的遮阳无人机控制方法，其特征在于：步骤（5）中，无人机本体控制单元根据采集遮阳部件在地面的投影与使用者头部位置控制无人机本体运动，直至图像处理单元识别出使用者参照位置中心与遮阳部件在地面的投影中心重合。

6.根据权利要求4所述的遮阳无人机控制方法，其特征在于：步骤（1）中，控制无人机本体飞至使用者上方，使得无人机本体下方的遮阳部件的投影在使用者参照位置附近。

7.根据权利要求4所述的遮阳无人机控制方法，其特征在于：步骤（3）中，图像采集单元持续将图像数据传至图像处理单元，图像处理单元识别出遮阳部件的投影并将具体位置传至支撑装置，支撑装置控制图像采集单元转动，使其正对遮阳部件的投影中心，使得遮阳部件的投影中心位于采集的图像中心。