CN108645403B - 一种基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统。它包括第一导航定位装置，用于获取被拍摄目标的实时位置并发送至控制模块；第一惯性姿态测量装置，用于获取被拍摄目标的姿态信息并发送至控制模块；第二导航定位装置，用于获取无人机的实时位置并发送至控制模块；第二惯性姿态测量装置，用于获取无人机的姿态信息并发送至控制模块；控制模块，用于根据设定的参数和接收的信息确定无人机跟拍被拍摄目标或终止工作；摄像头，安装于无人机上，用于获取被拍摄目标图像信息并发送至控制模块。本发明将卫星导航定位和姿态测量技术结合，应用于无人机自动跟拍系统，可以显著提高跟拍精度和效果，具有较大应用价值。

Description

一种基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统
技术领域
本发明属于目标动态跟拍技术领域，具体涉及一种基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统。
背景技术
在航拍领域，无人机拍摄以其成本小、机动灵活等优点而得到广泛应用，其中无人机自动跟拍模式对操作人员的技术要求低，适用于室外活动的自动记录监控。
目前无人机自动跟拍主要采用图像识别、超声波测距、GPS卫星导航定位的技术。图像识别技术难度大、针对不同类型的被拍摄目标需要有不同的识别模型，目前主要用于人像识别拍摄方面。超声波测距要求无人机与目标间无遮挡，在复杂环境易受干扰。GPS卫星导航定位技术定位系统单一，无人机和被拍摄目标的相对姿态问题无法解决。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，可实现无人机的姿态调整和对目标的自动跟拍。
本发明采用的技术方案是：一种基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，包括
第一导航定位装置，安装于被拍摄目标上，用于获取被拍摄目标的实时位置并发送至控制模块；
第一惯性姿态测量装置，安装于被拍摄目标上，用于获取被拍摄目标的姿态信息并发送至控制模块；
第二导航定位装置，安装于无人机上，用于获取无人机的实时位置并发送至控制模块；
第二惯性姿态测量装置，安装于无人机上，用于获取无人机的姿态信息并发送至控制模块；
控制模块，安装于无人机上，用于设定期望跟拍参数、允许误差参数，根据设定的期望跟拍参数、允许误差参数和接收的实时位置、姿态信息确定无人机跟拍被拍摄目标或终止工作；
摄像头，安装于无人机上，用于获取被拍摄目标图像信息并发送至控制模块。
进一步地，确定无人机跟拍被拍摄目标或终止工作的过程包括如下步骤：
步骤1，无人机跟拍被拍摄目标，控制模块接收被拍摄目标和无人机的实时位置、姿态信息，根据接收的信息确定被拍摄目标与无人机之间的实时相对信息；
步骤2，判断返航标志是否为1，若是则继续步骤5，若否则继续步骤3；
步骤3，判断无人机电量和工作时间，当无人机电量高于电量阈值且工作时间低于预设跟拍时间时，继续步骤4；当无人机电量低于电量阈值或工作时间高于预设跟拍时间时，返航标志置1并开始返航计时，继续步骤5；
步骤4，计算跟拍控制量，根据跟拍控制量与允许误差参数之间的关系判断无人机是否到达跟拍位置，
当无人机到达跟拍位置，判断返航标志是否为1，若是则无人机终止工作，若否则返回步骤1；
当无人机未到达跟拍位置，判断返航标志及返航计时时间，当返航标志为1且返航计时时间不小于设定值，则无人机终止工作；当返航标志不为1或返航计时时间小于设定值，则控制无人机向跟拍位置运动，返回步骤1；
步骤5，计算返航控制量，根据返航控制量与允许误差参数之间的关系判断无人机是否到达返航终点，
当无人机到达返航终点，判断返航标志是否为1，若是则无人机终止工作，若否则返回步骤1；
当无人机未到达返航终点，判断返航标志及返航计时时间，当返航标志为1且返航计时时间不小于设定值，则无人机终止工作；当返航标志不为1或返航计时时间小于设定值，则控制无人机向返航终点运动，返回步骤1。
进一步地，所述跟拍控制量包括跟拍高度控制量、跟拍方向控制量和跟拍距离控制量，所述允许误差参数包括允许水平夹角误差、允许相对距离误差和允许高度误差；
当跟拍高度控制量的绝对值不大于允许高度误差、跟拍方向控制量的绝对值不大于允许水平夹角误差和跟拍距离控制量的绝对值不大于允许相对距离误差时，判断无人机到达跟拍位置；当跟拍高度控制量的绝对值大于允许高度误差或跟拍方向控制量的绝对值大于允许水平夹角误差或跟拍距离控制量的绝对值大于允许相对距离误差时，判断无人机未到达跟拍位置。
进一步地，所述实时相对信息包括实时高度差、实时水平夹角和实时相对距离，所述期望跟拍参数包括预设水平夹角、预设距离和预设高度；
所述跟拍高度控制量＝预设高度－实时高度差；
所述跟拍方向控制量＝预设水平夹角－实时水平夹角；
所述跟拍距离控制量＝预设距离－实时相对距离。
进一步地，所述返航控制量包括返航高度控制量、返航方向控制量和返航距离控制量，所述允许误差参数包括允许水平夹角误差、允许相对距离误差和允许高度误差；
当返航高度控制量的绝对值不大于允许高度误差、返航方向控制量的绝对值不大于允许水平夹角误差和返航距离控制量的绝对值不大于允许相对距离误差时，判断无人机到达返航终点；当返航高度控制量的绝对值大于允许高度误差或返航方向控制量的绝对值大于允许水平夹角误差或返航距离控制量的绝对值大于允许相对距离误差时，判断无人机未到达返航终点。
进一步地，所述实时相对信息包括实时高度差、实时水平夹角和实时相对距离；
所述返航高度控制量＝0－实时高度差；
所述返航方向控制量＝0－实时水平夹角；
所述返航距离控制量＝0－实时相对距离。
进一步地，所述第一导航定位装置和第二导航定位装置为北斗、GPS或GLONASS卫星导航定位装置。
更进一步地，所述被拍摄目标为移动的人、机器或车辆。
本发明将卫星导航定位和姿态测量技术结合，应用于无人机自动跟拍系统，通过控制模块对获取的位置、姿态信息进行处理能够控制无人机保持预定的跟拍距离及姿态，可以显著提高跟拍精度和效果，具有较大应用价值。
附图说明
图1为本发明系统的原理示意图。
图2为本发明跟拍的示意图。
图3为本发明的控制流程图。
图中：1-被拍摄目标；2-无人机；3-第一导航定位装置；4-第一惯性姿态测量装置；5-第二导航定位装置；6-第二惯性姿态测量装置；7-控制模块；8-摄像头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，本发明的实施方式并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围
如图1、图2所示，本发明包括
第一导航定位装置3，安装于被拍摄目标1上，用于获取被拍摄目标1的实时位置并发送至控制模块7；被拍摄目标1为移动的人、机器或车辆。
第一惯性姿态测量装置4，安装于被拍摄目标1上，用于获取被拍摄目标1的姿态信息并发送至控制模块7；第一导航定位装置3和第一惯性姿态测量装置4安装在被拍摄目标1的同一固定位置，以该位置为原点O建立本地直角坐标系，x轴指向目标正前方，z轴沿当地垂线且向上为正，y轴指向与x、z轴符合右手定则，即被拍摄目标1的左侧。跟拍被拍摄目标1前，可以使无人机2位x轴反向延长线上，摄像头8正对被拍摄目标1，使用第一惯性姿态测量装置和第二惯性姿态测量装置标定被拍摄目标1和无人机2的姿态信息。
第二导航定位装置5，安装于无人机2上，用于获取无人机2的实时位置并发送至控制模块7；第一导航定位装置3和第二导航定位装置5为可以北斗、GPS或GLONASS卫星导航定位装置。
第二惯性姿态测量装置6，安装于无人机2上，用于获取无人机2的姿态信息并发送至控制模块7；
控制模块7，安装于无人机2上，用于设定期望跟拍参数、允许误差参数，根据设定的期望跟拍参数、允许误差参数和接收的实时位置、姿态信息确定无人机跟拍被拍摄目标或返航终止工作；
摄像头8，安装于无人机2上，用于获取被拍摄目标1的图像信息并发送至控制模块7。
上述方案中，确定无人机跟拍被拍摄目标或终止工作的过程如图3所示，包括如下步骤：
步骤1，控制模块初始化(无人机姿态信息置零、返航标志置0、检测确认各模块可以正常工作)。
步骤2，设定期望跟拍参数和允许误差参数，期望跟拍参数包括无人机相对于被拍摄目标的跟拍水平夹角(即预设水平夹角)、无人机与被拍摄目标的距离(即预设距离)、无人机相对于被拍摄目标的高度(即预设高度)、无人机电量阈值和无人机预设跟拍时间，允许误差参数包括允许水平夹角误差、允许相对距离误差和允许高度误差。
步骤3，无人机跟拍被拍摄目标，控制模块接收被拍摄目标和无人机的实时位置、姿态信息，根据接收的实时位置、姿态信息确定被拍摄目标与无人机之间的实时相对信息，实时相对信息的确定为现有技术，实时相对信息包括实时高度差、实时水平夹角和实时相对距离。
步骤4，判断返航标志是否为1，若是则继续步骤7，若否则继续步骤5。
步骤5，判断无人机电量和工作时间，当无人机电量高于电量阈值且工作时间低于预设跟拍时间时，继续步骤6；当无人机电量低于电量阈值或工作时间高于预设跟拍时间时，返航标志置1并开始返航计时，继续步骤7。
步骤6，跟拍的过程：
6.1、计算跟拍控制量，跟拍控制量包括跟拍高度控制量、跟拍方向控制量和跟拍距离控制量，所述跟拍高度控制量＝预设高度－实时高度差；所述跟拍方向控制量＝预设水平夹角－实时水平夹角；所述跟拍距离控制量＝预设距离－实时相对距离。
6.2、根据跟拍控制量与允许误差参数之间的关系判断无人机是否到达跟拍位置，当跟拍高度控制量的绝对值不大于允许高度误差、跟拍方向控制量的绝对值不大于允许水平夹角误差和跟拍距离控制量的绝对值不大于允许相对距离误差时，判断无人机到达跟拍位置；当跟拍高度控制量的绝对值大于允许高度误差或跟拍方向控制量的绝对值大于允许水平夹角误差或跟拍距离控制量的绝对值大于允许相对距离误差时，判断无人机未到达跟拍位置。
6.3、当无人机到达跟拍位置，判断返航标志是否为1，若是则无人机终止工作，若否则返回步骤3；
6.4、当无人机未到达跟拍位置，判断返航标志及返航计时时间，当返航标志为1且返航计时时间不小于设定值，则无人机终止工作；当返航标志不为1或返航计时时间小于设定值，则控制无人机向跟拍位置运动，返回步骤3。
步骤7，返航的过程(无人机到达被拍摄目标的坐标位置即表示返航完成)：
7.1、计算返航控制量，返航控制量包括返航高度控制量、返航方向控制量和返航距离控制量，所述返航高度控制量＝0－实时高度差；所述返航方向控制量＝0－实时水平夹角；所述返航距离控制量＝0－实时相对距离；0表示无人机相对被拍摄目标的高度/水平夹角/距离为0，即无人机与被拍摄目标坐标重合。
7.2根据返航控制量与允许误差参数之间的关系判断无人机是否到达返航终点(即被拍摄目标的坐标位置)，当返航高度控制量的绝对值不大于允许高度误差、返航方向控制量的绝对值不大于允许水平夹角误差和返航距离控制量的绝对值不大于允许相对距离误差时，判断无人机到达返航终点；当返航高度控制量的绝对值大于允许高度误差或返航方向控制量的绝对值大于允许水平夹角误差或返航距离控制量的绝对值大于允许相对距离误差时，判断无人机未到达返航终点(即无人机还未到达被拍摄目标的坐标位置)；
7.3、当无人机到达返航终点，判断返航标志是否为1，若是则表示返航完成，无人机终止工作，若否则返回步骤3；
7.4、当无人机未到达返航终点，判断返航标志及返航计时时间，当返航标志为1且返航计时时间不小于设定值，则无人机终止工作；当返航标志不为1或返航计时时间小于设定值，则控制无人机向返航终点运动(即以被拍摄目标1为返航终点，控制无人机2返航)，返回步骤3。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，其特征在于：包括
第一导航定位装置，安装于被拍摄目标上，用于获取被拍摄目标的实时位置并发送至控制模块；
第一惯性姿态测量装置，安装于被拍摄目标上，用于获取被拍摄目标的姿态信息并发送至控制模块；
第二导航定位装置，安装于无人机上，用于获取无人机的实时位置并发送至控制模块；
第二惯性姿态测量装置，安装于无人机上，用于获取无人机的姿态信息并发送至控制模块；
控制模块，安装于无人机上，用于设定期望跟拍参数、允许误差参数，根据设定的期望跟拍参数、允许误差参数和接收的实时位置、姿态信息确定无人机跟拍被拍摄目标或终止工作；
摄像头，安装于无人机上，用于获取被拍摄目标图像信息并发送至控制模块；
确定无人机跟拍被拍摄目标或终止工作的过程包括如下步骤：
步骤1，无人机跟拍被拍摄目标，控制模块接收被拍摄目标和无人机的实时位置、姿态信息，根据接收的信息确定被拍摄目标与无人机之间的实时相对信息；
步骤2，判断返航标志是否为1，若是则继续步骤5，若否则继续步骤3；
步骤3，判断无人机电量和工作时间，当无人机电量高于电量阈值且工作时间低于预设跟拍时间时，继续步骤4；当无人机电量低于电量阈值或工作时间高于预设跟拍时间时，返航标志置1并开始返航计时，继续步骤5；
步骤4，计算跟拍控制量，根据跟拍控制量与允许误差参数之间的关系判断无人机是否到达跟拍位置，
当无人机到达跟拍位置，判断返航标志是否为1，若是则无人机终止工作，若否则返回步骤1；
当无人机未到达跟拍位置，判断返航标志及返航计时时间，当返航标志为1且返航计时时间不小于设定值，则无人机终止工作；当返航标志不为1或返航计时时间小于设定值，则控制无人机向跟拍位置运动，返回步骤1；
步骤5，计算返航控制量，根据返航控制量与允许误差参数之间的关系判断无人机是否到达返航终点，
当无人机到达返航终点，判断返航标志是否为1，若是则无人机终止工作，若否则返回步骤1；
当无人机未到达返航终点，判断返航标志及返航计时时间，当返航标志为1且返航计时时间不小于设定值，则无人机终止工作；当返航标志不为1或返航计时时间小于设定值，则控制无人机向返航终点运动，返回步骤1。
2.根据权利要求1所述的基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，其特征在于：所述跟拍控制量包括跟拍高度控制量、跟拍方向控制量和跟拍距离控制量，所述允许误差参数包括允许水平夹角误差、允许相对距离误差和允许高度误差；
当跟拍高度控制量的绝对值不大于允许高度误差、跟拍方向控制量的绝对值不大于允许水平夹角误差和跟拍距离控制量的绝对值不大于允许相对距离误差时，判断无人机到达跟拍位置；当跟拍高度控制量的绝对值大于允许高度误差或跟拍方向控制量的绝对值大于允许水平夹角误差或跟拍距离控制量的绝对值大于允许相对距离误差时，判断无人机未到达跟拍位置。
3.根据权利要求1或2所述的基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，其特征在于：所述实时相对信息包括实时高度差、实时水平夹角和实时相对距离，所述期望跟拍参数包括预设水平夹角、预设距离和预设高度；
跟拍高度控制量=预设高度－实时高度差；
跟拍方向控制量=预设水平夹角－实时水平夹角；
跟拍距离控制量=预设距离－实时相对距离。
4.根据权利要求1所述的基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，其特征在于：所述返航控制量包括返航高度控制量、返航方向控制量和返航距离控制量，所述允许误差参数包括允许水平夹角误差、允许相对距离误差和允许高度误差；
当返航高度控制量的绝对值不大于允许高度误差、返航方向控制量的绝对值不大于允许水平夹角误差和返航距离控制量的绝对值不大于允许相对距离误差时，判断无人机到达返航终点；当返航高度控制量的绝对值大于允许高度误差或返航方向控制量的绝对值大于允许水平夹角误差或返航距离控制量的绝对值大于允许相对距离误差时，判断无人机未到达返航终点。
5.根据权利要求1或4所述的基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，其特征在于：所述实时相对信息包括实时高度差、实时水平夹角和实时相对距离；
返航高度控制量=0－实时高度差；
返航方向控制量=0－实时水平夹角；
返航距离控制量=0－实时相对距离。
6.根据权利要求1所述的基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，其特征在于：所述第一导航定位装置和第二导航定位装置为北斗、GPS或GLONASS卫星导航定位装置。
7.根据权利要求1所述的基于卫星导航及姿态测量的无人机自动跟拍系统，其特征在于：所述被拍摄目标为移动的人、机器或车辆。
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