CN110525650B - 无人机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种无人机的控制方法，包括，接收目标在图像中的位置，获取所述无人机相对地面的第一高度，以及根据所述目标在图像中的位置及所述第一高度控制所述无人机飞行。

Description

无人机及其控制方法
本申请是申请号为201680004731.0，申请日为2016年12月22日，发明名称为无人机及其控制方法的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种无人机，且特别涉及一种具有自主飞行功能的无人机。
背景技术
传统的无人机操作需要遥控器控制，这是一种人工的控制方式。如果要实现无人机自主飞行，脱离遥控器控制，就需要实现一套将任务或者目标转化为控制指令的技术，来指导或控制无人机到达指定区域或持续飞行。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种具有自主飞行功能的无人机，能够在脱离用户控制的情况下实现自主飞行。
本发明一方面提供了一种无人机控制方法，所述方法包括，接收目标在图像中的位置，获取所述无人机相对地面的第一高度，以及根据所述目标在图像中的位置及所述第一高度控制所述无人机飞行。
本发明另一发明提供了一种无人机，所述无人机包括，传感器，用于获取所述无人机相对地面的第一高度，处理器，用于接收目标在图像中的位置，以及根据所述目标在图像中的位置及所述第一高度控制所述无人机飞行。
在一些实施例中，所述无人机还包括存储器，所述存储器用于存储预置的参考高度。
在一些实施例中，所述处理器还用于，获取所述预置的参考高度，以及根据所述预置的参考高度、所述第一高度及所述目标在图像中的位置，控制所述无人机飞行。
在一些实施例中，所述处理器还用于，根据所述目标在图像中的位置计算所述目标在地面上对应的位置，根据所述预置的参考高度分析所述第一高度，控制所述无人机飞行至所述预置的参考高度，以及控制所述无人机沿所述预置的参考高度飞行。
在一些实施例中，所述处理器还用于，根据所述目标在图像中的位置计算所述目标在地面上对应的位置，根据所述预置的参考高度分析所述第一高度，以及控制所述无人机沿所述第一高度飞行至所述目标在地面上对应的位置的上方并悬停。
在一些实施例中，所述传感器包括超声传感器、TOF传感器、气压计、红外传感器、微波传感器、近距离传感器中的至少一种。
附图说明
为了更清楚地说明本披露实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本披露的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1位本发明实施例提供的无人机的结构示意图；
图2位本发明实施例提供的无人机底部的结构示意图；
图3位本发明实施例提供的无人机的模块示意图；
图4位本发明实施例提供的无人机控制方法流程图；
图5为本发明实施例提供的无人机计算目标位置的示意图；
图6为本发明提供的无人机飞行路径实施例一的示意图；
图7为本发明提供的无人机飞行路径实施例二的示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本发明的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，图1为本发明实施例提供的无人机结构示意图。无人机100可以包括机身110，所述机身110包括中央部分111以及至少一个外部部分112。在图1所示的实施例中，所述机身110包括四个外部部分112(如机臂113)。所述四个外部部分112分别从所述中央部分111延伸出来。在其他实施例中，所述机身110可以包含任意数量的外部部分112(如6个、8个等)。在任何上述实施例中，每个所述外部部分112可以承载一个推进系统120，所述推进系统120可以驱动所述无人机100运动(如爬升、降落、水平移动等)。例如：所述机臂113可以承载对应的电机121，所述电机121可以驱动对应的螺旋桨转动。所述无人机100可以控制任意一组电机121及其对应的螺旋桨122，而不受其余的电机121及其对应的螺旋桨影响。
所述机身110可以携带一个负载130，例如：成像装置131。在一些实施例中，所述成像装置131可以包括一个摄像头，例如：可以拍摄所述无人机周围的图像、视频等。所述摄像头光敏于各种波长的光线，包括但不限于可见光、紫外线、红外线或其中的任意组合。在一些实施例中，所述负载130可以包括其他种类的传感器。在一些实施例中，所述负载130通过云台150与所述机身110连接在一起，使得所述负载130可以相对于所述机身110运动。例如：当所述负载130携带成像装置131时，所述成像装置131可以相对于机身110运动以拍摄所述无人机100周围的图像、视频等。如图所示，当无人机100位于地面时，起落架114可以支撑无人机100以保护所述负载130。
在一些实施例中，所述无人机100可以包括控制系统140，所述控制系统140包括置于所述无人机100的组件以及与所述无人机100分离的组件。例如，所述控制系统140可以包括一个置于所述无人机100上的第一控制器141，以及一个远离所述无人机100并通过通信链路160(如无线链路)与所述第一控制器141连接的第二控制器142。所述第一控制器141可以包括至少一个处理器、存储器、以及机载计算机可读介质143a，所述机载计算机可读介质143a可以存储用于控制无人机100行为的程序指令，所述行为包括但不限于所述推进系统120及所述成像装置131的操作，控制所述无人机进行自动降落等。所述计算可读介质143a也可用于存储所述无人机100的状态信息，如高度、速度、位置、预置的参考高度等。所述第二控制器142可以包括至少一个处理器、存储器、机外计算机可读介质143b，以及至少一个输入输出装置148，例如：显示装置144及控制装置145。所述无人机100的操作者可以通过所述控制装置145远程控制所述无人机100，并通过所述显示装置144和/或其他装置接收来自所述无人机100的反馈信息。在其他实施例中，所述无人机100可以自主运作，此时所述第二控制器142可以被省去，或者所述第二控制器142可以仅被用来使无人机操作者重写用于无人机飞行的函数。所述机载计算机可读介质143a可以被移出于所述无人机100。所述机外计算接可读介质143b可以被移出于所述第二控制器142。
在一些实施例中，所述无人机100可以包括两个前视摄像头171和172，所述前视摄像头171和172光敏于各种波长的光线(如可见光、红外光、紫外线)用于拍摄所述无人机周围的图像或视频。在一些实施例中，所述无人机100包括置于底部的至少一个传感器。
图2是本发明实施例提供的无人机底部的结构示意图。所述无人机100可以包括两个置于所述机身110底部的下视摄像头173和174。此外，所述无人机100还包括两个置于所述机身110底部的超声传感器177和178。所述超声传感器177和178可以检测和/或监测所述无人机100底部的物体及地面，并通过发送及接受超声波来测量离该物体或地面的距离。
在其他实施例中，所述无人机100可以包括惯性测量单元(英文：inertialmeasurement unit，缩写：IMU)、红外传感器、微波传感器、温度传感器、近距离传感器(英文：proximity sensor)、三维激光测距仪、3D TOF等。所述三维激光测距仪及所述3D TOF可以检测无人机具下方物体或体面的距离。
在一些实施例中，所述无人机100可以从所述输入输出装置148接收输入信息，如用户在通过所述输入输出装置148向所述无人机100发送一目标。所述无人机100可以根据所述目标，识别出所述目标在地面上的对应位置，所述第一控制器可以控制所述无人机100飞至所述对应位置的上方并悬停。
在一些实例中，所述无人机100可以从所述输入输出装置148接收输入信息，如用户在通过所述输入输出装置148向所述无人机100发送一目标。所述无人机100可以根据所述目标，识别出所述目标在地面上的对应位置。所述第一控制器可以控制所述无人机100飞行至一预置的参考高度，并沿所述预置的参考高度飞行。
图3为本发明实施例提供的的无人机的模块示意图。参阅图3，无人机100可以包括至少一个处理器301、传感器模块302、存储模块303以及输入输出模块304。
所述控制模块301可以包括至少一个处理器，所述处理器包括但不限于微处理器(英文：microcontroller)，精简指令集计算机(英文：reduced instruction setcomputer，简称：RISC)，专用集成电路(英文：application specific integratedcircuits，简称：ASIC)，专用指令集处理器(英文：application-specific instruction-set processor，简称：ASIP)，中央处理单元(英文：central processing unit，简称：CPU)，物理处理器英文(英文：physics processing unit，简称：PPU)，数字信号处理器(英文：digital signal processor，简称DSP)，现场可编程门阵列(英文：field programmablegate array，简称：FPGA)等。
所述传感器模块302可以包括至少一个传感器，所述传感器包括但不限于温度传感器、惯性测量单元、加速度计、图像传感器(如摄像头)、超声传感器、TOF传感器、微波传感器、近距离传感器、三维激光测距仪、红外传感器等。
在一些实施例中，所述惯性测量单元可以用于测量所述无人机的姿态信息(如俯仰角、横滚角、偏航角等)。所述惯性测量单元可以包括但不限于，至少一个加速度计、陀螺仪、磁力仪或其中的任意组合。所述加速度计可以用于测量所述无人机的加速度，以计算所述无人机的速度。
所述存储模块303可以包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、可编程制度存储器(PROM)、电子抹除式可编程只读存储器(EEPROM)等。所述存储模块303可以包括费暂时性计算机可读介质，其可以存储用于执行本文其他各处所描述的至少一个步骤的代码、逻辑或指令。所述控制模块301，其可以根据本文所描述的非暂时性计算机可读介质的代码、逻辑或指令而单独地或共同地执行至少一个步骤。所述存储模块可用于存储所述无人机100的状态信息，如高度、速度、位置、预置的参考高度等。
所述输入输出模块304用于向外部设备输出信息或指令，如接收所述输入输出装置148(见图1)发送的指令，或将所述成像装置131(见图1)拍摄的图像发送给所述输入输出装置148。
图4为本发明提供的无人机控制方法的流程图。
步骤401，接收目标在图像中的位置。
在一些实施例中，用户可以通过所述输入输出装置148选择一种飞行模式，如通过点击屏幕550选择一种飞行模式。所述飞行模式包括但不限于指点飞行、智能跟随、自主返航等。
在一些实施例中，当用户进入指点飞行模式之后，用户可以通过点击所述屏幕550上任意一点，以确定一个目标。所述输入输出装置148可以将所述目标的位置信息发送至所述无人机500。所述目标的位置信息用于控制所述无人机飞行。
参考图6及图7，用户可以在所述屏幕550上选择一个目标A。在选定A之后，所述输入输出装置148可以计算出A在所述屏幕550上的坐标(xscreen，yscreen)，所述输入输出装置148进而可以将所述屏幕550上的坐标转换成相机源图像中的坐标(xrawimage，yrawimage)，所述输入输出装置148还可以根据以下公式将所述相机源图像中的坐标(xrawimage，yraimage)归一化处理为(xpercentage，ypercentage)：
Figure BDA0002192979570000071
坐标(Xpercentage，ypercentage)可以被发送给所述无人机，进而用于计算所述无人机的空间飞行方向。
步骤402，获取所述无人机相对地面的第一高度。
参阅图6及图7，所述无人机500可以获取相对地面的第一高度H。
在一些实施例中，所述无人机可以通过机载的至少一个传感器获取所述第一高度。所述第一高度可以为所述无人机的当前对地高度。所述至少一个传感器可以包括但不限于，超声传感器、TOF传感器(如3D TOF传感器)、红外传感器、微波传感器、近距离传感器(英文：proximity sensor)、三维激光测距仪、气压计、GPS模块等。
所述第一高度H可以用于控制所述无人机飞行。在一些实施例中，当所述第一高度H小于一个预置的参考高度h，且A位于地面。则所述无人机500可以沿所述第一高度H水平飞行并悬停于A’的正上方(轨迹530)。在其他实施例中，当所述第一高度H大于所述预置的参考高度h，且A位于地面。则所述无人机可以先飞行至所述预置的参考高度h，然后沿所述预置的参考高度h飞行(轨迹540)。
在其他实施例中，当所述第一高度H小于所述预置的参考高度h，且A位于地面，所述无人机500可以沿任意高度飞行并悬停于A’的正上方。
步骤403，根据所述目标在图像中的位置及所述第一高度控制所述无人机飞行。
在一些实施例中，所述处理器可以根据所述目标在图像中的位置计算出A’的坐标。
参阅图5，A’为A在世界坐标系中对应的点，方向向量
Figure BDA0002192979570000082
的坐标为(xw，yw，zw)，D表示深度，且zw＝D。(xi，yi)为A在相机坐标系中的坐标，f为焦距。因而可以得到以下关系：
Figure BDA0002192979570000081
以下公式基于(xpercentage，ypercentage)，(xi，yi)，以及图像的尺寸(ImageWidth，ImageHeight)：
Figure BDA0002192979570000091
基于以下焦距与图像视野的关系
Figure BDA0002192979570000092
可以得到以下公式：
Figure BDA0002192979570000093
因而可以得到，
Figure BDA0002192979570000094
可以看到，(xw，yw，zw)的表达式中包含未知值D。可以对所述方向向量
Figure BDA0002192979570000095
做归一化处理，以消除所述未知值D。假设D＝1，则方向向量
Figure BDA0002192979570000096
可以被表示为：
Figure BDA0002192979570000097
再对方向向量
Figure BDA0002192979570000098
作归一化处理，可以得到：
Figure BDA0002192979570000101
因此在相机坐标系中得到了所述方向向量
Figure BDA0002192979570000102
的坐标。
所述处理器可以根据所述方向向量
Figure BDA0002192979570000103
以及一旋转矩阵
Figure BDA0002192979570000104
按照以下公式计算出所述方向向量
Figure BDA0002192979570000105
在云台坐标系上的对应方向向量
Figure BDA0002192979570000106
Figure BDA0002192979570000107
为相机坐标系到云台坐标系的旋转矩阵。
Figure BDA0002192979570000108
所述处理器可以根据所述方向向量
Figure BDA0002192979570000109
以及一旋转矩阵
Figure BDA00021929795700001010
按照以下公式计算出所述方向向量
Figure BDA00021929795700001011
在世界坐标系中对应的方向向量
Figure BDA00021929795700001012
Figure BDA00021929795700001013
为云台坐标系到世界坐标系的旋转矩阵。
Figure BDA00021929795700001014
综上，所述处理器可以根据以下公式计算所述方向向量
Figure BDA00021929795700001015
Figure BDA00021929795700001016
其中，
Figure BDA00021929795700001017
所述处理器可以根据以下公式计算
Figure BDA00021929795700001018
Figure BDA00021929795700001019
为相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA00021929795700001020
其中，(α，β，γ)表示所述云台的姿态角(如俯仰角、横滚角、偏航角等)。
在一些实施例中，所述处理器可以根据所述方向向量
Figure BDA0002192979570000111
(x’，y’，z’)以及所述第一高度H，按照以下公式计算出所述方向向量
Figure BDA0002192979570000112
相对于地面的方向向量
Figure BDA0002192979570000113
(xgnd，ygnd，zgnd)。
Figure BDA0002192979570000114
其中，zgnd为所述第一高度H。
最后，所述处理器可以根据所述方向向量
Figure BDA0002192979570000115
以及所述无人机当前的位置(posx，posy，posz)，按照以下公式计算出所述方向向量
Figure BDA0002192979570000116
相对所述无人机起飞点的方向向量
Figure BDA0002192979570000117
(xorigin，yorigin，zorigin)。
Figure BDA0002192979570000118
在一些实施例中，所述处理器可以根据所述方向向量
Figure BDA0002192979570000119
并在所述第一高度H小于所述预置的参考高度h的情况下，控制所述无人机飞行至A’的上方并悬停。
在其他实施例中，所述处理器可以根据
Figure BDA00021929795700001110
计算出A’的坐标，并在所述第一高度H大于所述预置的参考高度h的情况下，控制所述无人机飞行至所述预置的参考高度并沿所述预置的参考高度飞行。
在其他实施例中，如果所述无人机500检测到所述目标A的朝向为天空，则所述无人机将按照所述目标A指向的位置飞行。
在一些实施例中，用户可以修改所述预置的参考高度。如用户在室内控制无人机时，可以将所述预置的参考高度修改至小于或等于室内高度。用户在室外控制无人机时，可以将所述预置的参考高度调整到一个相对较大的值。
在一些实施例中，在用户选定所述目标且所述无人机开始飞行之后，用户可以根据需要拖动目标，或者重新设定目标。在新的目标确定之后，所述无人机重新执行流程图4中的步骤。
在一些实施例中，用户可以选择至少两个目标，无人机可以自动判断所述至少两个目标组成的飞行路径是否可行。如果可行，所述无人机将按照计算出的飞行路径飞行。如果不可行，则所述无人机可以向用户返回失败提示，例如可以在所述输入输出装置148上显示警示信息(如路径规划失败等)。
本发明的无人机控制方法可以根据输入目标在图像中的位置及所述第一高度，控制无人机飞行至地面上对应所述目标正上方的位置并悬停，实现了无人机的自主飞行即自主悬停，可以精准地控制无人机的飞行。
值得注意的是，上述对无人机控制方法的描述仅为了便于理解本发明。对本领域的普通技术人员来说，可以在理解本发明的基础上对本发明做出一些修改与变换，但所述修改与变换仍在本发明的保护范围之内。例如，上述无人机控制方法可以应用于室内，也可以应用于室外。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本专利文件披露的内容包含受版权保护的材料。该版权为版权所有人所有。版权所有人不反对任何人复制专利与商标局的官方记录和档案中所存在的该专利文件或者该专利披露。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本披露的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本披露进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本披露各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种无人机的控制方法，其特征在于，包括：
接收目标在图像中的位置；
获取所述无人机相对地面的第一高度；
根据所述位置获取所述无人机的空间飞行方向；以及
根据所述目标在图像中的位置、所述第一高度以及所述无人机的空间飞行方向控制所述无人机飞行；
所述获取所述无人机的空间飞行方向包括：
将所述目标在图像中的方向向量转换为相机坐标系下所述无人机的方向向量；
将所述相机坐标系下所述无人机的方向向量转换为云台坐标系下的方向向量；
将云台坐标系下的方向向量转换为世界坐标系下的所述无人机的空间飞行方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述目标在图像中的位置、所述第一高度以及所述无人机的空间飞行方向控制所述无人机飞行包括：
获取预置的参考高度；
根据所述预置的参考高度、所述第一高度以及所述无人机的空间飞行方向控制所述无人机飞行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述目标在图像中的位置、所述第一高度以及所述无人机的空间飞行方向控制所述无人机飞行还包括：
根据所述目标在图像中的位置计算所述目标在地面上对应的位置；
当所述第一高度大于所述预置的参考高度时，
控制所述无人机飞行至所述预置的参考高度；以及
控制所述无人机沿所述预置的参考高度飞行。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述目标在图像中的位置、所述第一高度以及所述无人机的空间飞行方向控制所述无人机飞行还包括：
根据所述目标在图像中的位置计算所述目标在地面上对应的位置；
当所述第一高度小于所述预置的参考高度时，
控制所述无人机沿所述第一高度飞行至所述目标在地面上对应的位置的上方并悬停。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收目标在图像中的位置包括：
进入指点飞行模式后，通过输入输出模块上获取的点确定所述目标；
所述输入输出模块发送所述目标至所述无人机。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述输入输出模块发送所述目标至所述无人机后包括：
将所述目标的坐标转换成所述无人机的相机源图像中的坐标；
将所述相机源图像中的坐标归一化处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述相机源图像中的坐标归一化处理后包括：
发送所述坐标至所述无人机。
8.根据权利要求1所述的无人机的控制方法，其特征在于，
根据所述目标在相机中的坐标、相机的焦距、图像视野、图像深度确定相机坐标系下所述无人机的方向向量。
9.根据权利要求1所述的无人机的控制方法，其特征在于，所述获取所述无人机相对地面的第一高度包括：
通过超声传感器、TOF传感器、红外传感器、微波传感器、近距离传感器中的至少一种获取所述第一高度。
10.一种无人机，其特征在于，包括：
机身；
推进系统，承载于所述机身；
成像装置，携带于所述机身；
处理器，被配置为执行权利要求1至9任意一项所述的方法。
11.根据权利要求10所述的无人机，其特征在于，还包括：
输入输出装置，用于对所述无人机和成像装置发送或传输指令。
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