CN110785601A - 手持云台的控制方法和手持云台 - Google Patents

手持云台的控制方法和手持云台 Download PDF

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Abstract

一种手持云台的控制方法和手持云台，其中，手持云台的控制方法包括：手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息(S301)；根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述手柄的当前姿态信息，获得所述拍摄设备的目标姿态信息(S302)；根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述目标姿态信息控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态(S303)。无论手柄处于何种状态，拍摄设备的姿态都可以跟随手柄的姿态，提升了手持云台控制的准确性和稳定性。

Description

手持云台的控制方法和手持云台
技术领域
本发明涉及智能终端技术领域，尤其涉及一种手持云台的控制方法和手持云台。
背景技术
随着智能移动终端的普及，越来越多的人开始使用手持云台进行摄影。手持云台可以包括：手柄和三轴云台。手柄与三轴云台的云台基座连接。三轴云台上可以设置摄像设备。手持云台可以控制摄像设备的旋转以及俯仰等方向动作的执行，从而拍摄出各种方向的优秀照片和/或视频。
目前，手持云台在一定的旋转范围内具备三轴全跟随功能。手柄的姿态变化时，摄像设备的姿态可以跟随手柄的姿态而变化，保持与手柄的相对姿态不变。但是，当基座的旋转超出了一定的范围，例如，超出了正负90度的范围，摄像设备会发生抽动或者乱甩，导致手持云台无法实现三轴全跟随功能。
发明内容
本发明提供一种手持云台的控制方法和手持云台，实现了手柄任意姿态下的云台三轴跟随功能，提升了手持云台控制的准确性和稳定性。
第一方面，本发明提供一种手持云台的控制方法，包括：
手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述手柄的当前姿态信息，获得所述拍摄设备的目标姿态信息；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述目标姿态信息控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态。
第二方面，本发明提供一种手持云台，包括：手柄、云台和拍摄设备；
所述云台包括云台基座和多个轴关节，每个所述轴关节包括电机和与所述电机驱动连接的轴臂；所述手柄与所述云台基座连接；所述拍摄设备设置在所述云台上；
所述云台还包括存储器和处理器；
所述存储器用于存储指令；
所述处理器用于运行所述指令以实现：
在手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述手柄的当前姿态信息，获得所述拍摄设备的目标姿态信息；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述目标姿态信息控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态。
第三方面，本发明提供一种存储介质，包括：可读存储介质和计算机程序，所述计算机程序用于实现上述第一方面任一实施方式提供的手持云台的控制方法。
第四方面，本发明提供一种程序产品，该程序产品包括计算机程序(即执行指令)，该计算机程序存储在可读存储介质中。处理器可以从可读存储介质读取该计算机程序，处理器执行该计算机程序用于执行上述第一方面任一实施方式提供的手持云台的控制方法。
本发明提供一种手持云台的控制方法和手持云台，通过手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息，根据拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息，获得拍摄设备的目标姿态信息，根据拍摄设备的当前姿态信息和目标姿态信息控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态。无论手柄处于何种姿态，拍摄设备的姿态都可以跟随手柄的姿态，实现了手柄任意姿态下的三轴云台三轴跟随功能，提升了手持云台控制的准确性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例适用的手持云台的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的手持云台的工作原理示意图；
图3为本发明实施例提供的手持云台的控制方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的手持云台在旋转过程中的姿态变化示意图；
图5为本发明实施例提供的拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的一种场景的示意图；
图6为本发明实施例提供的拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的另一种场景的示意图；
图7为本发明实施例提供的球面线性插值算法的原理示意图；
图8为本发明实施例提供的手持云台的结构示意图。
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做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。
本发明实施例提供的手持云台的控制方法，可以应用于包括多轴云台的设备。示例性的，在本发明各个实施例中，以包括三轴云台的手持云台为例进行示例性说明。
示例性的，图1为本发明实施例适用的手持云台的结构示意图。如图1所示，手持云台可以包括手柄10、三轴云台和拍摄设备9。
其中，手柄10上可以设置控制按键11，以输入控制三轴云台上电机运动的摇杆杆量。需要说明的是，本实施例对于控制按键11的实现方式不做限定。例如，控制按键11可以为摇杆。
其中，三轴云台可以包括云台基座4和三个轴关节。云台基座4与手柄10连接。每个轴关节包括电机和与电机驱动连接的轴臂。具体的，三个轴关节可以包括yaw轴轴关节、pitch轴轴关节和roll轴轴关节。yaw轴也称为偏航轴或者平移轴，pitch轴也称为俯仰轴，roll轴也称为横滚轴。yaw轴轴关节与云台基座4连接。yaw轴轴关节包括yaw轴电机3和与yaw轴电机3驱动连接的yaw轴轴臂5。roll轴轴关节包括roll轴电机2和与roll轴电机2驱动连接的roll轴轴臂8。pitch轴轴关节包括pitch轴电机1和与pitch轴电机1驱动连接的pitch轴轴臂7。
需要说明的是，当手柄10和拍摄设备9的姿态不同时，yaw轴电机3、roll轴电机2和pitch轴电机1可以相对于手柄10和拍摄设备9的机体坐标系中不同方向的轴旋转。例如，在图1所示的姿态下，手柄10竖直，拍摄设备9的光轴水平。此时，相对于拍摄设备9的机体坐标系而言，yaw轴电机3可以围绕拍摄设备9的yaw轴旋转，roll轴电机2可以围绕拍摄设备9的roll轴旋转，pitch轴电机1可以围绕拍摄设备9的pitch轴旋转。如果将手柄10顺时针旋转90度，使得手柄10水平，并将pitch轴电机1逆时针旋转90度，使得拍摄设备9的光轴依然水平。此时，相对于拍摄设备9的机体坐标系而言，yaw轴电机3可以围绕拍摄设备9的roll轴旋转，roll轴电机2可以围绕拍摄设备9的yaw轴旋转，pitch轴电机1可以围绕拍摄设备9的pitch轴旋转。具体地，手柄10一般包括正面以及背面，正面通常设置如摇杆等功能操作件，与正面相背离的背面也可设置一些功能按键，如快捷键等。当拍摄前方物体时，拍摄设备9的镜头朝向所述手柄10的背面所朝的方向。
若将拍摄设备9朝向的前方物体方向也即所述手柄10的背面朝向的方向称为前方，则上述的将手柄10顺时针转动90度，使得手柄10水平，即为将手柄10向前倒下90度。
由于拍摄设备9跟随所述手柄10运动，故在手柄10在向前倒下90度时，若拍摄设备9的初始姿态是朝向前方，且光轴水平，则此时拍摄设备9旋转至朝向下方的位置。为使拍摄设备9可拍摄前方物体，则控制pitch轴电机旋转90度，此时拍摄设备9的光轴与手柄10的轴心平行或重合，此时为手电筒模式。
可以理解，也可在旋转手柄10之前，先控制pitch轴电机转动，以带动拍摄设备9旋转，使拍摄设备9的光轴与手柄10的轴心平行或重合，然后在旋转手柄10向前倒下，拍摄设备9跟随运动，最终调整至手电筒模式。
可选的，手持云台可以包括拍摄设备固定机构6，用于固定拍摄设备9。本发明实施例对于拍摄设备固定机构6的形状和位置不做限定。可选的，拍摄设备固定机构6中可以设置惯性测量元件。可选的，惯性测量元件可以为陀螺仪、加速度计，等等。
图2为本发明实施例提供的手持云台的工作原理示意图。如图2所示，手持云台可以通过惯性测量元件作为反馈器件，电机作为输出元件，形成闭环控制系统。在这个控制系统中，控制量是手持云台的姿态，包括手柄的姿态和/或拍摄设备的姿态。给定一个目标姿态，可以通过反馈控制实现测量姿态达到目标姿态。具体的，通过控制器输出的摇杆杆量和电机输出的扭矩，可以获得目标姿态。手持云台中的控制器可以控制三轴电机运动，实现三轴云台姿态的变化。通过陀螺仪的测量可以获得测量姿态。进而，根据目标姿态和测量姿态，控制器可以进一步控制三轴电机的运动，使得测量姿态达到目标姿态，实现闭环控制。其中，遥控器可以包括设置在手柄上的摇杆，或者是与手持云台连接的其他控制器。
需要说明的是，本发明实施例对于拍摄设备9与三轴云台的连接方式不做限定。可选的，拍摄设备9可以固定设置在三轴云台上。可选的，拍摄设备9可以可拆卸的设置在三轴云台上。
需要说明的是，本发明实施例对于拍摄设备9的类型不做限定。例如，拍摄设备9可以为照相机、摄像机、智能手机，等等。可选的，拍摄设备9中可以包括惯性测量单元。
需要说明的是，本发明实施例对于手柄10以及手柄10上设置的控制按键11的形状不做限定，对于控制按键11在手柄10上的设置位置不做限定。
图3为本发明实施例提供的手持云台的控制方法的流程图。本实施例提供的手持云台的控制方法，执行主体可以为手持云台。如图3所示，本实施例提供的手持云台的控制方法，可以包括：
S301、手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息。
具体的，手持云台在旋转过程中，拍摄设备的姿态和手柄的姿态均发生变化。而且，拍摄设备的姿态相对于手柄的姿态可能发生变化。示例性的，图4为本发明实施例提供的手持云台在旋转过程中的姿态变化示意图。如图4所示，状态(a)示出了手持云台的初始状态。此时，手柄10竖直，拍摄设备9的光轴水平，且拍摄设备9朝向前方。当手持云台朝前旋转后，当前时刻的状态为(b)。此时，手柄10竖直，拍摄设备9的光轴水平。拍摄设备9的姿态相对于手柄10的姿态发生了变化。可以获取拍摄设备9的当前姿态信息和手柄10的当前姿态信息，用于后续处理。
需要说明的是，本实施例对于拍摄设备9和手柄10的初始姿态不做限定。
可选的，手持云台在旋转前，拍摄设备的光轴与手柄的轴心可以平行或重合。
可选的，姿态信息可以包括四元数。
所谓四元数，是指简单的超复数。复数由实数加上虚数单位i组成，其中，i^2＝-1。相似的，四元数都是由实数加上三个虚数单位i、j、k组成。而且，它们有如下的关系：i^2＝j^2＝k^2＝-1，i^0＝j^0＝k^0＝1。每个四元数都是1、i、j和k的线性组合。四元数一般可表示为a+bk+cj+di，其中a、b、c、d是实数。在不同的应用中，四元数的具体形式可以不同。
S302、根据拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息，获得拍摄设备的目标姿态信息。
具体的，由于手持云台在旋转过程中，拍摄设备的姿态相对于手柄的姿态发生了变化，因此，根据拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息，可以获得拍摄设备的目标姿态信息。目标姿态信息是为了实现拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态，拍摄设备期望实现的姿态。
可选的，目标姿态信息可以为在拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态过程中的中间姿态信息，或者为手柄的当前姿态信息。
可选的，当本实施例提供的手持云台的控制方法以预设频率实时调整拍摄设备的姿态以跟随手柄的姿态，中间姿态信息可以为手持云台旋转时手柄按照预设频率的实时姿态。
需要说明的是，本实施例对于预设频率的具体取值不做限定。
其中，拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态，是指拍摄设备的姿态相对于手柄的姿态保持不变。
S303、根据拍摄设备的当前姿态信息和目标姿态信息控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态。
具体的，由于已经获得了拍摄设备的当前姿态信息以及拍摄设备期望实现的目标姿态信息，因此，可以根据拍摄设备的当前姿态信息和目标姿态信息，控制三轴云台的至少一个电机工作。三轴云台带动拍摄设备移动，从而使得拍摄设备达到期望的目标姿态，实现了拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态。
参照图4。状态(b)为当前时刻手持云台的姿态。此时，拍摄设备的姿态未跟随手柄的姿态。根据(b)中拍摄设备的姿态信息和手柄的姿态信息，可以获得拍摄设备的目标姿态信息。进而，根据(b)中拍摄设备的姿态信息以及获取的目标姿态信息，最终可以实现拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态，即状态(c)。其中，状态(a)和状态(c)中，拍摄设备的姿态相对于手柄的姿态保持不变。
需要说明的是，根据手持云台的结构以及处理器的处理速度，实现拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的速度可以不同，呈现的效果也不同。
可选的，图5为本发明实施例提供的拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的一种场景的示意图。例如，当手持云台的重量较轻、结构简单，处理器的处理速度较高时，可以实现实时跟随。如图5所示，在手持云台旋转的过程中，在(a)、(b)、(c)和(d)的位置，拍摄设备的姿态均可以跟随手柄的姿态。
可选的，图6为本发明实施例提供的拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的另一种场景的示意图。例如，当手持云台的重量较重、结构复杂，处理器的处理速度较慢时，最终也可以实现拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态。如图6所示，在手持云台旋转的过程中，在(b)和(c)的位置，拍摄设备的姿态未跟随手柄的姿态。但是，在(d)的位置，经过一段时间的延迟后，最终实现了拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态。
可见，本实施例提供的手持云台的控制方法，通过获取拍摄设备和手柄的当前姿态信息，可以确定拍摄设备希望达到的目标姿态。进而，根据拍摄设备的当前姿态信息和目标姿态信息控制电机工作，在手持云台发生旋转的过程中，无论手柄处于何种姿态，拍摄设备的姿态都可以跟随手柄的姿态，实现了手柄任意姿态下的三轴云台三轴跟随功能，提升了手持云台控制的准确性和稳定性。
可选的，S301中，获取手柄的当前姿态信息，可以包括：
获取拍摄设备在手持云台旋转前的历史姿态信息，以及手持云台上至少一个轴关节在拍摄设备的机体坐标系中分别对应的旋转角度。
根据历史姿态信息和旋转角度，获取手柄的当前姿态信息。
下面通过示例进行说明。
如图4所示，手持云台在旋转前的状态为(a)。由于拍摄设备9中设置有惯性测量元件，或者，图1所示的拍摄设备固定机构6中设置有惯性测量元件，可以获取拍摄设备的姿态信息。拍摄设备在手持云台旋转前的历史姿态信息，具体为(a)中拍摄设备9的姿态信息。可选的，手持云台上至少一个轴关节可以包括俯仰轴轴关节(pitch轴轴关节)、横滚轴轴关节(roll轴轴关节)和平移轴轴关节(yaw轴轴关节)。根据(a)中拍摄设备9的姿态信息，以及手持云台上至少一个轴关节在拍摄设备的机体坐标系中分别对应的旋转角度，可以获取手柄的当前姿态信息。
通过拍摄设备的姿态信息和云台的旋转角度获取手柄的姿态信息，简化了手持云台上惯性测量元件的设置复杂度，简化了手持云台的结构，便于实现。
可选的，根据历史姿态信息和旋转角度，获取手柄的当前姿态信息，可以包括：
根据至少一个轴关节分别对应的旋转角度，确定至少一个轴关节分别对应的四元数。
根据拍摄设备的历史姿态信息对应的四元数和至少一个轴关节分别对应的四元数，获得手柄的当前姿态信息。
下面通过示例进行说明。
假设，至少一个轴关节包括pitch轴轴关节、roll轴轴关节和yaw轴轴关节。pitch轴轴关节对应的四元数为q_pitch，roll轴轴关节对应的四元数为q_roll，yaw轴轴关节对应的四元数为q_yaw。其中，四元数的定义为
Figure BDA0002322276280000081
θ表示轴关节的旋转角度。V1，V2，V3表示轴关节的轴向量，模值为1。
在机体坐标系下，绕pitch轴进行旋转，向量V1，V2，V3的值为(0,1,0)。
Figure BDA0002322276280000082
θp表示pitch轴轴关节的旋转角度。
同理，绕roll轴进行旋转，向量V1，V2，V3的值为(1,0,0)。
Figure BDA0002322276280000083
θr表示roll轴轴关节的旋转角度。
绕yaw轴进行旋转，向量V1，V2，V3的值为(0,0,1)。
Figure BDA0002322276280000091
θy表示yaw轴轴关节的旋转角度。
手柄的当前姿态信息q_base＝q_camera*q_pitch*q_roll*q_yaw。其中，q_camera表示拍摄设备的历史姿态信息对应的四元数。
可以理解，若手柄上也设置如惯性测量元件等姿态获取元件，则可直接获取手柄的实时姿态。
可选的，S302中，根据拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息，获得拍摄设备的目标姿态信息，可以包括：
获取跟随时间，跟随时间为从手持云台旋转结束后开始直至拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态为止的时间间隔。
根据拍摄设备的当前姿态信息、手柄的当前姿态信息和跟随时间，采用插值算法获得拍摄设备的目标姿态信息。
具体的，跟随时间反映了拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的跟随速度。跟随时间设置的越长，跟随速度越慢，跟随效果越稳定。跟随时间设置的越短，跟随速度越快。本实施例对于跟随时间的具体取值不做限定。跟随时间可以为预设的数值，或者用户输入的数值，或者根据处理器的运算速度确定的数值。
通过拍摄设备的当前姿态信息、手柄的当前姿态信息和跟随时间，可以采用插值算法获得拍摄设备的目标姿态信息，进而实现拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态，并且可以权衡跟随速度和跟随稳定性。
需要说明的是，本实施例对于插值算法的具体实现方式不做限定。
所谓插值法，又称“内插法”，利用函数f(x)在某区间中已知的若干点的函数值，作出适当的特定函数，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值。
下面以插值算法为球面线性插值算法为示例进行说明。参照图7，图7为本发明实施例提供的球面线性插值算法的原理示意图。
球面线性插值(Spherical linear interpolation，Slerp)算法，是四元数的一种线性插值运算，主要用于在两个表示旋转的四元数之间平滑插值。插值的一般公式可以写为r＝a(t)p+b(t)q，要找到合适的a(t)和b(t)。如图7所示，向量p和向量q之间的夹角为θ，向量p和向量r之间的夹角为tθ，向量q和向量r之间的夹角为(1-t)θ。
具体运算过程如下：
将上面的公式两边点乘p可得：p·r＝a(t)p·p+b(t)p·q，costθ＝a(t)+b(t)cosθ
同样地，对公式两边点乘q可得：cos[(1-t)θ]＝a(t)cosθ+b(t)
两个方程可以解出两个未知量a(t)和b(t)：
Figure BDA0002322276280000101
使用三角函数公式可以将其化简为：
Figure BDA0002322276280000103
Figure BDA0002322276280000104
于是，四元数的球面线性插值公式为：
Figure BDA0002322276280000105
其中，Slerp()表示球形插值函数。
在本实施例中，向量p可理解为拍摄设备的姿态，向量q可以理解为手柄的姿态，则通过Slerp算法建立加入时间变量的向量p与向量q的函数关系，r可以理解为t时刻拍摄设备的目标姿态。
通过上述方法可在运动过程中获取实时的动态的拍摄设备的目标姿态，实现拍摄设备对手柄较好地跟随。
通过该方法，不论在手柄向前倒下运动到手电筒模式，还是手柄向两侧旋转倒下，都可以实现拍摄设备对手柄的跟随，不会产生控制紊乱的情况。
可以理解，使用该方法，可保证手持云台在任何装置转动是拍摄设备都可以很好地跟随手柄。
可选的，若本实施例提供的手持云台的控制方法以预设频率实时调整拍摄设备的姿态以跟随手柄的姿态，跟随时间为预设频率的单段时间周期。
可选的，本实施例提供的手持云台的控制方法，还可以包括：
根据目标姿态信息获取方向余弦矩阵。
根据方向余弦矩阵获取拍摄设备的机体坐标系中俯仰轴对应的姿态。
根据目标姿态信息和俯仰轴对应的姿态，控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合。
其中，方向余弦矩阵，是由两组不同的标准正交基的基底向量之间的方向余弦所形成的矩阵。方向余弦矩阵可以用来表达一组标准正交基与另一组标准正交基之间的关系，也可以用来表达一个向量对于另一组标准正交基的方向余弦。在解析几何中，一个向量的三个方向余弦分别是该向量与三个坐标轴之间的角度的余弦。两个向量之间的方向余弦是指这两个向量之间的角度的余弦。
示例性的，请参考图4。如图4所示，状态(a)～(c)可以实现拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态。在状态(d)，可以根据目标姿态信息和俯仰轴对应的姿态，控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合。
可见，通过上述步骤，在手柄为任意姿态时，都可以实现拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合，从而为拍摄设备的横滚翻转360模式提供支撑，使得手柄处于任意姿态下都能控制相机绕自己的光轴中心做旋转，提升了手持云台控制的准确性和可实现性。
需要说明的是，本实施例对于使拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合的步骤以及使拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的步骤(即上述步骤S301～S303)的执行顺序不做限定。可选的，在一种实现方式中，使拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合的步骤，在使拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的步骤的后面。如图4所示，此时，状态变化可以依次为(a)、(b)、(c)、(d)。可选的，在另一种实现方式中，使拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合的步骤，在使拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态的步骤的前面。如图4所示，此时，状态变化可以依次为(a)、(d)、(b)、(c)。只不过此时，(b)和(c)中实现姿态跟随时，最终，拍摄设备的光轴将与手柄的轴心平行或重合。
可选的，俯仰轴对应的姿态可以包括俯仰轴对应的四元数。
可选的，根据方向余弦矩阵获取拍摄设备的机体坐标系中俯仰轴对应的姿态，可以包括：
根据方向余弦矩阵和俯仰轴在机体坐标系中的轴向量，获得俯仰轴在大地坐标系中的轴向量。
获取俯仰轴的转动角度。
根据俯仰轴在大地坐标系中的轴向量和俯仰轴的转动角度，获得俯仰轴对应的姿态。
下面通过示例进行说明。
假设，方向余弦矩阵R_tar为：
Figure BDA0002322276280000121
利用R_tar*Vb＝Vs，可以获得大地坐标系中的轴向量Vs＝(xs,ys,zs)。其中，Vb＝(xb,yb,zb)表示机体坐标系中的轴向量。
其中，俯仰轴在机体坐标系中的轴向量为(0,1,0)。则，俯仰轴在大地坐标系中的轴向量为方向余弦矩阵R_tar中的第二列，具体为Vs＝(V12,V22,V32)。
获取俯仰轴的转动角度θ后，可以根据俯仰轴在大地坐标系中的轴向量Vs和俯仰轴的转动角度θ，获得俯仰轴对应的姿态。俯仰轴对应的姿态可以通过四元数表示。具体为
Figure BDA0002322276280000122
拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合时，拍摄设备的姿态对应的四元数为q_tar_final＝q_pitch*q_tar。其中，q_tar表示拍摄设备的目标姿态信息的四元数。
需要说明的是，本实施例对于俯仰轴的转动角度的具体数值不做限定。
可选的，本实施例提供的手持云台的控制方法，还可以包括：
根据方向余弦矩阵获取拍摄设备的机体坐标系中平移轴对应的姿态。
根据目标姿态信息、俯仰轴对应的姿态和平移轴对应的姿态，控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备绕其光轴横滚旋转。
具体的，在实现上述的使拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合以及实现使拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态之后，可以根据目标姿态信息、俯仰轴对应的姿态和平移轴对应的姿态，控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备绕其光轴横滚旋转。当手柄处于任意姿态下，都可以控制相机绕自己的光轴中心做旋转，提升了手持云台控制的准确性和可实现性。
可选的，根据方向余弦矩阵获取拍摄设备的机体坐标系中平移轴对应的姿态，可以包括：
根据方向余弦矩阵和平移轴在机体坐标系中的轴向量，获得平移轴在大地坐标系中的轴向量。
获取平移轴的转动角度。
根据平移轴在大地坐标系中的轴向量和平移轴的转动角度，获得平移轴对应的姿态。
还以上述方向余弦矩阵R_tar为示例进行说明。
平移轴在机体坐标系中的轴向量(0,0,1)。则，平移轴在大地坐标系中的轴向量为方向余弦矩阵R_tar中的第三列，具体为Vs＝(V13,V23,V33)。
获取平移轴的转动角度θ后，可以根据平移轴在大地坐标系中的轴向量Vs和平移轴的转动角度θ，获得平移轴对应的姿态。平移轴对应的姿态可以通过四元数表示。具体为
Figure BDA0002322276280000131
拍摄设备绕其光轴横滚旋转时，拍摄设备的姿态对应的四元数为q_tar_final＝q_yaw*q_pitch*q_tar。其中，q_tar表示拍摄设备的目标姿态信息的四元数。
需要说明的是，本实施例对于平移轴的转动角度的具体数值不做限定。
可选的，获取平移轴的转动角度，可以包括：
获取用户对手柄上的摇杆进行操作时输入的角速度。
利用角速度进行积分，获得平移轴的转动角度。
本实施例提供一种手持云台的控制方法，包括：手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息，根据拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息，获得拍摄设备的目标姿态信息，根据拍摄设备的当前姿态信息和目标姿态信息控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态。本实施例提供的手持云台的控制方法，通过获取拍摄设备和手柄的当前姿态信息，可以确定拍摄设备希望达到的目标姿态，进而控制电机工作，无论手柄处于何种姿态，拍摄设备的姿态都可以跟随手柄的姿态，实现了手柄任意姿态下的三轴云台三轴跟随功能，提升了手持云台控制的准确性和稳定性。
图8为本发明实施例提供的手持云台的结构示意图。如图8所示，本实施例提供的手持云台，用于执行图3～图7所示实施例提供的手持云台的控制方法。如图8所示，本实施例提供的手持云台，可以包括：
手柄81、云台82和拍摄设备83。
所述云台82包括云台基座和多个轴关节，每个所述轴关节包括电机和与所述电机驱动连接的轴臂。所述手柄81与所述云台基座连接。所述拍摄设备83设置在所述云台上。
云台还包括存储器85和处理器84。
存储器85用于存储指令。
处理器84用于运行指令以实现：
在手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息。
根据拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息，获得拍摄设备的目标姿态信息。
根据拍摄设备的当前姿态信息和目标姿态信息控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态。
可选的，处理器84具体用于：
获取拍摄设备在手持云台旋转前的历史姿态信息，以及手持云台上至少一个轴关节在拍摄设备的机体坐标系中分别对应的旋转角度。
根据历史姿态信息和旋转角度，获取手柄的当前姿态信息。
可选的，处理器84具体用于：
根据至少一个轴关节分别对应的旋转角度，确定至少一个轴关节分别对应的四元数。
根据拍摄设备的历史姿态信息对应的四元数和至少一个轴关节分别对应的四元数，获得手柄的当前姿态信息。
可选的，至少一个轴关节包括：俯仰轴轴关节、横滚轴轴关节和平移轴轴关节。
可选的，处理器84具体用于：
获取跟随时间，跟随时间为从手持云台旋转结束后开始直至拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态为止的时间间隔。
根据拍摄设备的当前姿态信息、手柄的当前姿态信息和跟随时间，采用插值算法获得拍摄设备的目标姿态信息。
可选的，处理器84以预设频率实时调整拍摄设备的姿态以跟随手柄的姿态，跟随时间为预设频率的单段时间周期。
可选的，插值算法为球面线性插值算法。
可选的，处理器84还用于：
根据目标姿态信息获取方向余弦矩阵。
根据方向余弦矩阵获取拍摄设备的机体坐标系中俯仰轴对应的姿态。
根据目标姿态信息和俯仰轴对应的姿态，控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备的光轴与手柄的轴心平行或重合。
可选的，处理器84具体用于：
根据方向余弦矩阵和俯仰轴在机体坐标系中的轴向量，获得俯仰轴在大地坐标系中的轴向量。
获取俯仰轴的转动角度。
根据俯仰轴在大地坐标系中的轴向量和俯仰轴的转动角度，获得俯仰轴对应的姿态。
可选的，处理器84还用于：
根据方向余弦矩阵获取拍摄设备的机体坐标系中平移轴对应的姿态。
根据目标姿态信息、俯仰轴对应的姿态和平移轴对应的姿态，控制手持云台上的轴关节旋转，以使拍摄设备绕其光轴横滚旋转。
可选的，处理器84具体用于：
根据方向余弦矩阵和平移轴在机体坐标系中的轴向量，获得平移轴在大地坐标系中的轴向量。
获取平移轴的转动角度。
根据平移轴在大地坐标系中的轴向量和平移轴的转动角度，获得平移轴对应的姿态。
可选的，处理器84具体用于：
获取用户对手柄上的摇杆进行操作时输入的角速度。
利用角速度进行积分，获得平移轴的转动角度。
可选的，目标姿态信息为在拍摄设备的姿态跟随手柄的姿态过程中的中间姿态信息，或者为手柄的当前姿态信息。
本实施例提供的手持云台，用于执行图3～图7所示实施例提供的手持云台的控制方法，技术原理和技术效果相似，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明实施例进行了详细的说明，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发明实施例技术方案的范围。

Claims (27)

1.一种手持云台的控制方法，其特征在于，包括：
手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述手柄的当前姿态信息，获得所述拍摄设备的目标姿态信息；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述目标姿态信息控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取手柄的当前姿态信息，包括：
获取所述拍摄设备在所述手持云台旋转前的历史姿态信息，以及所述手持云台上至少一个轴关节在所述拍摄设备的机体坐标系中分别对应的旋转角度；
根据所述历史姿态信息和所述旋转角度，获取所述手柄的当前姿态信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述历史姿态信息和所述旋转角度，获取所述手柄的当前姿态信息，包括：
根据所述至少一个轴关节分别对应的旋转角度，确定所述至少一个轴关节分别对应的四元数；
根据所述拍摄设备的历史姿态信息对应的四元数和所述至少一个轴关节分别对应的四元数，获得所述手柄的当前姿态信息。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个轴关节包括：俯仰轴轴关节、横滚轴轴关节和平移轴轴关节。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述手柄的当前姿态信息，获得所述拍摄设备的目标姿态信息，包括：
获取跟随时间，所述跟随时间为从所述手持云台旋转结束后开始直至所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态为止的时间间隔；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息、所述手柄的当前姿态信息和所述跟随时间，采用插值算法获得所述拍摄设备的目标姿态信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制方法以预设频率实时调整所述拍摄设备的姿态以跟随所述手柄的姿态。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述插值算法为球面线性插值算法。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述目标姿态信息获取方向余弦矩阵；
根据所述方向余弦矩阵获取所述拍摄设备的机体坐标系中俯仰轴对应的姿态；
根据所述目标姿态信息和所述俯仰轴对应的姿态，控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备的光轴与所述手柄的轴心平行或重合。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述方向余弦矩阵获取所述拍摄设备的机体坐标系中俯仰轴对应的姿态，包括：
根据所述方向余弦矩阵和所述俯仰轴在所述机体坐标系中的轴向量，获得所述俯仰轴在大地坐标系中的轴向量；
获取所述俯仰轴的转动角度；
根据所述俯仰轴在大地坐标系中的轴向量和所述俯仰轴的转动角度，获得所述俯仰轴对应的姿态。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述方向余弦矩阵获取所述拍摄设备的机体坐标系中平移轴对应的姿态；
根据所述目标姿态信息、所述俯仰轴对应的姿态和所述平移轴对应的姿态，控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备绕其光轴横滚旋转。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述方向余弦矩阵获取所述拍摄设备的机体坐标系中平移轴对应的姿态，包括：
根据所述方向余弦矩阵和所述平移轴在所述机体坐标系中的轴向量，获得所述平移轴在大地坐标系中的轴向量；
获取所述平移轴的转动角度；
根据所述平移轴在大地坐标系中的轴向量和所述平移轴的转动角度，获得所述平移轴对应的姿态。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述获取所述平移轴的转动角度，包括：
获取用户对所述手柄上的摇杆进行操作时输入的角速度；
利用所述角速度进行积分，获得所述平移轴的转动角度。
13.根据权利要求1-12任一项所述的方法，其特征在于，所述目标姿态信息为在所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态过程中的中间姿态信息，或者为所述手柄的当前姿态信息。
14.一种手持云台，其特征在于，包括：手柄、云台和拍摄设备；
所述云台包括云台基座和多个轴关节，每个所述轴关节包括电机和与所述电机驱动连接的轴臂；所述手柄与所述云台基座连接；所述拍摄设备设置在所述云台上；
所述云台还包括存储器和处理器；
所述存储器用于存储指令；
所述处理器用于运行所述指令以实现：
在手持云台发生旋转后，获取拍摄设备的当前姿态信息和手柄的当前姿态信息；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述手柄的当前姿态信息，获得所述拍摄设备的目标姿态信息；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息和所述目标姿态信息控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态。
15.根据权利要求14所述的手持云台，其特征在于，所述处理器具体用于：
获取所述拍摄设备在所述手持云台旋转前的历史姿态信息，以及所述手持云台上至少一个轴关节在所述拍摄设备的机体坐标系中分别对应的旋转角度；
根据所述历史姿态信息和所述旋转角度，获取所述手柄的当前姿态信息。
16.根据权利要求15所述的手持云台，其特征在于，所述处理器具体用于：
根据所述至少一个轴关节分别对应的旋转角度，确定所述至少一个轴关节分别对应的四元数；
根据所述拍摄设备的历史姿态信息对应的四元数和所述至少一个轴关节分别对应的四元数，获得所述手柄的当前姿态信息。
17.根据权利要求15所述的手持云台，其特征在于，所述至少一个轴关节包括：俯仰轴轴关节、横滚轴轴关节和平移轴轴关节。
18.根据权利要求14-17任一项所述的手持云台，其特征在于，所述处理器具体用于：
获取跟随时间，所述跟随时间为从所述手持云台旋转结束后开始直至所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态为止的时间间隔；
根据所述拍摄设备的当前姿态信息、所述手柄的当前姿态信息和所述跟随时间，采用插值算法获得所述拍摄设备的目标姿态信息。
19.根据权利要求18所述的手持云台，其特征在于，所述处理器以预设频率实时调整所述拍摄设备的姿态以跟随所述手柄的姿态。
20.根据权利要求18所述的手持云台，其特征在于，所述插值算法为球面线性插值算法。
21.根据权利要求14-20任一项所述的手持云台，其特征在于，所述处理器还用于：
根据所述目标姿态信息获取方向余弦矩阵；
根据所述方向余弦矩阵获取所述拍摄设备的机体坐标系中俯仰轴对应的姿态；
根据所述目标姿态信息和所述俯仰轴对应的姿态，控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备的光轴与所述手柄的轴心平行或重合。
22.根据权利要求21所述的手持云台，其特征在于，所述处理器具体用于：
根据所述方向余弦矩阵和所述俯仰轴在所述机体坐标系中的轴向量，获得所述俯仰轴在大地坐标系中的轴向量；
获取所述俯仰轴的转动角度；
根据所述俯仰轴在大地坐标系中的轴向量和所述俯仰轴的转动角度，获得所述俯仰轴对应的姿态。
23.根据权利要求21或22所述的手持云台，其特征在于，所述处理器还用于：
根据所述方向余弦矩阵获取所述拍摄设备的机体坐标系中平移轴对应的姿态；
根据所述目标姿态信息、所述俯仰轴对应的姿态和所述平移轴对应的姿态，控制所述手持云台上的轴关节旋转，以使所述拍摄设备绕其光轴横滚旋转。
24.根据权利要求23所述的手持云台，其特征在于，所述处理器具体用于：
根据所述方向余弦矩阵和所述平移轴在所述机体坐标系中的轴向量，获得所述平移轴在大地坐标系中的轴向量；
获取所述平移轴的转动角度；
根据所述平移轴在大地坐标系中的轴向量和所述平移轴的转动角度，获得所述平移轴对应的姿态。
25.根据权利要求24所述的手持云台，其特征在于，所述处理器具体用于：
获取用户对所述手柄上的摇杆进行操作时输入的角速度；
利用所述角速度进行积分，获得所述平移轴的转动角度。
26.根据权利要求14-25任一项所述的手持云台，其特征在于，所述目标姿态信息为在所述拍摄设备的姿态跟随所述手柄的姿态过程中的中间姿态信息，或者为所述手柄的当前姿态信息。
27.一种存储介质，其特征在于，包括：可读存储介质和计算机程序，所述计算机程序用于实现如权利要求1-13中任一项所述的手持云台的控制方法。
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