CN112783202A - 一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统及方法，属于无人机飞行控制领域。本发明的控制方法，实时测量旋翼无人机的飞行方向数据；对飞行方向的数据进行计算处理，得到实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ；基于实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ，摄像机进行转动，直至拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致，输出摄像信息；实时显示摄像信息。通过本发明，操作员可以通过观看地面设备上的视频对无人机进行精准操控。

Description

一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统及 方法

技术领域

本发明属于无人机飞行控制领域，尤其是一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统及方法。

背景技术

近十几年来，无人机相关技术发展迅猛，无人机的应用也越来越广泛，使得无人机项目的复杂程度不断提高，不仅对飞行器本体，也对地面控制站、传感器组件和通信设备等的要求也越来越高。对于传统的固定翼无人机而言，其技术经过长时间的发展相对成熟，飞行速度快，飞行半径大，但是由于起飞和降落需要助跑，需要足够的场地，所以其应用在某些场合受到限制。而多旋翼无人机作为有效载荷运载平台在无人机领域中已经变得流行。它们以简单和高机动性而闻名，具有很好的悬停性能。多旋翼无人机也称为三旋翼、四旋翼、六旋翼和八旋翼无人机，本发明中称为旋翼无人机。

飞行旋翼无人机最困难的部分是远程遥控。由于操作员的态势感知能力降低，从而大大降低了工作效率，同时也增加了风险。工作效率低导致运营成本高，而发生碰撞造成的硬件损坏成本更高。操作员的态势感知取决于两个主要因素：感官输入的质量和注意力集中程度。降低两者中的任何一个都会显著降低操作员的态势感知能力，从而降低控制旋翼无人机和完成任务的能力。

遥控旋翼无人机主要用于拍摄民用和军用各种题材的照片和文档，如侦察任务、社会事件、体育赛事、风景、电影场景、建筑物、桥梁和管道的维护，以及事故、火灾和家庭安全场景。这些任务是由操作员执行的，他们必须远程飞行和控制旋翼无人机，通过仰望天空来观察它，同时通过观察在地面站上输出的图像，使记录摄像机对准并聚焦于记录的对象。试图同时进行这两种不同的操作，这两种操作发生在具有不同变化率的不同参考系统中，严重损害了操作员的注意力集中水平。此外，在无人驾驶的情况下远程驾驶旋翼无人机，从本质上剥夺了操作者对速度、加速度、噪声、距离、空间三维图像、方向(右/左)、传播方向(前/后、来/回)和倾角(俯仰/翻滚)的感知。此外，操控者与旋翼无人机之间的距离，使所有在该距离内的物体在光学上收敛，使得操控者无法将旋翼无人机与周围物体区分开来。以上因素都大大降低了操作员的态势感知能力，降低了高效和安全执行任务的能力。由于固定翼无人机的航空特性，固定翼无人机存在固有的连续飞行路径。这有助于操作者基于在脑海中记录的该路径创建并保持对无人机的运动方向的更好的了解，从而允许预测将来的运动的位置和方向。相反，由于旋翼无人机可以突然改变飞行方向和速度，因此预测旋翼无人机的位置和传播方向的能力受到了严重的干扰，从而也影响了操作者的态势感知能力。

因此，需要解决旋翼无人机驾驶员态势感知能力下降的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决旋翼无人机驾驶员态势感知能力下降的问题，提供一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统，旋翼无人机上设有可自由围绕旋翼无人机的偏航轴线旋转的万向节摄像机单元。

进一步的，所述万向节摄像机单元系统包括陀螺仪传感器、处理单元、万向节摄像机和地面接收器；

所述陀螺仪传感器用于实时测量飞行方向的数据；

所述处理单元用于对飞行方向的数据进行计算处理，得到实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ；

所述万向节摄像机单元用于基于实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ，进行转动，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致，输出摄像信息；

所述地面接收器，用于显示摄像信息。

进一步的，万向节摄像机单元由动力单元、基座伺服控制器、基座电机、万向节基座和万向节摄像机组成；

当万向节摄像机单元接收到实时调整角度Ψ时，基座伺服控制器接收调整角度Ψ，动力单元驱动基座电机转动，随着转动角度的变化，实时反馈角度数据信息，使万向节基座转动相应的角度，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致。

进一步的，所述万向节摄像机单元输出的摄像信息是从旋翼无人机飞行路径上的视场拍摄的。

一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制方法，

实时测量旋翼无人机的飞行方向数据；

对飞行方向的数据进行计算处理，得到实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ；

基于实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ，摄像机进行转动，直至拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致，输出摄像信息；

实时显示摄像信息。

进一步的，摄像机进行转动的具体过程为：

接收到实时调整角度Ψ时，摄像机进行转动，随着转动角度的变化，实时反馈角度数据信息进行调整，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致。

进一步的，输出的摄像信息是从旋翼无人机飞行路径上的视场拍摄的。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统及方法，在旋翼无人机上添加一个带有可自由围绕旋翼无人机的偏航轴线旋转的万向节摄像机单元，万向节摄像机可以自动连续的将其视场指向无人机的飞行方向，将飞行路径上的视场通过视频发射器发送给地面设备，操作员可以通过观看地面设备上的视频对无人机进行精准操控。

附图说明

图1为四旋翼无人机俯视图；

图2为增加了万向节相机的四旋翼无人机俯视图；

图3为万向节摄像机单元系统的框图。

其中，10-电动机；11-机臂；12-螺旋桨；13-无人机机身主体；14-任务像机；15-万向节摄像机单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，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数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，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步骤或单元。

当远程控制典型无人机进行飞行拍摄任务时，操作者需要一边操作无人机将摄像头聚焦于目标对象，另一边还需要不停地抬头仰望天空，观察无人机飞行路径上是否存在障碍物，以免无人机撞上，产生飞行事故，这就使得操作者注意力下降，工作效率下降。

而本发明提供两个摄像头，一个可以对准目标对象，获取任务所需，另一个自动连续的对准无人机飞行方向，将无人机飞行路径上的视场清楚地发送给地面控制系统，操作人员可以仅仅关注地面显示屏就可以完成对无人机的精准操控，提高了操作人员的态势感知能力，使得任务效率大大提高。

由上述内容可知，本发明建立了一种基于万向节传感器的旋翼无人机飞行控制方法，结合万向节摄像机传输回来的视场，使得操作人员可以在复杂环境中对无人机进行操控以获得所需要的图像，提高了旋翼无人机飞行的效率和安全性。它通过向操作员返回高水平的态势感知来做到这一点。因此，它增加了飞行安全，降低了操作成本。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，图1和图2分别为四旋翼无人机和增加了万向节相机的四旋翼无人机俯视图；四旋翼无人机包括无人机机身主体13，无人机机身主体13上设有任务像机14和4个机臂11，每个机臂11上均设有电动机10和螺旋桨12；本发明在四旋翼无人机上增加了一个带有可自由围绕旋翼无人机的偏航轴线旋转的万向节摄像机单元14。四旋翼无人机在进行飞行拍摄任务时，其飞行方向会与机体轴x轴产生一个夹角Ψ。

参见图3，图3为万向节摄像机单元系统的框图，万向节摄像机单元系统包括陀螺仪传感器、处理单元、万向节摄像机和地面接收器/监控器；

所述陀螺仪传感器用于实时测量本地坐标系下，计算飞行方向的数据；

所述处理单元用于对飞行方向的数据进行计算处理，得到实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ；

所述万向节摄像机单元用于基于实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ，进行转动，随着转动角度的变化，实时反馈角度数据信息至动力单元，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致，输出摄像信息，输出的摄像信息是从旋翼无人机飞行路径上的视场拍摄；

所述地面接收器/监控器，用于显示摄像信息，以供操作者通过视频对无人机飞行进行操控。具体的，万向节摄像机单元由动力单元、基座伺服控制器、基座电机、万向节基座和万向节摄像机组成；当万向节摄像机单元接收到实时调整角度Ψ时，基座伺服控制器接收调整角度Ψ，动力单元驱动基座电机转动，随着转动角度的变化，实时反馈角度数据信息，使万向节基座转动相应的角度，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致。

本发明的实施流程，包括：

陀螺仪传感器提供的本地坐标系下计算飞行方向的数据，经由处理单元的处理，得到万向节摄像机单元所需要旋转的角度Ψ；

角度Ψ作为命令输入到万向节摄像机单元，万向节摄像机单元的万向节基座伺服控制器接收该命令，驱动万向节基座电机转动，使万向节基座转动相应的角度，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致；

万向节摄像机单元的视频发送器将拍摄的视频发送到地面接收器和监控器，该视频是旋翼无人机飞行路径上的视场，操作者通过视频对无人机飞行进行操控；

当飞行路径改变时，飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ不是一个定值，陀螺仪传感器将角度的实时变化值以相应的数据表现出来，通过处理单元处理，也会得出实时变化的Ψ值，然后作为命令提供给万向节基座伺服控制器，随时随地的驱动万向节基座，使得万向节摄像机单元在无人机的飞行过程中始终指向无人机的飞行方向；夹角Ψ随着时间做无规律的变化，也不会影响万向节摄像机单元的正常工作，保持万向节摄像机单元在无人机的飞行过程中始终指向无人机的飞行方向，为地面操作人员提供充足的视野以供其安全操作。

操作者可以在地面控制系统上既可以调节拍摄相机使其始终对准目标对象，也可以通过万向节相机观察无人机飞行路径上的视野，实现对旋翼无人机的安全操控。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统，其特征在于，旋翼无人机上设有可自由围绕旋翼无人机的偏航轴线旋转的万向节摄像机单元。

2.根据权利要求1所述的基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统，其特征在于，所述万向节摄像机单元系统包括陀螺仪传感器、处理单元、万向节摄像机和地面接收器；

所述陀螺仪传感器用于实时测量飞行方向的数据；

所述处理单元用于对飞行方向的数据进行计算处理，得到实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ；

所述万向节摄像机单元用于基于实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ，进行转动，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致，输出摄像信息；

所述地面接收器，用于显示摄像信息。

3.根据权利要求2所述的基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统，其特征在于，万向节摄像机单元由动力单元、基座伺服控制器、基座电机、万向节基座和万向节摄像机组成；

当万向节摄像机单元接收到实时调整角度Ψ时，基座伺服控制器接收调整角度Ψ，动力单元驱动基座电机转动，随着转动角度的变化，实时反馈角度数据信息，使万向节基座转动相应的角度，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致。

4.根据权利要求2所述的基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制系统，其特征在于，所述万向节摄像机单元输出的摄像信息是从旋翼无人机飞行路径上的视场拍摄的。

5.一种基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制方法，其特征在于，

实时测量旋翼无人机的飞行方向数据；

对飞行方向的数据进行计算处理，得到实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ；

基于实时的四旋翼无人机飞行方向与机体轴x轴之间的夹角Ψ，摄像机进行转动，直至拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致，输出摄像信息；

实时显示摄像信息。

6.根据权利要求5基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制方法，其特征在于，摄像机进行转动的具体过程为：

接收到实时调整角度Ψ时，摄像机进行转动，随着转动角度的变化，实时反馈角度数据信息进行调整，直至万向节摄像机拍摄方向与旋翼无人机飞行方向一致。

7.根据权利要求5基于万向节摄像机单元的旋翼无人机的飞行控制方法，其特征在于，输出的摄像信息是从旋翼无人机飞行路径上的视场拍摄的。

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