CN113625738A - 一种自适应姿态调整系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种自适应姿态调整系统及方法；自适应姿态调整系统包括：挂载设备(100)，挂载在无人驾驶航空器上并与影像显示设备连接；数据采集模块(200)，用于获取无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备(100)的姿态控制数据；姿态决策模块(300)，用于根据无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备(100)的姿态控制数据，计算获得姿态调整指令；姿态控制模块(400)，用于接收所述姿态调整指令，并根据所述姿态调整指令驱动挂载设备(100)相对于无人驾驶航空器运动，从而调节影像显示设备的方位和角度。本发明的自适应姿态调整系统及方法能够自适应调整修正影像显示设备的方位和角度，自动化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及影像显示调整技术领域，尤其涉及一种自适应姿态调整系统及方法。
背景技术
影像显示技术是一种集合影像、图像、文字、文本、图形、动画等多种媒体信息，使展示内容更加生动形象的技术，在各个行业和领域得到广泛应用。随着民用无人航空技术的发展，特别是无人驾驶航空器的进步，影像显示设备能够装设在无人驾驶航空器上，从而能够在空中悬浮的情况下提供影像显示服务，这导致影像显示技术越来越受到重视。
在以上基于无人驾驶航空器的空中影像显示系统中，影像显示设备通过灯光或者投影的方式，在空中显示影像效果。由于无人驾驶航空器受到高度、航向或者编队移动等因素的影响，空中影像相对于地面的显示角度会不断地发生变化。
为了提升地面用户的观看体验，需要一种自适应姿态调整技术，来自主地修正影像显示设备的方位和角度。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出了一种自适应姿态调整系统及方法。
本发明提出以下技术方案：
本发明提出了一种自适应姿态调整系统，包括：
挂载设备，挂载在无人驾驶航空器上并与影像显示设备连接，用于调整影像显示设备相对于无人驾驶航空器的位置；
数据采集模块，用于获取无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备的姿态控制数据；
姿态决策模块，用于根据无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备的姿态控制数据，计算获得姿态调整指令；
姿态控制模块，用于接收所述姿态调整指令，并根据所述姿态调整指令驱动挂载设备相对于无人驾驶航空器运动，从而调节影像显示设备的方位和角度。
本发明上述的自适应姿态调整系统中，无人驾驶航空器的飞行数据包括无人驾驶航空器的位置数据、飞行姿态数据以及飞行轨迹数据；
挂载设备的姿态控制数据包括挂载设备的姿态状态数据以及姿态调整数据；
姿态决策模块，包括：
设置单元，用于预设地面观测区域的观测位置数据，并以地面观测区域作为基点建立相对坐标系；
计算单元，用于根据无人驾驶航空器的位置数据和地面观测区域的观测位置数据计算得到在相对坐标系下无人驾驶航空器相对于基点的第一相对姿态数据；
还用于根据无人驾驶航空器的飞行轨迹数据，选择确定无人驾驶航空器在飞行轨迹上包含当前位置在内的K+1个路点；其中，K为自然数；
还用于根据在所述K+1个路点中的每个路点上无人驾驶航空器的飞行姿态数据和挂载设备的姿态状态数据，计算得到在所述K+1个路点中的每个路点上挂载设备相对于无人驾驶航空器的第二相对姿态数据；
还用于将计算得到的挂载设备相对于无人驾驶航空器的K+1个第二相对姿态数据进行平滑处理，得到平滑处理后的第二相对姿态数据；
还用于根据第一相对姿态数据和平滑处理后的第二相对姿态数据，计算得到挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据；
还用于根据挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据调整挂载设备的姿态调整数据，再生成对应的姿态调整指令；
输出单元，用于输出所述姿态调整指令。
本发明上述的自适应姿态调整系统中，挂载设备包括用于挂载在无人驾驶航空器上的机体连接子模块、用于与影像显示设备连接的设备连接子模块、主支架子模块以及减震子模块；
主支架子模块分别与机体连接子模块、设备连接子模块连接；
减震子模块，安装在主支架子模块上，用于减弱无人驾驶航空器震动给影像显示设备的稳定性带来的影响。
本发明上述的自适应姿态调整系统中，姿态控制模块包括动力输出子模块以及分别与动力输出子模块连接的第一传动轴和第二传动轴；第一传动轴和第二传动轴还分别与挂载设备连接；
姿态控制模块还包括用于获取挂载设备的姿态状态数据，并提供给数据采集模块的状态反馈子模块。
本发明还提出了一种自适应姿态调整方法，包括以下步骤：
步骤S1、将挂载设备挂载在无人驾驶航空器上并与影像显示设备连接；
步骤S2、获取无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备的姿态控制数据；
步骤S3、根据无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备的姿态控制数据，计算获得姿态调整指令；
步骤S4、接收所述姿态调整指令，并根据所述姿态调整指令驱动挂载设备相对于无人驾驶航空器运动，从而调节影像显示设备的方位和角度。
本发明上述的自适应姿态调整方法中，无人驾驶航空器的飞行数据包括无人驾驶航空器的位置数据、飞行姿态数据以及飞行轨迹数据；
挂载设备的姿态控制数据包括挂载设备的姿态状态数据以及姿态调整数据；
步骤S3包括以下步骤：
步骤3.0、预设地面观测区域的观测位置数据，并以地面观测区域作为基点建立相对坐标系；
步骤3.1、根据无人驾驶航空器的位置数据和地面观测区域的观测位置数据计算得到在相对坐标系下无人驾驶航空器相对于基点的第一相对姿态数据；
根据无人驾驶航空器的飞行轨迹数据，选择确定无人驾驶航空器在飞行轨迹上包含当前位置在内的K+1个路点；其中，K为自然数；
根据在所述K+1个路点中的每个路点上无人驾驶航空器的飞行姿态数据和挂载设备的姿态状态数据，计算得到在所述K+1个路点中的每个路点上挂载设备相对于无人驾驶航空器的第二相对姿态数据；
将计算得到的挂载设备相对于无人驾驶航空器的K+1个第二相对姿态数据进行平滑处理，得到平滑处理后的第二相对姿态数据；
根据第一相对姿态数据和平滑处理后的第二相对姿态数据，计算得到挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据；
根据挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据调整挂载设备的姿态调整数据，再生成对应的姿态调整指令；
步骤3.2、输出所述姿态调整指令。
本发明的自适应姿态调整系统及方法通过获取无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备的姿态控制数据，并计算获得姿态调整指令，自适应调整修正影像显示设备的方位和角度，自动化程度高。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1示出了本发明的自适应姿态调整系统的结构示意图；
图2示出了图1所示的自适应姿态调整系统的数据采集模块的功能原理示意图；
图3示出了图1所示的自适应姿态调整系统的数据流示意图；
图4示出了图1所示的自适应姿态调整系统的姿态决策模块300的功能模块示意图；
图5示出了图1所示的自适应姿态调整系统的姿态控制模块400的功能模块示意图。
具体实施方式
为了使得发明的技术方案、技术目的以及技术效果更为清楚，以使得本领域技术人员能够理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，图1示出了本发明的自适应姿态调整系统的结构示意图；具体地，本发明提出了一种自适应姿态调整系统，包括：
挂载设备100，挂载在无人驾驶航空器上并与影像显示设备连接，用于调整影像显示设备相对于无人驾驶航空器的位置；
在这里，挂载设备100包括用于挂载在无人驾驶航空器上的机体连接子模块110、用于与影像显示设备连接的设备连接子模块120、主支架子模块130以及减震子模块140；
主支架子模块130为中心部件，分别与机体连接子模块110、设备连接子模块120连接，从而完成挂载无人驾驶航空器和固定影像显示设备的作用；
减震子模块140，安装在主支架子模块130上，用于减弱无人驾驶航空器震动给影像显示设备的稳定性带来的影响。
数据采集模块200，用于获取无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备100的姿态控制数据；
其中，如图2-图3所示，图2示出了图1所示的自适应姿态调整系统的数据采集模块的功能原理示意图；图3示出了图1所示的自适应姿态调整系统的数据流示意图；无人驾驶航空器的飞行数据由飞行控制模块500提供；飞行控制模块500是无人驾驶航空器的核心部件，其功能主要是接收并处理无人驾驶航空器各个传感器传回的数据，并发送导航和飞行控制的指令。飞行控制模块500是无人驾驶航空器的通用模块。
具体地，无人驾驶航空器的飞行数据包括无人驾驶航空器的位置数据DU1、飞行姿态数据DU2以及飞行轨迹数据DU3。其中，无人驾驶航空器的位置数据DU1包括但不限于GPS的绝对位置、相对坐标系下的相对位置等。
无人驾驶航空器的飞行姿态数据DU2包括但不限于滚转角估计、俯仰角估计、偏航角估计等。
无人驾驶航空器的飞行轨迹数据DU3包括但不限于飞行路点数据等。
进一步地，挂载设备的姿态控制数据由姿态控制模块400提供，包括挂载设备的姿态状态数据DT1以及姿态调整数据DT2；其中，挂载设备的姿态状态数据DT1包括但不限于挂载设备在当前姿态下的滚转角、俯仰角、偏航角等。挂载设备的姿态调整数据DT2包括但不限于姿态控制模块提供的旋转角速度。通过姿态控制模块提供的旋转角速度，可以调整控制挂载设备或其部件的旋转。可以理解，若姿态控制模块有多个时，挂载设备的姿态调整数据DT2包含多个姿态控制模块分别提供的旋转角速度。
姿态决策模块300，用于根据无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备100的姿态控制数据，计算获得姿态调整指令；由于无人驾驶航空器受到的飞行航点的切换、气流的抖动、定位的精度等因素的影响，姿态决策模块300需要在线自适应地处理上述事件，并基于无人驾驶航空器的飞行姿态数据DU2的估计进行姿态决策的估计。
具体地，如图4所示，图4示出了图1所示的自适应姿态调整系统的姿态决策模块300的功能模块示意图；姿态决策模块300，包括：
设置单元310，用于预设地面观测区域的观测位置数据DG，并以地面观测区域作为基点建立相对坐标系；
计算单元320，用于根据无人驾驶航空器的位置数据DU1和地面观测区域的观测位置数据DG计算得到在相对坐标系下无人驾驶航空器相对于基点的第一相对姿态数据DUG；
还用于根据无人驾驶航空器的飞行轨迹数据DU3，选择确定无人驾驶航空器在飞行轨迹上包含当前位置在内的K+1个路点；其中，K为自然数；
还用于根据在所述K+1个路点中的每个路点上无人驾驶航空器的飞行姿态数据DU2和挂载设备的姿态状态数据DT1，计算得到在所述K+1个路点中的每个路点上挂载设备相对于无人驾驶航空器的第二相对姿态数据；
还用于将计算得到的挂载设备相对于无人驾驶航空器的K+1个第二相对姿态数据进行平滑处理，得到平滑处理后的第二相对姿态数据DUT；
还用于根据第一相对姿态数据DUG和平滑处理后的第二相对姿态数据DUT，计算得到挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据TC；在这里，如果姿态控制模块400有n个，姿态调整结果数据可以记为TC(tc1，tc2，…，tci，…，tcn)，n为姿态控制模块的个数；1≤i≤n，i为自然数；tci表示第i个姿态控制模块400相对于基点的姿态调整结果数据；
还用于根据挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据TC调整挂载设备的姿态调整数据DT2，再生成对应的姿态调整指令；
输出单元330，用于输出所述姿态调整指令；
姿态控制模块400，用于接收所述姿态调整指令，并根据所述姿态调整指令驱动挂载设备100相对于无人驾驶航空器运动。
具体地，如图5所示，图5示出了图1所示的自适应姿态调整系统的姿态控制模块400的功能模块示意图；姿态控制模块400包括动力输出子模块410以及分别与动力输出子模块410连接的第一传动轴420和第二传动轴430；第一传动轴420和第二传动轴430还分别与挂载设备100连接；第一传动轴420和第二传动轴430可以是横向设置，也可以是纵向设置。动力输出子模块410分别与电机、舵机等动力装置连接，通过电机、舵机等动力装置，加之横向或者纵向设置的传动轴，来调节影像显示设备的方位和角度。
进一步地，姿态控制模块400还包括用于获取挂载设备100的姿态状态数据DT1，并提供给数据采集模块200的状态反馈子模块440。在本发明中，可能装配1个或者多个姿态控制模块，以实现对于姿态的多自由度调整。
进一步地，本发明提出了一种自适应姿态调整方法，包括以下步骤：
步骤S1、将挂载设备100挂载在无人驾驶航空器上并与影像显示设备连接；
在本步骤中，挂载设备100包括用于挂载在无人驾驶航空器上的机体连接子模块110、用于与影像显示设备连接的设备连接子模块120、主支架子模块130以及减震子模块140；
主支架子模块130为中心部件，分别与机体连接子模块110、设备连接子模块120连接，从而完成挂载无人驾驶航空器和固定影像显示设备的作用；
减震子模块140，安装在主支架子模块130上，用于减弱无人驾驶航空器震动给影像显示设备的稳定性带来的影响。
步骤S2、获取无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备100的姿态控制数据；
在本步骤中，无人驾驶航空器的飞行数据由飞行控制模块500提供；飞行控制模块500是无人驾驶航空器的核心部件，其功能主要是接收并处理无人驾驶航空器各个传感器传回的数据，并发送导航和飞行控制的指令。飞行控制模块500是无人驾驶航空器的通用模块。
具体地，无人驾驶航空器的飞行数据包括无人驾驶航空器的位置数据DU1、飞行姿态数据DU2以及飞行轨迹数据DU3。其中，无人驾驶航空器的位置数据DU1包括但不限于GPS的绝对位置、相对坐标系下的相对位置等。
无人驾驶航空器的飞行姿态数据DU2包括但不限于滚转角估计、俯仰角估计、偏航角估计等。
无人驾驶航空器的飞行轨迹数据DU3包括但不限于飞行路点数据等。
进一步地，挂载设备的姿态控制数据由姿态控制模块400提供，包括挂载设备的姿态状态数据DT1以及姿态调整数据DT2；其中，挂载设备的姿态状态数据DT1包括但不限于挂载设备在当前姿态下的滚转角、俯仰角、偏航角等。挂载设备的姿态调整数据DT2包括但不限于姿态控制模块提供的旋转角速度。通过姿态控制模块提供的旋转角速度，可以调整控制挂载设备或其部件的旋转。可以理解，若姿态控制模块有多个时，挂载设备的姿态调整数据DT2包含多个姿态控制模块分别提供的旋转角速度。
步骤S3、根据无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备100的姿态控制数据，计算获得姿态调整指令；由于无人驾驶航空器受到的飞行航点的切换、气流的抖动、定位的精度等因素的影响，需要在线自适应地处理上述事件，并基于无人驾驶航空器的飞行姿态数据DU2的估计进行姿态决策的估计。
具体地，步骤S3包括以下步骤：
步骤3.0、预设地面观测区域的观测位置数据DG，并以地面观测区域作为基点建立相对坐标系；
步骤3.1、根据无人驾驶航空器的位置数据DU1和地面观测区域的观测位置数据DG计算得到在相对坐标系下无人驾驶航空器相对于基点的第一相对姿态数据DUG；
根据无人驾驶航空器的飞行轨迹数据DU3，选择确定无人驾驶航空器在飞行轨迹上包含当前位置在内的K+1个路点；其中，K为自然数；
根据在所述K+1个路点中的每个路点上无人驾驶航空器的飞行姿态数据DU2和挂载设备的姿态状态数据DT1，计算得到在所述K+1个路点中的每个路点上挂载设备相对于无人驾驶航空器的第二相对姿态数据；
将计算得到的挂载设备相对于无人驾驶航空器的K+1个第二相对姿态数据进行平滑处理，得到平滑处理后的第二相对姿态数据DUT；
根据第一相对姿态数据DUG和平滑处理后的第二相对姿态数据DUT，计算得到挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据TC；在这里，如果姿态控制模块400有n个，姿态调整结果数据可以记为TC(tc1，tc2，…，tci，…，tcn)，n为姿态控制模块的个数；1≤i≤n，i为自然数；tci表示第i个姿态控制模块400相对于基点的姿态调整结果数据；
根据挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据TC调整挂载设备的姿态调整数据DT2，再生成对应的姿态调整指令；
步骤3.2、输出所述姿态调整指令；
步骤S4、接收所述姿态调整指令，并根据所述姿态调整指令驱动挂载设备100相对于无人驾驶航空器运动，从而调节影像显示设备的方位和角度。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种自适应姿态调整系统，其特征在于，包括：
挂载设备(100)，挂载在无人驾驶航空器上并与影像显示设备连接，用于调整影像显示设备相对于无人驾驶航空器的位置；
数据采集模块(200)，用于获取无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备(100)的姿态控制数据；
姿态决策模块(300)，用于根据无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备(100)的姿态控制数据，计算获得姿态调整指令；
姿态控制模块(400)，用于接收所述姿态调整指令，并根据所述姿态调整指令驱动挂载设备(100)相对于无人驾驶航空器运动，从而调节影像显示设备的方位和角度。
2.根据权利要求1所述的自适应姿态调整系统，其特征在于，无人驾驶航空器的飞行数据包括无人驾驶航空器的位置数据(DU1)、飞行姿态数据(DU2)以及飞行轨迹数据(DU3)；
挂载设备的姿态控制数据包括挂载设备的姿态状态数据(DT1)以及姿态调整数据(DT2)；
姿态决策模块(300)，包括：
设置单元(310)，用于预设地面观测区域的观测位置数据(DG)，并以地面观测区域作为基点建立相对坐标系；
计算单元(320)，用于根据无人驾驶航空器的位置数据(DU1)和地面观测区域的观测位置数据(DG)计算得到在相对坐标系下无人驾驶航空器相对于基点的第一相对姿态数据(DUG)；
还用于根据无人驾驶航空器的飞行轨迹数据(DU3)，选择确定无人驾驶航空器在飞行轨迹上包含当前位置在内的K+1个路点；其中，K为自然数；
还用于根据在所述K+1个路点中的每个路点上无人驾驶航空器的飞行姿态数据(DU2)和挂载设备的姿态状态数据(DT1)，计算得到在所述K+1个路点中的每个路点上挂载设备相对于无人驾驶航空器的第二相对姿态数据；
还用于将计算得到的挂载设备相对于无人驾驶航空器的K+1个第二相对姿态数据进行平滑处理，得到平滑处理后的第二相对姿态数据(DUT)；
还用于根据第一相对姿态数据(DUG)和平滑处理后的第二相对姿态数据(DUT)，计算得到挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据(TC)；
还用于根据挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据(TC)调整挂载设备的姿态调整数据(DT2)，再生成对应的姿态调整指令；
输出单元(330)，用于输出所述姿态调整指令。
3.根据权利要求1所述的自适应姿态调整系统，其特征在于，挂载设备(100)包括用于挂载在无人驾驶航空器上的机体连接子模块(110)、用于与影像显示设备连接的设备连接子模块(120)、主支架子模块(130)以及减震子模块(140)；
主支架子模块(130)分别与机体连接子模块(110)、设备连接子模块(120)连接；
减震子模块(140)，安装在主支架子模块(130)上，用于减弱无人驾驶航空器震动给影像显示设备的稳定性带来的影响。
4.根据权利要求1所述的自适应姿态调整系统，其特征在于，姿态控制模块(400)包括动力输出子模块(410)以及分别与动力输出子模块(410)连接的第一传动轴(420)和第二传动轴(430)；第一传动轴(420)和第二传动轴(430)还分别与挂载设备(100)连接；
姿态控制模块(400)还包括用于获取挂载设备(100)的姿态状态数据(DT1)，并提供给数据采集模块(200)的状态反馈子模块(440)。
5.一种自适应姿态调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将挂载设备(100)挂载在无人驾驶航空器上并与影像显示设备连接；
步骤S2、获取无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备(100)的姿态控制数据；
步骤S3、根据无人驾驶航空器的飞行数据以及挂载设备(100)的姿态控制数据，计算获得姿态调整指令；
步骤S4、接收所述姿态调整指令，并根据所述姿态调整指令驱动挂载设备(100)相对于无人驾驶航空器运动，从而调节影像显示设备的方位和角度。
6.根据权利要求5所述的自适应姿态调整方法，其特征在于，无人驾驶航空器的飞行数据包括无人驾驶航空器的位置数据(DU1)、飞行姿态数据(DU2)以及飞行轨迹数据(DU3)；
挂载设备的姿态控制数据包括挂载设备的姿态状态数据(DT1)以及姿态调整数据(DT2)；
步骤S3包括以下步骤：
步骤3.0、预设地面观测区域的观测位置数据(DG)，并以地面观测区域作为基点建立相对坐标系；
步骤3.1、根据无人驾驶航空器的位置数据(DU1)和地面观测区域的观测位置数据(DG)计算得到在相对坐标系下无人驾驶航空器相对于基点的第一相对姿态数据(DUG)；
根据无人驾驶航空器的飞行轨迹数据(DU3)，选择确定无人驾驶航空器在飞行轨迹上包含当前位置在内的K+1个路点；其中，K为自然数；
根据在所述K+1个路点中的每个路点上无人驾驶航空器的飞行姿态数据(DU2)和挂载设备的姿态状态数据(DT1)，计算得到在所述K+1个路点中的每个路点上挂载设备相对于无人驾驶航空器的第二相对姿态数据；
将计算得到的挂载设备相对于无人驾驶航空器的K+1个第二相对姿态数据进行平滑处理，得到平滑处理后的第二相对姿态数据(DUT)；
根据第一相对姿态数据(DUG)和平滑处理后的第二相对姿态数据(DUT)，计算得到挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据(TC)；
根据挂载设备相对于基点的姿态调整结果数据(TC)调整挂载设备的姿态调整数据(DT2)，再生成对应的姿态调整指令；
步骤3.2、输出所述姿态调整指令。
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