CN114660927A - 光电吊舱的控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光电吊舱的控制方法和装置,包括:获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;分析用户手持移动终端的姿态特征,以确定移动终端与光电吊舱的姿态对应关系,进而根据姿态对应关系建立姿态映射函数模型;根据方位数据和转换矩阵,计算移动终端的初始姿态角数据;将初始姿态角数据输入至姿态映射函数模型,计算得到光电吊舱的目标姿态数据,并根据目标姿态数据控制光电吊舱的姿态。该方法通过获取移动终端的初始姿态角数据,利用姿态映射函数模型确定出光电吊舱的目标姿态,实现对光电吊舱全角度姿态的控制。同时,该方法基于移动终端,无需依赖特定硬件装置,相较于传统控制方法降低了硬件成本。
Description
技术领域
本发明涉及光电吊舱控制的技术领域,尤其是涉及一种光电吊舱的控制方法和装置。
背景技术
光电吊舱显控系统是操控人员与光电吊舱进行交互的主要载体,为了保证光电吊舱在实际使用时能够更好的完成指定任务,常常会配备相应的显控系统在线接收光电吊舱采集到的现场图像并对光电吊舱进行实时控制。作为光电吊舱系统的重要组成部分,显控系统对控制吊舱完成指定的任务和后期的数据采集分析起到重要的作用。
传统光电吊舱显控系统主要由嵌入式工控机(或笔记本电脑)、采集卡、显示设备、控制电路板、操控手柄和按钮等组成。采集卡将光电吊舱采集到的图像数据传输给计算机,操作人员通过显示设备观察光电吊舱所采集的图像数据,并通过操作摇杆控制光电吊舱的姿态,以实现目标的锁定和跟踪。但是,集成后的显控系统体积较大,携带不便,会增加操作者的负担,同时,显控系统的软件在实现上依赖特定硬件,导致出现故障后很难找到合适的替代器件,从而增加了显控系统后期维护和升级的难度。此外,光电吊舱显控系统的开发需要机械结构、电子电路、嵌入式软件等多领域开发人员的共同配合完成,这无疑增大了光电吊舱显控系统的开发周期和开发成本。
综上,现有光电吊舱的控制方法在操作方式上依赖于特定的控制电路和大型硬件装置,存在携带不便、后期维护和升级困难、开发成本较高的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种光电吊舱的控制方法和装置,以缓解现有的光电吊舱的控制方法在操作方式上依赖于特定的控制电路和大型硬件装置,存在携带不便、后期维护和升级困难、开发成本较高的技术问题。
第一方面,本发明实施例提供了一种光电吊舱的控制方法,包括:
获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;
分析用户手持所述移动终端的姿态特征,以确定所述移动终端与所述光电吊舱的姿态对应关系,进而根据所述姿态对应关系建立姿态映射函数模型;
根据所述方位数据和所述转换矩阵,计算所述移动终端的初始姿态角数据;
将所述初始姿态角数据输入至所述姿态映射函数模型,计算得到所述光电吊舱的目标姿态数据,并根据所述目标姿态数据控制所述光电吊舱的姿态。
进一步的,获取移动终端的方位数据,包括:
通过所述移动终端上设置的磁力传感器获取所述移动终端的地磁强度;
通过所述移动终端上设置的加速度传感器获取所述移动终端的加速度;
将所述地磁强度和所述加速度作为所述方位数据。
进一步的,获取移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵,包括:
以所述移动终端的中心为原点,建立所述移动终端坐标系,其中,所述移动终端坐标系中,X轴为与所述移动终端的横屏平行且水平向右的方向,Y轴为与所述移动终端的竖屏平行且竖直向上的方向,Z轴为与所述移动终端的屏幕垂直且指向外的方向;
以所述光电吊舱开始运动的起点为原点,建立所述光电吊舱坐标系,其中,所述光电吊舱坐标系为地理坐标系;
通过所述移动终端坐标系围绕所述光电吊舱坐标系的每个坐标轴依次旋转,得到所述移动终端坐标系转换到所述光电吊舱坐标系的转换矩阵。
进一步的,所述姿态映射函数模型,包括:方位角映射函数模型和俯仰角映射函数模型;
所述俯仰角映射函数模型包括:俯仰角角度映射函数和俯仰角速度映射函数,其中,所述俯仰角角度映射函数包括:θ表示俯仰角,Θ0表示所述俯仰角的起始角度,k1、k2表示所述俯仰角的控制比例系数,所述俯仰角速度映射函数包括:
进一步的,根据所述方位数据和所述转换矩阵,计算所述移动终端的初始姿态角数据,包括:
根据所述加速度和所述转换矩阵,计算所述移动终端的俯仰角和横滚角;
根据所述地磁强度、所述转换矩阵、所述俯仰角和所述横滚角,计算所述移动终端的方位角;
将所述俯仰角和所述方位角作为所述移动终端的初始姿态角数据。
进一步的,在根据所述方位数据和所述转换矩阵,计算所述移动终端的初始姿态角数据之前,还包括:
采用滑动窗口均值滤波算法分别对所述地磁强度和所述加速度进行均值滤波处理,得到处理后的地磁强度和处理后的加速度;
根据所述加速度和所述转换矩阵,计算所述移动终端的俯仰角和横滚角包括:根据所述处理后的加速度和所述转换矩阵,计算所述移动终端的俯仰角和横滚角;
根据所述地磁强度、所述转换矩阵、所述俯仰角和所述横滚角,计算所述移动终端的方位角包括:根据所述处理后的地磁强度、所述转换矩阵、所述俯仰角和所述横滚角,计算所述移动终端的方位角。
进一步的,所述滑动窗口均值滤波算法的滑动窗口长度为8。
第二方面,本发明实施例还提供了一种光电吊舱的控制装置,包括:
获取模块,用于获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;
分析与建模模块,用于分析用户手持所述移动终端的姿态特征,以确定所述移动终端与所述光电吊舱的姿态对应关系,进而根据所述姿态对应关系建立姿态映射函数模型;
计算模块,用于根据所述方位数据和所述转换矩阵,计算所述移动终端的初始姿态角数据;
计算与控制模块,用于将所述初始姿态角数据输入至所述姿态映射函数模型,计算得到所述光电吊舱的目标姿态数据,并根据所述目标姿态数据控制所述光电吊舱的姿态。
第三方面,本发明实施例还提供了一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面任一项所述的方法的步骤。
第四方面,本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有机器可运行指令,所述机器可运行指令在被处理器调用和运行时,所述机器可运行指令促使所述处理器运行上述第一方面任一项所述的方法。
在本发明实施例中,提供了一种光电吊舱的控制方法,包括:获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;分析用户手持移动终端的姿态特征,以确定移动终端与光电吊舱的姿态对应关系,进而根据姿态对应关系建立姿态映射函数模型;根据方位数据和转换矩阵,计算移动终端的初始姿态角数据;将初始姿态角数据输入至姿态映射函数模型,计算得到光电吊舱的目标姿态数据,并根据目标姿态数据控制光电吊舱的姿态。通过上述描述可知,本发明的光电吊舱的控制方法,通过获取移动终端的初始姿态角数据,利用姿态映射函数模型确定光电吊舱的姿态,实现对光电吊舱全角度姿态的控制。同时,该方法基于移动终端开发了对光电吊舱的控制方法,相较于传统的光电吊舱的控制方法,该方法无需依赖于特定硬件装置、电路设备以及相关传感器,减少了额外的附加成本,缓解了现有的光电吊舱的控制方法在操作方式上依赖于特定的控制电路和大型硬件装置,存在携带不便、后期维护和升级困难、开发成本较高的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光电吊舱的控制方法的流程图;
图2为本发明实施例提供的一种光电吊舱内部结构示意图;
图3为本发明实施例提供的一种光电吊舱与移动终端坐标系的示意图;
图4为本发明实施例提供的移动终端的初始设定位姿;
图5为本发明实施例提供的移动终端连续的向左和向右运动规律;
图6为本发明实施例提供的移动终端连续的向上和向下运动规律;
图7为本发明实施例提供的获取移动终端的方位数据的方法流程图;
图8为本发明实施例提供的获取转换矩阵的方法流程图;
图9为本发明实施例提供的一种移动终端坐标系的示意图;
图10为本发明实施例提供的一种地理坐标系的示意图;
图11为本发明实施例提供的一种不同视角下的光电吊舱坐标系的示意图;
图12为本发明实施例提供的计算初始姿态角数据的方法流程图;
图13为本发明实施例提供的一种光电吊舱坐标系与移动终端坐标系的映射关系示意图;
图14为本发明实施例提供的计算初始姿态角数据前的数据处理的方法流程图;
图15为本发明实施例提供的一种光电吊舱的控制方法的整体的流程图;
图16为本发明实施例提供的一种光电吊舱的控制装置的示意图;
图17为本发明实施例提供的一种电子设备的示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。
目前,传统光电吊舱的控制方法中,集成后的显控系统体积较大,携带不便,增加了操作者的负担,同时,显控系统的软件实现依赖特定的硬件,导致出现故障后很难找到合适的替代器件,从而增加了显控系统后期维护和升级的难度。此外,光电吊舱显控系统的开发需要机械结构、电子电路、嵌入式软件等多领域开发人员的共同配合完成,增大了显控系统的开发周期和开发成本。
随着智能终端设备的普及以及性能和制造工艺的提升,其小巧、便携、智能的优点为光电吊舱的控制提供了一种新思路。基于此,本实施例提供了一种光电吊舱的控制方法,该方法将显控系统部署在移动终端上,利用无线网络技术与光电吊舱实现连接通讯,同时结合移动终端自身的硬件、软件优势,克服了传统的光电吊舱显控系统的维护和升级难的弊端,降低了开发成本和开发周期。
为便于对本实施例进行理解,首先对本发明实施例所公开的一种光电吊舱的控制方法进行详细介绍。
实施例一:
根据本发明实施例,提供了一种光电吊舱的控制方法的实施例,需要说明的是,在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行,并且,虽然在流程图中示出了逻辑顺序,但是在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的一种光电吊舱的控制方法的流程图,如图1所示,该方法包括如下步骤:
步骤S102,获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;
光电吊舱的显控系统是操控人员与光电吊舱进行交互的主要载体,为了保证光电吊舱在实际使用时能够更好的完成指定任务,常常会配备相应的显控系统在线接收光电吊舱采集到的现场图像并对光电吊舱进行实时控制。作为光电吊舱系统的重要组成部分,显控系统对控制吊舱完成指定的任务和后期的数据采集分析起到重要的作用。而本实施例通过将显控系统部署在移动终端设备上,利用无线网络技术与光电吊舱实现连接通讯,实现了基于移动终端的光电吊舱的控制。该控制方法主要通过移动终端内部的虚拟控件实现对光电吊舱全角度姿态的控制,与传统光电吊舱集成显控箱相比,其对应于显控箱内的操控手柄,需要说明的是,本实施例中移动终端采用Android系统。
为方便用户使用,移动终端搭载有数十种传感器,通过其内部的传感器可以实现对移动终端方位数据的获取,再结合移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵的获取,为后续利用移动终端的姿态信息实现光电吊舱的控制奠定了基础。
步骤S104,分析用户手持移动终端的姿态特征,以确定移动终端与光电吊舱的姿态对应关系,进而根据姿态对应关系建立姿态映射函数模型;
为了实现通过移动终端的姿态实现光电吊舱的姿态控制,需要建立移动终端与光电吊舱的姿态对应关系,从而搭建姿态映射函数模型。
具体的,参考图2,光电吊舱的姿态运动是通过方位电机和俯仰电机实现的,绕方位电机转动的轴为方位轴,绕俯仰电机转动的为俯仰轴。通过方位轴和俯仰轴转动运动就可以实现光电吊舱两自由度复合运动。设用于固定光电吊舱稳定载体的坐标系为OmXmYmZm,则方位角转动坐标系为ObXbYbZb与稳定载体的坐标系同轴,绕ObZb轴的转动即为光电吊舱方位角转动。俯仰角转动坐标系OaXaYaZa中OaYa与ObYb同轴,绕OaYa轴的转动即为俯仰角。当OaXaYa面与ObXbYb面平行时俯仰角为0°,俯仰角转动的转动区间为[-120°,90°]。方位角可实现360°全方位转动。
移动终端与光电吊舱的整体坐标系对应关系如图3,参考图3,光电吊舱整体姿态运动的坐标系为OVXVYVZV,其坐标原点与图2中OaXaYaZa坐标系原点重合,OVYV轴与OaYa轴重合,OVZV轴与ObZb轴平行。绕OVZV转动为方位角运动,绕OVYV轴转动为俯仰角运动。具体的坐标建立过程下文在进行详细描述,在此不再赘述。
如前所述,光电吊舱存在方位角和俯仰角方向的运动,与之对应的移动终端也存在绕OUZU轴的方位运动和绕OUYU轴的俯仰运动。下面对用户手持移动终端分别对方位和俯仰方向的姿态特征进行分析,以确定光电吊舱与终端设备的姿态对应关系。图4为移动终端操控光电吊舱设备前的初始设定位姿,该初始位姿根据用户的使用最佳持握方式确定。
在初始设定位姿的基础上继续绕OUYU轴顺时针转动对应光电吊舱的向上运动,在初始设定位姿的基础上继续绕OUYU轴逆时针转动对应光电吊舱的向下运动。同理,在初始设定位姿的基础上继续绕OUXU轴顺时针转动对应光电吊舱的向右运动,在初始设定位姿的基础上继续绕OUXU轴逆时针转动对应光电吊舱的向左运动。获取到的移动终端方位角和俯仰角运动姿态数据,参考图5和图6,图中的波峰和波谷代表姿态运动的转折点,即在某一方向运动到极端位置时开始往相反的方向移动。图5为在手持情况下移动终端连续的向左和向右运动规律,图6为移动终端连续的向上和向下运动规律。由图可以总结出在用户最佳持握方式下,移动终端设备的方位角和俯仰角运动明显的规律性。首先移动终端的姿态范围维持在一个相对稳定的区间,其次是通过滤波后移动终端姿态数据并没有出现“毛刺”,表明在正常的持握状态下不会因持握者的抖动对移动终端姿态产生较大的干扰,这简化了模型建立的复杂度。
表1为移动终端姿态运动数据的特征统计,参考表1,用户的最佳操控区间在方位角方向相对俯仰角更大一些。基于用户持握方式的特点,一般方位角初始角度比较随意,可能在设定在[0°-360°]的任意方向。俯仰角初始相对固定,但因为角速度为矢量,用户存在两种上下对称的持握方式,反应在传感器数值上就是获取俯仰角正负相反。
表1
基于以上对光电吊舱和移动终端坐标系和姿态运动分析,建立跟随控制模型时可将光电吊舱的姿态进行分解为两种姿态,分解后的两种姿态的复合运动即为光电吊舱的跟随运动。
具体姿态映射函数模型的搭建在下文进行详细描述,在此不再赘述。
步骤S106,根据方位数据和转换矩阵,计算移动终端的初始姿态角数据;
具体的,通过上述步骤S102利用传感器获取到移动终端的方位数据,并计算出移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵后,利用传感器解算移动终端的初始姿态角数据。
步骤S108,将初始姿态角数据输入至姿态映射函数模型,计算得到光电吊舱的目标姿态数据,并根据目标姿态数据控制光电吊舱的姿态。
具体的,步骤S106利用传感器解算出移动终端的初始姿态角数据后,将其代入至步骤S104建立的姿态映射函数模型,根据姿态映射函数模型计算出光电吊舱的目标姿态数据,并根据目标姿态数据控制光电吊舱的姿态,从而实现根据移动终端的姿态信息实现光电吊舱的姿态跟随控制。
在本发明实施例中,提供了一种光电吊舱的控制方法,包括:获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;分析用户手持移动终端的姿态特征,以确定移动终端与光电吊舱的姿态对应关系,进而根据姿态对应关系建立姿态映射函数模型;根据方位数据和转换矩阵,计算移动终端的初始姿态角数据;将初始姿态角数据输入至姿态映射函数模型,计算得到光电吊舱的目标姿态数据,并根据目标姿态数据控制光电吊舱的姿态。通过上述描述可知,本发明的光电吊舱的控制方法,通过获取移动终端的初始姿态角数据,利用姿态映射函数模型确定光电吊舱的姿态,实现对光电吊舱全角度姿态的控制。同时,该方法基于移动终端开发了对光电吊舱的控制方法,相较于传统的光电吊舱的控制方法,该方法无需依赖于特定硬件装置、电路设备以及相关传感器,减少了额外的附加成本,缓解了现有的光电吊舱的控制方法在操作方式上依赖于特定的控制电路和大型硬件装置,存在携带不便、后期维护和升级困难、开发成本较高的技术问题。
上述内容对本发明的光电吊舱的控制方法进行了简要介绍,下面对其中涉及到的具体内容进行详细描述。
在本发明的一个可选实施例中,图7为本发明实施例提供的获取移动终端的方位数据的方法流程图,如图7所示,获取移动终端的方位数据包括如下步骤:
步骤S201,通过移动终端上设置的磁力传感器获取移动终端的地磁强度;
具体的,移动终端搭载了数十种传感器,这些传感器用于获取移动终端设备的方位信息等重要数据,其中就包含常用的磁力传感器和加速度传感器。其中,磁力传感器用于获取地磁强度,但由于现实中地球所处的地磁场空间会受到很多干扰因素,呈现出一定范围内的不稳定地理北极和地磁北极的不重合,因此磁力传感器获取的地磁信息存在一定误差。
步骤S202,通过移动终端上设置的加速度传感器获取移动终端的加速度;
具体的,加速度传感器用于获取移动终端的加速度,其结构上由重量块、阻尼器、弹性原件、敏感元件和适调电路等组成。工作原理是利用牛顿第二定律,当移动终端获得加速度时,加速度传感器内部的质量块作用在敏感元件上的力会使其产生形变,进而改变敏感元件的物理特性,再经过适调电路将敏感元件的物性信号转变为电信号,最后将电信号放大进而计算出移动终端的加速度。
步骤S203,将地磁强度和加速度作为方位数据。
具体的,上述磁力传感器获取的移动终端的地磁强度和加速度传感器获得的移动终端的加速度构成了移动终端的方位信息,即方位数据。
在本发明的一个可选实施例中,图8为本发明实施例提供的获取转换矩阵的方法流程图,如图8所示,获取移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵包括如下步骤:
步骤S301,以移动终端的中心为原点,建立移动终端坐标系,其中,移动终端坐标系中,X轴为与移动终端的横屏平行且水平向右的方向,Y轴为与移动终端的竖屏平行且竖直向上的方向,Z轴为与移动终端的屏幕垂直且指向外的方向;
具体的,移动终端坐标系采用载体坐标系(Body Frame,BF),如图9所示,在建立移动终端坐标系时,将移动终端平行于地面放置并以移动终端的中心作为该坐标系的原点,X轴为与移动终端的横屏平行且水平向右的方向,Y轴为与移动终端的竖屏平行且竖直向上的方向,Z轴为与移动终端的屏幕垂直且指向外的方向。需要说明的是,图3所示的移动终端坐标系与图9所示移动终端坐标系一致。
步骤S302,以光电吊舱开始运动的起点为原点,建立光电吊舱坐标系,其中,光电吊舱坐标系为地理坐标系;
具体的,光电吊舱坐标系采用地理坐标系,如图10所示,地理坐标系是笛卡尔坐标系,在建立光电吊舱坐标系时,以光电吊舱开始运动的起始点作为该坐标系的原点,光电吊舱在原点静止时的水平朝东的方向作为X轴,水平朝北的方向作为Y轴,垂直指向天的方向作为Z轴,三轴构成右手坐标系。由上述规则建立的坐标系也常被称为东北天(East NorthUp,ENU)坐标系,根据坐标轴方向的不同指向和X、Y、Z轴的顺序还可以有北东地,北西天等不同的地理坐标系。建立完成后的不同视角下的光电吊舱坐标系如图11所示。
1)俯仰角θ:该参数是描述载体坐标系中的X轴与地理坐标系水平面的夹角,即移动终端当前指南针方向与磁北向之间的角度。
2)横滚角γ:该参数表示载体坐标系中的Y轴与地理坐标系水平面的夹角,即平行于移动终端的平面与平行于地面的平面之间的角度。
步骤S303,通过移动终端坐标系围绕光电吊舱坐标系的每个坐标轴依次旋转,得到移动终端坐标系转换到光电吊舱坐标系的转换矩阵。
移动终端坐标系绕光电吊舱坐标系的X轴旋转的角度为俯仰角,此时可以得到旋转矩阵R2(θ):
移动终端坐标系绕光电吊舱坐标系的Y轴旋转的角度为横滚角,此时可以得到旋转矩阵R3(γ):
通过上述移动终端坐标系围绕光电吊舱坐标系的每个坐标轴依次旋转,移动终端坐标到光电吊舱坐标之间的转换矩阵为:
在本发明的一个可选实施例中,姿态映射函数模型,包括:方位角映射函数模型和俯仰角映射函数模型;
具体的,基于前述对用户手持移动终端的姿态特征以及移动终端与光电吊舱的姿态对应关系的分析可知,由于在用户持握移动终端时初始方位角具有任意性,为了保证模型的可靠性和一般性,需要确定移动终端初始方位相对于磁北极的位置。因此,设置初始状态下移动终端方位角的起始角度为Φ0,整个方位角的跟随控制过程分为角度控制和速度控制。
在方位角角度控制过程中,需要保证光电吊舱与移动终端之间的姿态运动具有较好的一致性。设方位角角度映射函数为假设Android移动终端在转动过程中,由角度位置运动到角度位置的时间为T0,方位传感器在该时间段位产生的方位角数据是相邻的两个方位角数据时间间隔为Δt,平均角速度数据为[ω10,ω20,ω30...ω(n-1)0],经过映射后吊舱的方位角位置数据为相邻的方位角时间间隔为Δt,吊舱转动的平均角速度数据为[ω10′,ω20′,ω30′...ω(n-1)0′],其中当Android移动终端仍然从角度位置运动到角度位置时间间隔为T1<T0,即运动的平均角速度变大,移动终端方向传感器产生的方位角数据是平均角速度数据为[ω11,ω21,ω31...ω(n-1)1]。在经过映射后吊舱的运动为平均角速度数据为[ω11′,ω21′,ω31′...ω(n-1)1′]。
由此可知,当Δt足够小时,上述的计算的平均角速度可表示该点的瞬时角速度。采用线性控制模型时其导函数为常数,不会因输入的变化对输出序列有较大影响,在不考虑光电吊舱稳定平台的姿态定位响应和网络数据传输延迟的影响下,能够保证移动终端与光电吊舱具有良好的跟随运动。
在俯仰角角度控制过程中,其俯仰角映射函数模型同样需要保证俯仰运动跟随的一致性,其原理与方位角控制相同。根据前文的分析可知,光电吊舱俯仰运动范围是[-120°,90°],在初始持握状态下光电吊舱与移动终端存在俯仰方向初始夹角Θ0。同样根据表1中俯仰角的持握范围,根据俯仰角平均值与极差确定出俯仰角的最佳持握范围,并将该范围划分为角度控制区,其余区域作为速度控制区。进而对两个线性区域建立函数模型,其中,俯仰角角度映射函数g1(θ)的具体函数公式如下:
在速度跟随区域,设俯仰角速度映射函数g2(θ),即该俯仰角区间内,
控制吊舱俯仰角的转动速度,具体函数公式如下:
在本发明的一个可选实施例中,图12为本发明实施例提供的计算初始姿态角数据的方法流程图,如图12所示,根据方位数据和转换矩阵,计算移动终端的初始姿态角数据包括如下步骤:
步骤S401,根据加速度和转换矩阵,计算移动终端的俯仰角和横滚角;
具体的,初始姿态角数据由加速度传感器和磁力传感器计算获取,其中,根据前述加速度传感器获取的移动终端的加速度和上述转换矩阵,可以经由加速度传感器解算出俯仰角和横滚角。
解算时,光电吊舱所采用的地理坐标系中加速度传感器的输出值为:an=[0 0g]T,g为重力加速度。当移动终端处于任意姿态时,移动终端的加速度传感器输出值为:ab=[axay az]T。通过地理坐标系到载体坐标系的重力加速度关系的转换式可解算出横滚角和俯仰角分别为:
步骤S402,根据地磁强度、转换矩阵、俯仰角和横滚角,计算移动终端的方位角;
具体的,磁力传感器在移动终端坐标系下的输出为:当光电吊舱坐标系与移动终端坐标系重合时,其输出为:Mn=[MN,0,MD]T,此时,根据光电吊舱坐标系到载体坐标系的地磁强度的关系转换式展开整理可得方位角为:
步骤S403,将俯仰角和方位角作为移动终端的初始姿态角数据。
具体的,当加速度传感器和磁力传感器解算出方位角、俯仰角和横滚角后,将俯仰角和方位角作为移动终端的初始姿态角数据。
本实施例中,移动终端传感器解算的初始姿态角数据是其移动终端坐标系(载体坐标系,OUXUYUZU)相对于光电吊舱坐标系(地理坐标系,OVXVYVZV)的角度数据,如图13所示。假设初始位置为两个坐标系重合,当移动终端运动到某一位置时,绕着ZU轴旋转,YU轴在XVOVYV平面的投影oM与YV轴的夹角为方位角数据,绕YU旋转,ZU轴在XVOVZV平面的投影oN为俯仰角θ数据。
在本发明的一个可选实施例中,图14为本发明实施例提供的计算初始姿态角数据前的数据处理的方法流程图,如图14所示,在根据方位数据和转换矩阵,计算移动终端的初始姿态角数据之前还包括如下步骤:
步骤S501,采用滑动窗口均值滤波算法分别对地磁强度和加速度进行均值滤波处理,得到处理后的地磁强度和处理后的加速度;
另外,滑动窗口均值滤波算法的滑动窗口长度为8。
具体的,受传感器本身制造工艺或环境因素的影响,实际传感器获取的数据含有较多的噪声,如果将这些带有噪声的数据直接应用于模型建立,势必让光电吊舱的控制方法不可靠,甚至会引起操纵失控。所以为了控制模型的可靠性,需要对传感器采集的数据进行预处理。
在数据预处理前首先要获得移动终端的传感器采集的数据。Android系统的软件包提供传感器了传感器数据采集相关的集合类,例如SensorManager类、Sensor类、SensorEvent类以及SensorEventListener接口。
SensorManager用来创建传感器服务的实例,该类提供了各种方法来访问和列出传感器,注册和取消注册传感器事件监听器,以及获取方位信息。该类提供了几个传感器常量,用于报告传感器精确度,设置数据采集频率和校准传感器,如表2所示。
表2
Sensor类用于创建特定传感器实例,用于提供传感器的特性和获取传感器的信息;
SensorEvent类用于创建传感器事件对象,包含如下信息:原始传感器数据、生成事件的传感器类型、数据的准确度和事件的时间戳;
SensorEventListener接口在传感器数值发生变化时,会调用onSensorChanged方法,使用SensorEvent的values属性获取传感器数值。其数据的说明如表3所示。
表3
本实施例中,采用的预处理方式为递推的滑动窗口均值滤波算法,然后对其求出均值。此方法可以减少计算过程中的存储空间,该方法可以对非平稳输入数据快速实时处理。算法计算公式如下:
其中,acc[i]为传感器获取到的第i位数据,acc[i+j]为传感器获取到的第i+j位数据,K为滑动窗口宽度,i、j、N均为数值无固定物理意义。该公式表明,如果加速度传感器采集到N个非平稳数据,为了减小这段数据的随机误差和噪声干扰,取一个的滑动窗口其长度大小为K,再求取滑动窗口中这K个数据的均值。本实施例中K取8,利用滑动窗口均值滤波算法对加速度和磁力传感器进行均值滤波处理。
步骤S502,根据加速度和转换矩阵,计算移动终端的俯仰角和横滚角包括:根据处理后的加速度和转换矩阵,计算移动终端的俯仰角和横滚角;
具体的,当采用滑动窗口均值滤波算法分别对地磁强度和加速度进行均值滤波处理后,利用处理后的加速度数据和转换矩阵,通过加速度传感器解算出移动终端的俯仰角和横滚角。
步骤S503,根据地磁强度、转换矩阵、俯仰角和横滚角,计算移动终端的方位角包括:根据处理后的地磁强度、转换矩阵、俯仰角和横滚角,计算移动终端的方位角。
具体的,加速度传感器解算出移动终端的俯仰角和横滚角后,结合数据处理后的地磁强度和转换矩阵,利用磁力传感器解算出移动终端的方位角,从而得到移动终端的初始姿态角数据,为后续的光电吊舱的姿态控制奠定基础。
本发明提出了一种光电吊舱的控制方法,该方法将显控系统部署在移动终端上,通过移动终端实现对光电吊舱的全角度姿态控制。该方法整合了传感器数据融合、移动终端位姿标定,建立姿态映射函数模型以及移动终端的无线通讯于一体,通过融合传感器获取的方位数据,解算出包含移动终端设备的方位角和俯仰角的初始姿态角数据,从而确定出移动终端的初始位姿。将初始姿态角数据代入至姿态映射函数模型,计算出光电吊舱的目标姿态数据,从而实现对光电吊舱的姿态方位的精确控制。通过使用加速度传感器和磁力传感器以及滑动窗口均值滤波等方法,避免因使用单一的磁力传感器所受到的环境干扰,相较于传统的光电吊舱的控制设备,该方法无需依赖于特定硬件装置、电路设备以及相关传感器,减少了额外的附加成本,缓解了现有的光电吊舱的控制方法在操作方式上依赖于特定的控制电路和大型硬件装置,存在携带不便、后期维护和升级困难、开发成本较高的技术问题。
实施例二:
本发明实施例还提供了一种光电吊舱的控制装置,该光电吊舱的控制装置主要用于执行本发明实施例一中所提供的光电吊舱的控制方法,以下对本发明实施例提供的光电吊舱的控制装置做具体介绍。
图16是根据本发明实施例的一种光电吊舱的控制装置的示意图,如图16所示,该装置主要包括:获取模块10、分析与建模模块20、计算模块30和计算与控制模块40。
获取模块,用于获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;
分析与建模模块,用于分析用户手持移动终端的姿态特征,以确定移动终端与光电吊舱的姿态对应关系,进而根据姿态对应关系建立姿态映射函数模型;
计算模块,用于根据方位数据和转换矩阵,计算移动终端的初始姿态角数据;
计算与控制模块,用于将初始姿态角数据输入至姿态映射函数模型,计算得到光电吊舱的目标姿态数据,并根据目标姿态数据控制光电吊舱的姿态。
在本发明实施例中,提供了一种光电吊舱的控制装置,包括:获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;分析用户手持移动终端的姿态特征,以确定移动终端与光电吊舱的姿态对应关系,进而根据姿态对应关系建立姿态映射函数模型;根据方位数据和转换矩阵,计算移动终端的初始姿态角数据;将初始姿态角数据输入至姿态映射函数模型,计算得到光电吊舱的目标姿态数据,并根据目标姿态数据控制光电吊舱的姿态。通过上述描述可知,本发明的光电吊舱的控制方法,通过获取移动终端的初始姿态角数据,利用姿态映射函数模型确定光电吊舱的姿态,实现对光电吊舱全角度姿态的控制。同时,该方法基于移动终端开发了对光电吊舱的控制方法,相较于传统的光电吊舱的控制方法,该方法无需依赖于特定硬件装置、电路设备以及相关传感器,减少了额外的附加成本,缓解了现有的光电吊舱的控制方法在操作方式上依赖于特定的控制电路和大型硬件装置,存在携带不便、后期维护和升级困难、开发成本较高的技术问题。
可选地,获取模块还用于:通过移动终端上设置的磁力传感器获取移动终端的地磁强度;
通过移动终端上设置的加速度传感器获取移动终端的加速度;
将地磁强度和加速度作为方位数据。
可选地,获取模块还用于:以移动终端的中心为原点,建立移动终端坐标系,其中,移动终端坐标系中,X轴为与移动终端的横屏平行且水平向右的方向,Y轴为与移动终端的竖屏平行且竖直向上的方向,Z轴为与移动终端的屏幕垂直且指向外的方向;
以光电吊舱开始运动的起点为原点,建立光电吊舱坐标系,其中,光电吊舱坐标系为地理坐标系;
通过移动终端坐标系围绕光电吊舱坐标系的每个坐标轴依次旋转,得到移动终端坐标系转换到光电吊舱坐标系的转换矩阵。
可选地,姿态映射函数模型,包括:方位角映射函数模型和俯仰角映射函数模型;
可选地,计算模块还用于:根据加速度和转换矩阵,计算移动终端的俯仰角和横滚角;
根据地磁强度、转换矩阵、俯仰角和横滚角,计算移动终端的方位角;
将俯仰角和方位角作为移动终端的初始姿态角数据。
可选地,计算模块还用于:采用滑动窗口均值滤波算法分别对地磁强度和加速度进行均值滤波处理,得到处理后的地磁强度和处理后的加速度;
根据加速度和转换矩阵,计算移动终端的俯仰角和横滚角包括:根据处理后的加速度和转换矩阵,计算移动终端的俯仰角和横滚角;
根据地磁强度、转换矩阵、俯仰角和横滚角,计算移动终端的方位角包括:根据处理后的地磁强度、转换矩阵、俯仰角和横滚角,计算移动终端的方位角。
可选地,滑动窗口均值滤波算法的滑动窗口长度为8。
本发明实施例所提供的装置,其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同,为简要描述,装置实施例部分未提及之处,可参考前述方法实施例中相应内容。
如图17所示,本申请实施例提供的一种电子设备600,包括:处理器601、存储器602和总线,所述存储器602存储有所述处理器601可执行的机器可读指令,当电子设备运行时,所述处理器601与所述存储器602之间通过总线通信,所述处理器601执行所述机器可读指令,以执行如上述无监督分词的方法的步骤。
具体地,上述存储器602和处理器601能够为通用的存储器和处理器,这里不做具体限定,当处理器601运行存储器602存储的计算机程序时,能够执行上述无监督分词的方法。
处理器601可能是一种集成电路芯片,具有信号的处理能力。在实现过程中,上述方法的各步骤可以通过处理器601中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器601可以是通用处理器,包括中央处理器(Central Processing Unit,简称CPU)、网络处理器(Network Processor,简称NP)等;还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing,简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit,简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成,或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器602,处理器601读取存储器602中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。
对应于上述光电吊舱的控制方法,本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有机器可运行指令,所述计算机可运行指令在被处理器调用和运行时,所述计算机可运行指令促使所述处理器运行上述光电吊舱的控制方法的步骤。
本申请实施例所提供的光电吊舱的控制装置可以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。本申请实施例所提供的装置,其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同,为简要描述,装置实施例部分未提及之处,可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,前述描述的系统、装置和单元的具体工作过程,均可以参考上述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中,应该理解到,所揭露装置和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,又例如,多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
再例如,附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分,所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现方式中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释,此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是:以上所述实施例,仅为本申请的具体实施方式,用以说明本申请的技术方案,而非对其限制,本申请的保护范围并不局限于此,尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改、变化或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光电吊舱的控制方法,其特征在于,包括:
获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;
分析用户手持所述移动终端的姿态特征,以确定所述移动终端与所述光电吊舱的姿态对应关系,进而根据所述姿态对应关系建立姿态映射函数模型;
根据所述方位数据和所述转换矩阵,计算所述移动终端的初始姿态角数据;
将所述初始姿态角数据输入至所述姿态映射函数模型,计算得到所述光电吊舱的目标姿态数据,并根据所述目标姿态数据控制所述光电吊舱的姿态。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,获取移动终端的方位数据,包括:
通过所述移动终端上设置的磁力传感器获取所述移动终端的地磁强度;
通过所述移动终端上设置的加速度传感器获取所述移动终端的加速度;
将所述地磁强度和所述加速度作为所述方位数据。
3.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,获取移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵,包括:
以所述移动终端的中心为原点,建立所述移动终端坐标系,其中,所述移动终端坐标系中,X轴为与所述移动终端的横屏平行且水平向右的方向,Y轴为与所述移动终端的竖屏平行且竖直向上的方向,Z轴为与所述移动终端的屏幕垂直且指向外的方向;
以所述光电吊舱开始运动的起点为原点,建立所述光电吊舱坐标系,其中,所述光电吊舱坐标系为地理坐标系;
通过所述移动终端坐标系围绕所述光电吊舱坐标系的每个坐标轴依次旋转,得到所述移动终端坐标系转换到所述光电吊舱坐标系的转换矩阵。
5.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于,根据所述方位数据和所述转换矩阵,计算所述移动终端的初始姿态角数据,包括:
根据所述加速度和所述转换矩阵,计算所述移动终端的俯仰角和横滚角;
根据所述地磁强度、所述转换矩阵、所述俯仰角和所述横滚角,计算所述移动终端的方位角;
将所述俯仰角和所述方位角作为所述移动终端的初始姿态角数据。
6.根据权利要求5所述的控制方法,其特征在于,在根据所述方位数据和所述转换矩阵,计算所述移动终端的初始姿态角数据之前,还包括:
采用滑动窗口均值滤波算法分别对所述地磁强度和所述加速度进行均值滤波处理,得到处理后的地磁强度和处理后的加速度;
根据所述加速度和所述转换矩阵,计算所述移动终端的俯仰角和横滚角包括:根据所述处理后的加速度和所述转换矩阵,计算所述移动终端的俯仰角和横滚角;
根据所述地磁强度、所述转换矩阵、所述俯仰角和所述横滚角,计算所述移动终端的方位角包括:根据所述处理后的地磁强度、所述转换矩阵、所述俯仰角和所述横滚角,计算所述移动终端的方位角。
7.根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于,所述滑动窗口均值滤波算法的滑动窗口长度为8。
8.一种光电吊舱的控制装置,其特征在于,包括:
获取模块,用于获取移动终端的方位数据、移动终端坐标系与光电吊舱坐标系之间的转换矩阵;
分析与建模模块,用于分析用户手持所述移动终端的姿态特征,以确定所述移动终端与所述光电吊舱的姿态对应关系,进而根据所述姿态对应关系建立姿态映射函数模型;
计算模块,用于根据所述方位数据和所述转换矩阵,计算所述移动终端的初始姿态角数据;
计算与控制模块,用于将所述初始姿态角数据输入至所述姿态映射函数模型,计算得到所述光电吊舱的目标姿态数据,并根据所述目标姿态数据控制所述光电吊舱的姿态。
9.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有机器可运行指令,所述机器可运行指令在被处理器调用和运行时,所述机器可运行指令促使所述处理器运行上述权利要求1至7中任一项所述的方法。
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CN117894223A (zh) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 中国船舶集团有限公司第七一九研究所 | 用于航空模拟训练系统的控制方法及存储介质 |
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