CN114706411A - 无人机的伴飞方法、系统、终端设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机的伴飞方法、系统、终端设备及存储介质。该方法包括：获取无人机、目标物的运动状态参数；根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。本发明精准跟踪目标物，实现了无人机跟随目标物伴飞。

Description

无人机的伴飞方法、系统、终端设备及存储介质

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机的伴飞方法、系统、终端设备及存储介质。

背景技术

无人机的伴飞功能，表现为无人机伴随运动物体，如车、船等一起运动，更灵活的完成监控、导航、拍摄等工作。其中，无人机飞行控制系统的设计是实现无人机自主飞行的关键与核心，飞行控制系统性能的优劣直接决定了无人机的飞行性能及其完成任务的情况。现有无人机采用如遥控器、智能手机、触屏模拟摇杆等控制设备对无人机的飞行状态进行控制，但现有控制设备仅能实现无人机低速伴飞，无法实现无人机跟车伴飞，一旦无人机与目标物的距离超过控制区域，视觉跟踪容易无法追寻目标物而造成目标物丢失，无人机脱离控制。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种无人机的伴飞方法、系统、终端设备及存储介质，精准跟踪目标物，实现无人机跟随目标物伴飞。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种无人机的伴飞方法，所述无人机的伴飞方法包括：

获取无人机、目标物的运动状态参数；

根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；

基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。

可选地，所述基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数的步骤之后包括：

基于所述飞行几何关系，控制所述无人机与所述目标物连线的视线欧拉角在预设时间内保持预设固定值，以使所述无人机与所述目标物的相对位置锁定。

可选地，所述获取无人机、目标物的运动状态参数的步骤之前包括：

判断所述目标物与手柄的全球定位导航系统GPS信号是否满足预设定位条件；

若所述目标物与所述手柄的GPS信号不满足所述预设定位条件，则控制所述无人机悬停；

若所述目标物与所述手柄的GPS信号满足所述预设定位条件，则执行步骤：获取无人机、目标物的运动状态参数。

可选地，所述根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系的步骤之后包括：

获取所述无人机的云台的实际航向角、实际俯仰；

基于所述实际航向角、实际俯仰、所述飞行几何关系对所述云台的运动状态参数进行调整，得到云台更新参数，并基于所述云台更新参数对所述云台的运动状态进行调整，以使所述目标始终保持在所述云台的视场中心。

可选地，所述视线欧拉角包括高低角、方位角，所述基于所述飞行几何关系，控制所述无人机与所述目标物连线的视线欧拉角在预设时间内保持预设固定值的步骤包括：

基于所述飞行几何关系、所述无人机、目标物的运动状态参数，得到无人机速度、无人机位置、无人机航向指令；

基于所述无人机速度、无人机位置、无人机航向指令，控制所述无人机与所述目标物连线的高低角、方位角，在所述预设时间内保持所述预设固定值。

可选地，所述基于所述实际航向角、实际俯仰、所述飞行几何关系对所述云台的运动状态参数进行调整，得到云台更新参数的步骤包括：

基于所述飞行几何关系、所述无人机、目标物的运动状态参数，生成云台航向指令、云台俯仰指令；

基于所述云台航向指令、实际航向得到航向误差；

基于所述云台俯仰指令、实际俯仰得到俯仰误差；

若所述航向误差和/或俯仰误差大于预设误差阈值，则对所述航向误差和/或俯仰误差进行修正，得到修正航向和/或修正俯仰，作为所述云台更新参数。

可选地，所述基于所述飞行几何关系，控制所述无人机与所述目标物连线的视线欧拉角在预设时间内保持预设固定值的步骤之后包括：

基于所述几何关系控制所述无人机的镜头朝向所述手柄所在的水平方向；

基于所述几何关系控制所述无人机的云台指向所述目标物。

可选地，所述控制所述无人机悬停的步骤包括：

若所述无人机未处于水平飞行姿态，则调整所述无人机后方电机的转速，以使所述无人机调整为水平悬停姿态；

若所述无人机的高度不满足预设高度，则调整所述无人机前方电机、后方电机的转速，以使所述无人机在所述预设高度悬停。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种无人机的伴飞系统，所述系统包括：

参数获取模块，用于获取无人机、目标物的运动状态参数；

几何关系建立模块，用于根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；

运动状态控制模块，用于基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种终端设备，所述终端设备包括：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无人机的伴飞方法，所述无人机的伴飞的程序被所述处理器执行时实现如上所述的无人机的伴飞方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有无人机的伴飞的程序，所述无人机的伴飞的程序被处理器执行时实现如上所述的无人机的伴飞方法的步骤。

本发明实施例提出的无人机的伴飞方法、系统、终端设备及存储介质，获取无人机、目标物的运动状态参数；根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。本发明通过获取无人机、无人机伴飞的目标物的运动状态参数，构建了一种飞行几何关系，以此保证无人机与目标物的相对距离一定；基于飞行几何关系对无人机当前的运动状态参数据进行更新，得到更新状态参数，以根据更新状态参数对无人机的运动状态进行调整，进而使无人机与目标物保持相对距离一定，精准跟踪目标物，实现无人机跟随目标物伴飞。

附图说明

图1为本发明无人机的伴飞装置所属终端设备的功能模块示意图；

图2为本发明无人机的伴飞方法第一实施例的流程示意图；

图3为本发明无人机的伴飞方法第二实施例的流程示意图；

图4为本发明无人机的伴飞方法第三实施例的流程示意图；

图5为本发明无人机的伴飞系统的功能模块示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的主要解决方案是：获取无人机、目标物的运动状态参数；根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。

本发明实施例涉及的技术术语：

GPS：(Global Positioning System，全球定位系统)，是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间参数。

PID控制算法：(Proportion Integral Differential)，Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。

IMU：(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)，用于测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度。一般情况，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

云台：是安装固定手机，相机，摄像机的支撑设备，它分为固定云台和电动云台两种。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。

解耦：耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。解耦就是用数学方法将两种运动分离开来处理问题，常用解耦方法就是忽略或简化对所研究问题影响较小的一种运动，只分析主要的运动。

无人机具有体积小、质量轻、无人驾驶、垂直起降、定点悬停、操作性好等优势。其中，无人机飞行控制系统的设计是实现无人机自主飞行的关键与核心，飞行控制系统性能的优劣直接决定了无人机的飞行性能及其完成任务的情况。

现有无人机需要采用控制设备，例如遥控器、智能手机或者触屏模拟摇杆等控制设备对无人机进行精准控制。但现有无人机与用户之间位置参数交互，仅通过无人机内部的视觉设备进行跟踪，进而，控制设备只能实现无人机低速伴飞，无法实现无人机跟车伴飞，一旦无人机与目标物的距离超过控制区域就容易脱离控制，且视觉跟踪容易无法追寻而造成目标物丢失。

本发明提供一种解决方案，控制无人机与目标物保持相对距离一定，精准跟踪目标物，实现无人机与目标物高速伴飞。

具体地，参照图1，图1是本发明无人机的伴飞装置所属终端设备的功能模块示意图。该无人机的伴飞装置可以为独立于终端设备的、能够进行图片处理、网络模型训练的装置，其可以通过硬件或软件的形式承载于终端设备上。该终端设备可以为手机、平板电脑等具有数据处理功能的智能移动终端，还可以为具有数据处理功能的固定终端设备或服务器等。

在本实施例中，该无人机的伴飞装置所属终端设备至少包括输出模块110、处理器120、存储器130以及通信模块140。

存储器130中存储有操作方法以及无人机的伴飞程序；输出模块110可为显示屏等。通信模块140可以包括WIFI模块、移动通信模块以及蓝牙模块等，通过通信模块140与外部设备或服务器进行通信。

其中，存储器130中的无人机的伴飞程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取无人机、目标物的运动状态参数；

根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；

基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。

进一步地，存储器130中的无人机的伴飞程序被处理器执行时还实现以下步骤：

基于所述飞行几何关系，控制所述无人机与所述目标物连线的视线欧拉角在预设时间内保持预设固定值，以使所述无人机与所述目标物的相对位置锁定。

进一步地，存储器130中的无人机的伴飞程序被处理器执行时还实现以下步骤：

判断所述目标物与手柄的全球定位导航系统GPS信号是否满足预设定位条件；

若所述目标物与所述手柄的GPS信号不满足所述预设定位条件，则控制所述无人机悬停；

若所述目标物与所述手柄的GPS信号满足所述预设定位条件，则执行步骤：获取无人机、目标物的运动状态参数。

进一步地，存储器130中的无人机的伴飞程序被处理器执行时还实现以下步骤：

获取所述无人机的云台的实际航向角、实际俯仰；

基于所述实际航向角、实际俯仰、所述飞行几何关系对所述云台的运动状态参数进行调整，得到云台更新参数，并基于所述云台更新参数对所述云台的运动状态进行调整，以使所述目标始终保持在所述云台的视场中心。

进一步地，存储器130中的无人机的伴飞程序被处理器执行时还实现以下步骤：

基于所述飞行几何关系、所述无人机、目标物的运动状态参数，得到无人机速度、无人机位置、无人机航向指令；

基于所述无人机速度、无人机位置、无人机航向指令，控制所述无人机与所述目标物连线的高低角、方位角，在所述预设时间内保持所述预设固定值。

进一步地，存储器130中的无人机的伴飞程序被处理器执行时还实现以下步骤：

基于所述飞行几何关系、所述无人机、目标物的运动状态参数，生成云台航向指令、云台俯仰指令；

基于所述云台航向指令、实际航向得到航向误差；

基于所述云台俯仰指令、实际俯仰得到俯仰误差；

若所述航向误差和/或俯仰误差大于预设误差阈值，则对所述航向误差和/或俯仰误差进行修正，得到修正航向和/或修正俯仰，作为所述云台更新参数。

进一步地，存储器130中的无人机的伴飞程序被处理器执行时还实现以下步骤：

基于所述几何关系控制所述无人机的镜头朝向所述手柄所在的水平方向；

基于所述几何关系控制所述无人机的云台指向所述目标物。

进一步地，存储器130中的无人机的伴飞程序被处理器执行时还实现以下步骤：

若所述无人机未处于水平飞行姿态，则调整所述无人机后方电机的转速，以使所述无人机调整为水平悬停姿态；

若所述无人机的高度不满足预设高度，则调整所述无人机前方电机、后方电机的转速，以使所述无人机在所述预设高度悬停。

本实施例通过上述方案，具体获取无人机、目标物的运动状态参数；根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。本发明通过获取无人机、无人机伴飞的目标物的运动状态参数，构建了一种飞行几何关系，以此保证无人机与目标物的相对距离一定；基于飞行几何关系对无人机当前的运动状态参数据进行更新，得到更新状态参数，以根据更新状态参数对无人机的运动状态进行调整，进而使无人机与目标物保持相对距离一定，精准跟踪目标物，实现无人机跟随目标物伴飞。

基于上述终端设备架构但不限于上述架构，提出本发明方法实施例。

参照图2，图2为本发明无人机的伴飞方法第一实施例的流程示意图。所述无人机的伴飞方法包括：

步骤S101，获取无人机、目标物的运动状态参数。

本实施例方法的执行主体可以是一种无人机的伴飞装置，也可以是一种无人机的伴飞终端设备或服务器，本实施例以无人机飞行控制系统进行举例，该无人机飞行控制系统可以集成在具有数据处理功能的无人机、智能手机、平板电脑等终端设备上。

为了实现无人机跟随目标物伴飞，首先，需要获取无人机、目标物的运动状态参数，具体方案如下：

作为一种实施方式，在本实施例中，将汽车作为目标物。

当无人机起飞后，通过汽车的电脑系统获取汽车的运动状态参数。

具体地，通过汽车的电脑系统获取汽车的加减速信息、GPS位置、转向信号。

进一步地，车机中控获取汽车的运动状态参数并输出。

具体地，首先，车机中控将汽车的运动状态参数输出，并判断汽车与手柄的GPS信号是否满足预设定位条件，其中，预设定位条件为汽车与手柄的GPS信号与实际位置相符。

若汽车与手柄的GPS信号不满足预设定位条件，则控制无人机悬停。

其中，无人机悬停是无人机通过内部的陀螺仪传感器，感知到自身角度的偏转量。在无人操控无人机的情况下，假设无人机姿态向后倾斜，无人机能立即检测到细微的偏转角度，飞行控制系统会立即发出命令使无人机的后方电机加快转速，使无人机调整成水平飞行姿态。

进一步地，若无人机未处于水平飞行姿态，则调整无人机后方电机的转速，以使无人机调整为水平悬停姿态。

具体地，无人机的GPS模块可以接收卫星定位信号，提供无人机的三维坐标至飞行控制系统，若无人机的水平飞行姿态发生偏移，无人机的GPS水平坐标会发生变化，飞行控制系统能立即调整电机的转速使无人机飞回原来的GPS定位点，以使无人机调整为水平悬停姿态。飞行控制系统调整频率在50-100Hz，肉眼几乎不可察觉。

若无人机的高度不满于预设高度，则调整无人机前方电机、后方电机的转速，以使无人机在预设高度悬停。

具体地，无人机内部设有气压计传感器、GPS传感器(此处利用到GPS三维坐标的高度信息)，可以实时检测无人机的飞行高度。如果无人机的飞行高度不满足预设高度，飞行控制系统会立即发送命令控制无人机4个电机(前方电机、后方电机)的转速来保持无人机的高度不变。

需要说明的是，预设高度根据实际情况进行设定，本实施例对此不做具体地限定。

若汽车与手柄的GPS信号满足预设定位条件，则开启伴飞模式。

因此，若汽车GPS与无人机GPS能够实现精准定位，无人机飞行控制系统通过获取汽车与无人机双方的相对运动信息，可以调整无人机的加速度、速度、位置，精准、流畅、快速响应伴飞。

其次，手柄通过WIF接收到汽车的运动状态参数后，将汽车的GPS位置信息与自身的GPS位置信息对比融合，并通过2.4G图传模块输出至无人机，使无人机开启伴飞模式。

当无人机开启伴飞模式后，基于无人机与汽车的GPS相对定位，无人机与汽车不断进行匹配，保持动态平衡的状态。其中，无人机不仅可以追随汽车飞行，无人机还可以按照航线飞行，飞行速度可达70-90km/h。

进一步地，无人机开启伴飞模式后，无人机飞行控制系统接收到手柄发送的汽车的运动状态参数，并获取无人机的运动状态参数，其中，运动状态参数包括加减速信息、GPS位置、转向信号。

由此，通过获取汽车与无人机的运动状态参数，为后续根据汽车的运动状态参数调整无人机的运动状态参数做准备，精准跟踪汽车，实现无人机智能跟车伴飞。

步骤S102，根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系。

步骤S103，基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整。

作为一种实施方式，在本实施例中，首先，根据无人机、目标物的运动参数建立飞行几何关系；其次，基于几何关系将无人机与目标物的相对位置锁定；再次，对无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，以使无人机根据更新状态参数调整当前的运动状态，精准、流畅、快速地响应伴飞。

具体地，首先，根据无人机、目标物的运动参数建立飞行几何关系，以保持伴飞的稳定性；并基于飞行几何关系，控制无人机与目标物连线的视线欧拉角在预设时间内保持预设固定值，以使无人机与目标物的相对位置锁定。

更为具体地，基于飞行几何关系，当无人机伴飞时，通过控制无人机的位置和/或速度和/或者加速度，使无人机和地面目标物连线的高低角、方位角保持长时间的固定值，在具体实施过程中，高低角和方位角可以是1°、2°……等任意角度。

其中，视线欧拉角包括高低角、方位角，伴飞时无人机与目标物连线的高低角和方位角在一定时间内保持不变，这个时间包括但不限于5s、10s、20s……等大于5s的任意时间。考虑到实际的控制误差，伴飞过程中，高低角和方位角的误差在实际计算角度±3°的范围以内，将大于5s的任意时间作为预设时间，预设固定值为基于飞行几何关系，计算得到的高低角、方位角。

其次，基于几何关系将无人机与目标物的相对位置锁定之后包括：

(1)基于几何关系控制无人机的镜头朝向手柄所在的水平方向。

在本实施例中，无人机和手柄上都有GPS模块，无人机可以通过GPS信号获取自身的三维位置信息，手柄可以获取汽车的三维位置信息。当开启伴飞模式后，手柄的GPS数据会通过2.4G图传模块传输给无人机，无人机接收到GPS数据后会将自身的GPS位置与手柄GPS位置相互绑定，这能使手柄位移的时候，无人机能够实时检测到相对位置的变化。从而无人机的IMU能控制无人机一直保持与手柄的相对位置和高度不变。

进一步地，无人机能通过地磁传感器判别自身机头的朝向，在伴飞模式中，无人机能使镜头一直朝向手柄所在的水平方向。

无人机能通过软件算法在伴飞过程中，使无人机的镜头一直朝向手柄的位置。即使在伴飞过程中手动调整无人机与手柄的相对位置，镜头也能保证被拍摄物(手柄信标)一直处于画面的左下角黄金分割点上。

具体地，无人机能通过PID控制算法在伴飞过程中对无人机的运动状态进行调整，使无人机的镜头一直朝向手柄的位置。即使在伴飞过程中手动调整无人机与手柄的相对位置，镜头也能保证被拍摄物(手柄信标)一直处于画面的左下角黄金分割点上。

由此，基于几何关系控制无人机的镜头朝向手柄所在的水平方向，使无人机与手柄的位置同步，即使在伴飞过程中手动调整无人机与手柄的相对位置，镜头也能保证被拍摄物(手柄信标)一直处于画面的左下角黄金分割点上。

(2)基于几何关系控制无人机的云台指向目标物。

作为一种实施方式，在本实施例中，虽然无人机的云台挂载在无人机上，但是，无人机的姿态与无人机的云台的姿态是独立的，因此，需要基于几何关系控制无人机的云台也指向目标物。

首先，获取无人机的位置信息、汽车的位置信息、云台的实际航向以及俯仰；其次，基于几何关系、无人机的位置信息、汽车的位置信息、云台的实际航向以及俯仰计算云台需要调整的航向角度以及姿态，以使无人机的云台指向汽车。

再次，基于飞行几何关系对无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，以使无人机根据更新状态参数调整当前的运动状态，精准、流畅、快速地响应伴飞。

具体地，当无人机伴飞时，首先，基于该飞行几何关系计算更新状态参数；其次，基于更新状态参数通控制无人机的位置和/或速度和/或者加速度，使无人机和地面目标物连线的高低角、方位角在一定时间内保持固定值，在具体实施过程中，高低角和方位角可以是1°、2°……等任意角度，一定时间为大于5s的任意时间，高低角和方位角的误差在实际计算角度±3°范围以内。

更为具体地，当汽车移动时，基于飞行几何关系，无人机根据汽车的加速度信息计算新的加速度，作为更新状态参数；然后，无人机根据新的加速度提前调整自身的飞行速度，以精准、流畅、快速地响应伴飞。

当汽车转向时，基于飞行几何关系，无人机根据汽车的转向信息计算新的转向角度，作为更新状态参数；然后，无人机根据新的转向角度提前调整自身的航向角度，以精准、流畅、快速地响应伴飞。

由此，通过上述方案，即使在目标物处于高速运动的情况下开启伴飞模式，手柄也可以将目标物的运动状态信息实时上传至无人机飞行控制系统，将目标物GPS位置信息与无人机GPS位置信息相融合，实现无人机位置与目标物位置按特定相对位置关系的跟随伴飞。在保持无人机与目标物特定相对位置关系时，无人机充分考虑了汽车加速度信息，提前调整飞行控制量和航向角度，实现精准、流畅、快速相应的伴飞。

本实施例通过上述方案，具体获取无人机、目标物的运动状态参数；根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。本发明通过获取无人机、无人机伴飞的目标物的运动状态参数，构建了一种飞行几何关系，以此保证无人机与目标物的相对距离一定；基于飞行几何关系对无人机当前的加速度、航向角度进行更新，得到更新状态参数，以根据更新状态参数对无人机的运动状态进行调整，进而使无人机与目标物保持相对距离一定、航向角度保持一致。并且，在保持无人机与目标物特定相对位置关系时，无人机充分考虑了汽车加速度信息，提前调整飞行控制量和航向角度，实现精准、流畅、快速相应的伴飞。

参照图3，图3为本发明无人机的伴飞方法第二实施例的流程示意图。

作为一种实施方式，在本实施例中，虽然无人机的云台挂载在无人机上，但是，无人机的姿态与无人机的云台的姿态是独立的，因此，当无人机开启伴飞模式后，无人机的云台的运动状态也需要进行控制。

首先，获取无人机、车辆(目标物)的运动状态参数。

具体地，当无人机起飞后，通过车辆的电脑系统获取车辆的运动状态参数。

更为具体地，通过车辆的电脑系统获取汽车的加减速信息、GPS位置、转向信号。

进一步地，通过无人机飞行控制系统获取车辆的运动状态参数、无人机的运动状态参数。

其次，根据无人机、目标物的运动状态参数计算视线欧拉角，并基于视线欧拉角、无人机、车辆的运动状态参数，生成云台航向指令、云台俯仰指令。

具体地，通过无人机飞行控制系统的相对运动处理模块对无人机、目标物的运动状态参数进行计算，得到视线欧拉角，其中，视线欧拉角包括无人机与目标物连线的高低角、方位角。

进一步地，将视线欧拉角、无人机、目标物的运动状态参数输入无人机飞行控制系统的解耦模块，得到云台航向指令、云台俯仰指令。

再次，获取无人机的云台的实际航向角、实际俯仰；基于云台航向指令、实际航向得到航向误差；基于所述云台俯仰指令、实际俯仰得到俯仰误差。

具体地，首先，获取云台的实际航向角、实际俯仰；其次，将云台航向指令、实际航向输入无人机飞行控制系统的误差获取模块，通过误差获取模块生成航向误差。

将云台俯仰指令、实际俯仰输入无人机飞行控制系统的误差获取模块，通过误差获取模块生成俯仰误差。

最后，判断航向误差和/或俯仰误差是否大于预设误差阈值。

若航向误差和/或俯仰误差大于预设误差阈值，则对航向误差和/或俯仰误差进行修正，得到修正航向和/或修正俯仰，作为云台更新参数。

具体地，若航向误差大于预设误差阈值，则将航向误差输入误差修正单元进行修正，得到修正航向，作为云台更新参数并生成飞机航向控制指令；将飞机航向控制指令输入云台航向控制模块，以控制云台的航向，使云台与车辆伴飞。

若俯仰误差大于预设误差阈值，则将俯仰误差输入误差修正单元进行修正，得到修正俯仰，作为云台更新参数并生成飞机俯仰控制指令；将飞机俯仰控制指令输入云台姿态控制模块，以控制云台的姿态，使云台与车辆伴飞。

若航向误差和/或俯仰误差不大于预设误差阈值，则将航向误差和/或俯仰误差，作为云台更新参数，将航向误差和/或俯仰误差输入云台姿态控制模块，以对云台的姿态进行调整，使云台与车辆伴飞。

由此，虽然无人机的姿态与无人机的云台的姿态是独立的，但是，当无人机开启伴飞模式后，对云台的运动状态也进行调整，使云台与车辆姿态一致。

需要说明的是，预设误差阈值根据实际情况进行设置，本实施例对此不做具体地限定。

本实施例通过上述方案，具体获取无人机、目标物的运动状态参数；根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。本发明通过获取无人机、无人机伴飞的目标物的运动状态参数，构建了一种飞行几何关系，以此保证无人机与目标物的相对距离一定；基于飞行几何关系对无人机当前的运动状态参数据进行更新，得到更新状态参数，以根据更新状态参数对无人机的运动状态进行调整，进而使无人机与目标物保持相对距离一定，精准跟踪目标物，实现无人机跟随目标物伴飞。通过获取云台的实际航向以及俯仰，对云台的航向角以及俯仰角进行调整，使云台与目标物伴飞。

参照图4，图4为本发明无人机的伴飞方法第三实施例的流程示意图。

当无人机起飞后，通过汽车的电脑系统获取汽车的运动状态参数。

具体地，通过汽车的电脑系统获取汽车的加减速信息、GPS位置、转向信号。

进一步地，车机中控获取汽车的运动状态参数并输出。

具体地，首先，车机中控将汽车的运动状态参数输出，并判断汽车与手柄的GPS信号是否满足预设定位条件，其中，预设定位条件为汽车与手柄的GPS信号与实际位置相符。

若汽车与手柄的GPS信号不满足预设定位条件，则控制无人机悬停。

其中，无人机悬停是无人机通过内部的陀螺仪传感器，感知到自身角度的偏转量。在无人操控无人机的情况下，假设无人机姿态向后倾斜，无人机能立即检测到细微的偏转角度，飞行控制系统会立即发出命令使无人机的后方电机加快转速，使无人机调整成水平飞行姿态。

进一步地，若无人机未处于水平飞行姿态，则调整无人机后方电机的转速，以使无人机调整为水平悬停姿态。

具体地，无人机的GPS模块可以接收卫星定位信号，提供无人机的三维坐标至飞行控制系统，若无人机的水平飞行姿态发生偏移，无人机的GPS水平坐标会发生变化，飞行控制系统能立即调整电机的转速使无人机飞回原来的GPS定位点，以使无人机调整为水平悬停姿态。飞行控制系统调整频率在50-100Hz，肉眼几乎不可察觉。

若无人机的高度不满于预设高度，则调整无人机前方电机、后方电机的转速，以使无人机在预设高度悬停。

具体地，无人机内部设有气压计传感器、GPS传感器(此处利用到GPS三维坐标的高度信息)，可以实时检测无人机的飞行高度。如果无人机的飞行高度不满足预设高度，飞行控制系统会立即发送命令控制无人机4个电机(前方电机、后方电机)的转速来保持无人机的高度不变。

需要说明的是，预设高度根据实际情况进行设定，本实施例对此不做具体地限定。

若汽车与手柄的GPS信号满足预设定位条件，则开启伴飞模式。

因此，若汽车GPS与无人机GPS能够实现精准定位，无人机飞行控制系统通过获取汽车与无人机双方的相对运动信息，可以调整无人机的加速度、速度、位置，精准、流畅、快速响应伴飞。

其次，手柄通过WIF接收到汽车的运动状态参数后，将汽车的GPS位置信息与自身的GPS位置信息对比融合，并通过2.4G图传模块输出至无人机，使无人机开启伴飞模式。

当无人机开启伴飞模式后，基于无人机与汽车的GPS相对定位，无人机与汽车不断进行匹配，保持动态平衡的状态。其中，无人机不仅可以追随汽车飞行，无人机还可以按照航线飞行，飞行速度可达70-90km/h。

进一步地，无人机开启伴飞模式后，无人机飞行控制系统接收到手柄发送的汽车的运动状态参数，并获取无人机的运动状态参数，其中，运动状态参数包括加减速信息、GPS位置、转向信号。

由此，通过获取汽车与无人机的运动状态参数，为后续根据汽车的运动状态参数调整无人机的运动状态参数做准备，精准跟踪汽车，实现无人机智能跟车伴飞。

进一步地，无人机飞行系统根据获取到的汽车与无人机的运动状态参数，对云台的俯仰角度进行调整，具体方案如下：

首先，根据无人机、目标物的运动状态参数计算视线欧拉角，并基于视线欧拉角、无人机、车辆的运动状态参数，生成云台俯仰指令。

具体地，通过无人机飞行控制系统的相对运动处理模块对无人机、目标物的运动状态参数进行计算，得到视线欧拉角。

进一步地，将视线欧拉角、无人机、目标物的运动状态参数输入无人机飞行控制系统的解耦模块，得到云台俯仰指令。

再次，获取无人机的云台的实际航向角、实际俯仰；基于云台俯仰指令、实际俯仰得到俯仰误差。

具体地，将云台俯仰指令、实际俯仰输入无人机飞行控制系统的误差获取模块，通过误差获取模块生成俯仰误差。

进一步地，判断俯仰误差是否大于预设误差阈值。

若俯仰误差大于预设误差阈值，则对俯仰误差进行修正，得到修正俯仰，作为云台更新参数。

具体地，若俯仰误差大于预设误差阈值，则将俯仰误差输入误差修正单元进行修正，得到修正俯仰，作为云台更新参数并生成飞机俯仰控制指令；将飞机俯仰控制指令输入云台姿态控制模块，以控制云台的姿态，使云台精准、流畅、快速响应伴飞。

若俯仰误差不大于预设误差阈值，则将俯仰误差，作为云台更新参数，将俯仰误差输入云台姿态控制模块，以对云台的姿态进行调整，使云台精准、流畅、快速响应伴飞。

由此，虽然无人机的姿态与无人机的云台的姿态是独立的，但是，当无人机开启伴飞模式后，对云台的运动状态也进行调整，使云台与车辆姿态一致。

需要说明的是，预设误差阈值根据实际情况进行设置，本实施例对此不做具体地限定。

进一步地，根据无人机、目标物的运动参数建立飞行几何关系，以保持伴飞的稳定性。

基于该飞行几何关系，当无人机伴飞时，通过控制无人机的位置和/或速度和/或者加速度，使无人机和地面目标物连线的高低角、方位角保持长时间的固定值，在具体实施过程中，高低角和方位角可以是1°、2°……等任意角度。

其中，伴飞时无人机与目标物连线的高低角和方位角在一定时间内保持不变，这个时间包括但不限于5s、10s、20s……等大于5s的任意时间。考虑到实际的控制误差，伴飞过程中，高低角和方位角的误差在实际计算角度±3°的范围以内。

进一步地，基于几何关系将无人机与目标物的相对位置锁定的方案如下：

(3)基于几何关系控制无人机的镜头朝向手柄所在的水平方向。

在本实施例中，无人机和手柄上都有GPS模块，无人机可以通过GPS信号获取自身的三维位置信息，手柄可以获取汽车的三维位置信息。当开启伴飞模式后，手柄的GPS数据会通过2.4G图传模块传输给无人机，无人机接收到GPS数据后会将自身的GPS位置与手柄GPS位置相互绑定，这能使手柄位移的时候，无人机能够实时检测到相对位置的变化。从而无人机的IMU能控制无人机一直保持与手柄的相对位置和高度不变。

进一步地，无人机能通过地磁传感器判别自身机头的朝向，在伴飞模式中，无人机能使镜头一直朝向手柄所在的水平方向。

无人机能通过软件算法在伴飞过程中，使无人机的镜头一直朝向手柄的位置。即使在伴飞过程中手动调整无人机与手柄的相对位置，镜头也能保证被拍摄物(手柄信标)一直处于画面的左下角黄金分割点上。

具体地，无人机能通过PID控制算法在伴飞过程中对无人机的运动状态进行调整，使无人机的镜头一直朝向手柄的位置。即使在伴飞过程中手动调整无人机与手柄的相对位置，镜头也能保证被拍摄物(手柄信标)一直处于画面的左下角黄金分割点上。

由此，基于几何关系控制无人机的镜头朝向手柄所在的水平方向，使无人机与手柄的位置同步，即使在伴飞过程中手动调整无人机与手柄的相对位置，镜头也能保证被拍摄物(手柄信标)一直处于画面的左下角黄金分割点上。

(4)基于几何关系控制无人机的云台指向目标物。

作为一种实施方式，在本实施例中，虽然无人机的云台挂载在无人机上，但是，无人机的姿态与无人机的云台的姿态是独立的，因此，需要基于几何关系控制无人机的云台也指向目标物。

首先，获取无人机的位置信息、汽车的位置信息、云台的实际航向以及俯仰；其次，基于几何关系、无人机的位置信息、汽车的位置信息、云台的实际航向以及俯仰计算云台需要调整的航向角度以及姿态，以使无人机的云台指向汽车。

进一步地，基于飞行几何关系对无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，以使无人机根据更新状态参数调整当前的运动状态，精准、流畅、快速地响应伴飞。

具体地，当无人机伴飞时，首先，基于该飞行几何关系计算更新状态参数；其次，基于更新状态参数通控制无人机的位置和/或速度和/或者加速度，使无人机和地面目标物连线的高低角、方位角在一定时间内保持固定值，在具体实施过程中，高低角和方位角可以是1°、2°……等任意角度，一定时间为大于5s的任意时间，高低角和方位角的误差在实际计算角度±3°范围以内。

更为具体地，当汽车移动时，基于飞行几何关系，无人机根据汽车的加速度信息计算新的加速度，作为更新状态参数；然后，无人机根据新的加速度提前调整自身的飞行速度，以精准、流畅、快速地响应伴飞。

当汽车转向时，基于飞行几何关系，无人机根据汽车的转向信息计算新的转向角度，作为更新状态参数；然后，无人机根据新的转向角度提前调整自身的航向角度，以精准、流畅、快速地响应伴飞。

作为另一种实施方式，根据飞行几何关系、无人机、目标物的运动状态参数计算视线欧拉角，并基于视线欧拉角、无人机、车辆的运动状态参数，生成云台航向指令。

具体地，通过无人机飞行控制系统的相对运动处理模块对无人机、目标物的运动状态参数进行计算，得到视线欧拉角。

进一步地，将视线欧拉角、无人机、目标物的运动状态参数输入无人机飞行控制系统的解耦模块，得到云台航向指令。

进一步地，获取无人机的云台的实际航向角、实际俯仰；基于云台航向指令、实际航向得到航向误差。

具体地，首先，获取云台的实际航向角；其次，将云台航向指令、实际航向输入无人机飞行控制系统的误差获取模块，通过误差获取模块生成航向误差。

进一步地，判断航向误差是否大于预设误差阈值。

若航向误差大于预设误差阈值，则对航向误差进行修正，得到修正航向，作为云台更新参数。

具体地，若航向误差大于预设误差阈值，则将航向误差输入误差修正单元进行修正，得到修正航向，作为云台更新参数并生成飞机航向控制指令；将飞机航向控制指令输入云台航向控制模块，以控制云台的航向，使云台与车辆伴飞。

若航向误差不大于预设误差阈值，则将航向误差，作为云台更新参数，将航向误差输入云台姿态控制模块，以对云台的姿态进行调整，使云台与车辆伴飞。

由此，虽然无人机的姿态与无人机的云台的姿态是独立的，但是，当无人机开启伴飞模式后，对云台的运动状态也进行调整，使云台与车辆姿态一致。

需要说明的是，预设误差阈值根据实际情况进行设置，本实施例对此不做具体地限定。

由此，通过上述方案，即使在目标物处于高速运动的情况下开启伴飞模式，手柄也可以将目标物的运动状态信息实时上传至无人机飞行控制系统，将目标物GPS位置信息与无人机GPS位置信息相融合，实现无人机位置与目标物位置按特定相对位置关系的跟随伴飞。在保持无人机与目标物特定相对位置关系时，无人机充分考虑了汽车加速度信息，提前调整飞行控制量和航向角度，实现精准、流畅、快速相应的伴飞。

本实施例通过上述方案，具体获取无人机、目标物的运动状态参数；根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。本发明通过获取无人机、无人机伴飞的目标物的运动状态参数，构建了一种飞行几何关系，以此保证无人机与目标物的相对距离一定；基于飞行几何关系对无人机当前的运动状态参数据进行更新，得到更新状态参数，以根据更新状态参数对无人机的运动状态进行调整，进而使无人机与目标物保持相对距离一定，精准跟踪目标物，实现无人机跟随目标物伴飞。

参照图5，图5为本发明无人机的伴飞系统的功能模块示意图。无人机的伴飞系统包括：

参数获取模块10，用于获取无人机、目标物的运动状态参数；

几何关系建立模块20，用于根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；

运动状态控制模块30，用于基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整。

本实施例实现无人机的伴飞的原理及实施过程，请参照上述各实施例，在此不再赘述。

此外，本发明实施例还提出一种终端设备，所述终端设备包括存储器、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无人机的伴飞程序，所述无人机的伴飞程序被所述处理器执行时实现如上所述的无人机的伴飞方法的步骤。

由于本无人机的伴飞程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有无人机的伴飞程序，所述无人机的伴飞程序被处理器执行时实现如上所述的无人机的伴飞方法的步骤。

由于本无人机的伴飞程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

相比现有技术，本发明提供的一种无人机的伴飞方法、系统、终端设备及存储介质，通过获取无人机、目标物的运动状态参数；根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。本发明精准跟踪目标物，实现无人机跟随目标物伴飞。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献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如上的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，被控终端，或者网络设备等)执行本发明每个实施例的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，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。

Claims (11)

1.一种无人机的伴飞方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

获取无人机、目标物的运动状态参数；

根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；

基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整，以使所述无人机与所述目标物伴飞。

2.根据权利要求1所述的无人机的伴飞方法，其特征在于，所述基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数的步骤之后包括：

基于所述飞行几何关系，控制所述无人机与所述目标物连线的视线欧拉角在预设时间内保持预设固定值，以使所述无人机与所述目标物的相对位置锁定。

3.根据权利要求1所述的无人机的伴飞方法，其特征在于，所述获取无人机、目标物的运动状态参数的步骤之前包括：

判断所述目标物与手柄的全球定位导航系统GPS信号是否满足预设定位条件；

若所述目标物与所述手柄的GPS信号不满足所述预设定位条件，则控制所述无人机悬停；

若所述目标物与所述手柄的GPS信号满足所述预设定位条件，则执行步骤：获取无人机、目标物的运动状态参数。

4.根据权利要求1所述的无人机的伴飞方法，其特征在于，所述根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系的步骤之后包括：

获取所述无人机的云台的实际航向角、实际俯仰；

基于所述实际航向角、实际俯仰、所述飞行几何关系对所述云台的运动状态参数进行调整，得到云台更新参数，并基于所述云台更新参数对所述云台的运动状态进行调整，以使所述目标始终保持在所述云台的视场中心。

5.根据权利要求2所述的无人机的伴飞方法，其特征在于，所述视线欧拉角包括高低角、方位角，所述基于所述飞行几何关系，控制所述无人机与所述目标物连线的视线欧拉角在预设时间内保持预设固定值的步骤包括：

基于所述飞行几何关系、所述无人机、目标物的运动状态参数，得到无人机速度、无人机位置、无人机航向指令；

基于所述无人机速度、无人机位置、无人机航向指令，控制所述无人机与所述目标物连线的高低角、方位角，在所述预设时间内保持所述预设固定值。

6.根据权利要求4所述的无人机的伴飞方法，其特征在于，所述基于所述实际航向角、实际俯仰、所述飞行几何关系对所述云台的运动状态参数进行调整，得到云台更新参数的步骤包括：

基于所述飞行几何关系、所述无人机、目标物的运动状态参数，生成云台航向指令、云台俯仰指令；

基于所述云台航向指令、实际航向得到航向误差；

基于所述云台俯仰指令、实际俯仰得到俯仰误差；

若所述航向误差和/或俯仰误差大于预设误差阈值，则对所述航向误差和/或俯仰误差进行修正，得到修正航向和/或修正俯仰，作为所述云台更新参数。

7.根据权利要求5所述的无人机的伴飞方法，其特征在于，所述基于所述飞行几何关系，控制所述无人机与所述目标物连线的视线欧拉角在预设时间内保持预设固定值的步骤之后包括：

基于所述几何关系控制所述无人机的镜头朝向所述手柄所在的水平方向；

基于所述几何关系控制所述无人机的云台指向所述目标物。

8.根据权利要求3所述的无人机的伴飞方法，其特征在于，所述控制所述无人机悬停的步骤包括：

若所述无人机未处于水平飞行姿态，则调整所述无人机后方电机的转速，以使所述无人机调整为水平悬停姿态；

若所述无人机的高度不满足预设高度，则调整所述无人机前方电机、后方电机的转速，以使所述无人机在所述预设高度悬停。

9.一种无人机的伴飞系统，其特征在于，包括：

参数获取模块，用于获取无人机、目标物的运动状态参数；

几何关系建立模块，用于根据所述无人机、目标物的运动状态参数建立飞行几何关系；

运动状态控制模块，用于基于所述飞行几何关系对所述无人机的运动状态参数进行更新，得到更新状态参数，并基于所述更新状态参数对所述无人机的运动状态进行调整。

10.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括存储器、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无人机的伴飞方法，所述无人机的伴飞的程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的无人机的伴飞方法的步骤。

11.一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上存储有无人机的伴飞的程序，所述无人机的伴飞的程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的无人机的伴飞方法的步骤。

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