TW201827298A - 用於無人飛行器之操控系統及其使用之中介裝置與無人飛行器 - Google Patents

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Abstract

一種用於無人飛行器之飛行操控系統，使無人機透過行動裝置的單次或少數螢幕觸控點擊就達成任務性飛行，其包含手持行動裝置及中介裝置。手持行動裝置具有一控制應用程式(APP)，藉以提供使用者輸入單次或少數螢幕觸控操控指令。中介裝置具有至少一微處理器，用以接收操控指令，其中微處理器係根據操控指令對應編譯為一系列執行訊號，並傳送至無人飛行器，以操控無人飛行器之飛行狀態。其中，當中介裝置未接收操控指令時，微處理器自行產生一懸停待命訊號以傳送至無人飛行器，致使該無人飛行器維持處於懸停飛行狀態。

Description

用於無人飛行器之操控系統及其使用之中介裝置與無人飛行器
本發明係有關於一種無人飛行器之飛行操控系統，特別是有關於一種藉由使用手持行動裝置之飛行操控系統。
無人飛行器由於具有可用來進行空中拍攝、搬運物件等功能，因此近年來愈趨受到重視及廣泛運用。然而目前一般的無人飛行器大多必須依靠額外的遙控器予以控制，例如常見的搖桿式遙控器，其特性在於具有搖桿，以提供使用者對方向及油門高低方面的較為精準操控，另一方面為了使用者容易把持操控，其體積往往相對龐大，致使造成攜帶上的不便利性。
此外，雖然現在亦有一些係提出藉由使用智慧型手機來對無人飛行器進行操控，其中因為智慧型手機是目前一般都會攜帶在身上的生活用品，如此在對於攜帶的方便性相當有助益。然而，藉由使用智慧型手機來操控的方式，雖然具有攜帶便利性，但因為觸控螢幕被用來模擬搖桿，其反應敏感度通常不如實體搖桿，且不同智慧型手機的觸控螢幕規格之差異性及每個使用者的皮膚導電度不同，因此一般手機軟體難以校正觸控螢幕的反應敏感度，這使得使用觸控螢幕控制無人飛行器的方向和油門經常出現時間延遲、反應不足等現象，而造成無法即時有效且準確地操控無人飛行器的飛行狀態。其次，使用者於操作過程中亦須一邊看智慧型手機或裝置的顯示螢幕，另一邊看無人飛行器，而且因為無人飛行器飛行速度快，使得允許視線脫離無人飛行器的時間很短，如此一來可以看智慧型手機或裝置的顯示螢幕時間變得極短，不易來的及透過螢幕界面進行需要的動作。因此，將必須耗費許久的練習時間才能熟習控制，而實際上係無法提供使用的便利性。
再者，另一類藉由智慧型手機控制取代搖桿的功能是則是透過智慧型手機中的方向感測器、加速度感測器或陀螺儀感應器等元件，來提供使用者進行直覺性的手持控制，雖然其可以避免觸控螢幕的反應敏感度問題，但方向感測器、重力加速度感測器等元件經常過於靈敏，而容易造成方向和油門經常出現過度反應，使得使用者於手持控制過程中，必須相當專注才能讓無人飛行器維持在期待的位置或動作，於是若要同步進行拍照或錄影，無人飛行器容易失控，而無法適切地控制無人飛行器，如此一來也是需要相當久的練習時間，才能一邊操控無人飛行器的飛行狀態，與一邊同步進行其他操作項目。
此外，運用方向感測器、加速度感測器或陀螺儀感應器等感測器時，手機必須有實際的移動或轉動，這使得螢幕上的顯示內容不容易觀看，也容易造成誤判。再者，因為這類感測器相當靈敏，使得使用者進行手控時必須得相當專注，才能讓無人飛行器維持在期待的位置或動作，於是若要分心同步進行拍照或錄影，無人飛行器容易失控，換言之，使用者必須是要練習相當久的時間，才能一邊操控無人飛行器，一邊進行其他功能項目，然而這也是使得無人飛行器在實際進行功能運用時，產生相當大的操控不便利性。另外，上述這類的操控方式，使用者的手必須不斷調整手機才能讓無人飛行器維持在相同的飛行狀態，這也讓當實際應用無人飛行器進行某種功能時，使用者仍必須額外點觸螢幕的特定位置，而增加操作上的複雜度與困難度。
鑑於上述傳統無人飛行器所存在的缺點，因此，亟需一種具更便利性的操控系統架構，以實際有效提升攜帶便利性與改善操控性。
本發明欲解決的問題為提供一種用於無人飛行器之飛行操控系統，特別是可具體改善操控與攜帶上的便利性
為解決上述的問題，本發明提出一種用於無人飛行器之飛行操控系統，其包含手持行動裝置及中介裝置。手持行動裝置具有一控制應用程式(APP)，藉以提供使用者輸入操控指令。中介裝置具有至少一微處理器，用以接收操控指令，其中微處理器係根據操控指令對應編譯一系列執行訊號，並傳送至無人飛行器，以操控無人飛行器之飛行狀態。其中，當中介裝置未接收操控指令時，微處理器自行產生一懸停待命訊號以傳送至無人飛行器，致使該無人飛行器維持處於懸停飛行狀態。
如此一來，本發明所揭示無人飛行器之飛行操控系統，其可提供使用者透過於手持行動裝置上進行簡單的觸控點擊操作，而無須繁複地於觸控面板上拖曳滑動以產生執行訊號，以降低感測元件之感應次數下，同時有效達到飛行控制效果目的。
請同時參照第一圖，其係繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之飛行操控系統的示意圖。如圖所示，一種用於無人飛行器130之飛行操控系統100，其包含一手持行動裝置110及一中介裝置120。手持行動裝置110具有一控制應用程式 (APP) 112，藉以提供一使用者輸入一操控指令。中介裝置120具有至少一微處理器122，用以接收操控指令，其中微處理器122根據操控指令對應編譯一執行訊號，並傳送至無人飛行器130，以操控無人飛行器130之飛行狀態。其中，當中介裝置120未接收操控指令時，微處理器122自行產生一懸停待命訊號以傳送至無人飛行器130，使該無人飛行器130維持處於懸停飛行狀態。
更進一步地說，除了當無人飛行器130降落於地面與無人飛行器130離開地面的狀態下及其電源關閉外，當無人飛行器130完成執行手持行動裝置110的操控指令後，中介裝置120的微處理器122將自動產生下達於原空間位置懸停飛行的懸停待命訊號給無人飛行器130，以等候下一個操控指令。此外，於本實施例中，手持行動裝置110可為一智慧型手機、一平板電腦或一智慧型穿戴式裝置。
於本發明之另一實施例中，控制應用程式112可包含一使用者操控顯示介面113。使用者操控顯示介面113可用以提供使用者藉由單次點擊觸控於手持行動裝置110上，以對應輸入操控指令，進而使無人飛行器130飛行至到達對應之指定位置。
其次，於本發明之另一實施例中，控制應用程式122則亦可藉由手持行動裝置110中的感測元件，例如：方向感測器、加速度感測器、移動感測器、水平感測器或陀螺儀感應器等感測元件，以感測使用者對於手持行動裝置110的手持輸入動作，以對應產生操控指令。再者，當手持行動裝置110的感測元件，進行感測使用者之手持輸入動作時，感測元件用以判讀感測訊號的訊號時間間隔不低於0.1，換言之，感測元件判斷，使用者之手持輸入動作的感測訊號不低於0.1秒才當做下一個指令，如此一來將可大幅降低感測器過於靈敏，而避免產生錯誤操控指令。更進一步地說，當使用者欲操控無人飛行器130飛行至到達對應之指定位置時，手持行動裝置110中的感測元件可藉由上述感應時間間隔限制，亦或控制應用程式122直接限制手持行動裝置110中的感測元件之感應次數，進而有效改善錯誤指令的產生。
於本案之另一實施例中，感測元件之感應可僅代表單項動作指令，而不是連續性的一連串指令，舉例來說，當使用者將行動裝置向右邊移動時，不管其向右移動一公分、兩公分或三公分等不同位移量，都代表相同的指令，而不是隨著行動裝置向右邊移動距離之增加而持續性地發出一連串指令。
換言之，感測元件之感測範圍係可具有一時間臨界值、一距離臨界值或一角度臨界值，且使用者係可依據實際操控需求，而針對感測元件之感測範圍予以設定臨界值，以對應產生不同的指令，例如，感測元件之水平感測位移量的距離臨界值可設為三公分，當於特定時間間隔內，若水平感測位移量不超過三公分，皆僅會對應產生一指令A；相對地，當於特定時間間隔內，若水平感測位移量超過三公分，除了對應產生指令A之外，亦會連續產生指令B。
此外，於本發明之再一實施例中，控制應用程式122則更可藉由手持行動裝置110中的麥克風收音元件，以接收使用者之語音輸入，進而對應產生操控指令。
請接續參照第二A圖，其係繪示本發明一較佳實施例之飛行顯示影像示意圖。使用者操控顯示介面113可更包含一飛行顯示影像114，用以顯示無人飛行器130之位置。舉例而言，飛行顯示影像114可為一雷達圖，其具有複數個同心圓116，並且同心圓116之間距係對應代表一特定距離長度，例如：10公尺或20公尺等距離，且此特定距離長度可依使用者之需求而對應調整之。
更進一步地說，如第二A圖所示之飛行顯示影像114，其中無人飛行器顯示影像130’係顯示代表實際操控飛行之無人飛行器130，而同心圓116之中心點則是使用者之標示相對位置。然而，另一實施例中，無人飛行器顯示影像130’亦可根據實際需求而設定為同心圓116之中心點，從而顯示之。如此一來，藉由第二圖所示使用者操控顯示介面113中之飛行顯示影像114及操控指令之產生輸入態樣，使用者即可透過於飛行顯示影像114中直接選定一指定位置，並予以進行單次點擊，從而使無人飛行器130飛行至到達對應之指定位置。
此外，請參照第二B圖，其係繪示本發明另一較佳實施例之飛行顯示影像示意圖。飛行顯示影像亦可時機操作需求而藉由多個同心半圓，予以顯示飛行器之位置。換言之，控制應用程式112之使用者操控顯示介面113，顯示多個同心半圓且其圓心位於手持行動裝置110之顯示螢幕的下邊緣中間，以提供使用者更為直覺且便利的操作介面。
此外，雖然本案係以第二Ａ圖和第二Ｂ圖所示的同心圓或半圓予以示意揭露，惟本發明不以此為限，亦可依實際設計與操控需求而於其他實施例中，以半圓以上的圓弧線或半圓以下的圓弧線予以顯示相對位置。
另外，飛行顯示影像114中亦可透過同心圓116的線條顏色或形狀，以區別顯示飛行高度，例如第二圖中之無人飛行器顯示影像130’，其所位於之同心圓的線條係顯示為虛線，而使用者即可對照高度表而可得知無人飛行器130的飛行高度。再者，於本案另一實施例中，飛行顯示影像114中亦可透過顏色順序表示高度等方式（例如彩虹顏色順序），讓螢幕上的2D圓弧可以達到顯示無人飛行器的3 D空間位置或擬控制其飛行過去之位置。其中，此顏色可顯示在同心圓116的圓弧線上，也可顯示在代表無人機位置之標示圖案上。此外，於本案再一實施例中，弧線線條顏色或形狀之變更，其係可藉由實體按鈕或螢幕虛擬顯示按鈕圖示，以提供使用者予以點擊操控。
本案除了提供可以單次點擊觸控，予以進行產生操控指令外，於本發明之另一實施例中，使用者操控顯示介面113亦可提供使用者連續多次點擊觸控抑或長按觸控，以產生一綁定操控指令，使無人飛行器130對應執行一預設動作。舉例而言，使用者可預設連續兩次點擊觸控之操作，其將綁定對應產生攝影操控指令，如此一來，使用者將可透過連續兩次點擊觸控於使用者操控顯示介面113上，進而產生攝影操控指令，進而使無人飛行器130開啟拍攝功能，以拍攝即時影像。另外，於另一實施例中，使用者操控顯示介面113亦可具有獨立的功能顯示按鍵，例如拍攝、錄影的顯示按鍵等，以分別提供使用者點擊觸控，而對應進行拍攝、錄影等功能。如此一來，藉由上述點擊觸控之操作機制，將可大幅提升使用者於操控上的便利性。
另一方面，使用者操控顯示介面113亦可同步顯示即時影像於手持行動裝置110上，並且使用者亦可於操控顯示介面113所顯示之即時影像上直接選定一指定位置，並予以進行單次點擊，從而使無人飛行器130飛行至到達對應之指定位置。
再者，於本發明之一實施例中，中介裝置120可為一可攜式裝置或穿戴式裝置。中介裝置120與手持行動裝置110之間係可採用有線或無線通訊技術以進行傳輸操控指令，其中無線通訊技術例如是藍牙或wifi無線通訊技術。另一方面，中介裝置120與無人飛行器130之間亦採用無線通訊技術進行傳輸執行訊號，而其可為ZigBee、RF、ANT或紅外線無線通訊技術。當無人飛行器130接收自中介裝置120所傳送的執行訊號，則將執行訊號轉譯為給予馬達動力的控制電壓、電流值之對應控制訊號，或是提供給電子變速器(Electronic speed control; ESC)的調變訊號（如pwm等）。如此一來，藉由中介裝置120分別與無人飛行器130及手持行動裝置110之間的無線通訊傳輸，使得無人飛行器130的遠端操控距離不受限於手持行動裝置110的無限傳輸距離。換言之，中介裝置120於操控指令對應編譯執行訊號時，亦同時加強放大其訊號強度，以擴大增加有效傳輸距離。
請參照第三A圖，其繪示本發明一較佳實施例之中介裝置120之控制電路140示意圖。本案另一主要技術特徵，其係在於提供使用者於操控無人飛行器130的過程中，可以讓無人飛行器130隨時進行懸停，從而提供使用者於操控上更具有便利性，因此如第三圖所示，中介裝置120可包含一控制電路140，用以提供無人飛行器130可懸停穩定之控制訊號。其中，控制電路140具有輸入端及輸出端，且輸入端係用以接收微處理器122編譯之執行訊號。控制電路140亦包含一P型金氧半電晶體(Pmos)141、一N型金氧半電晶體(Nmos)142及一控制電阻144。
更仔細地說，P型金氧半電晶體141之閘極係電性連接至輸入端，P型金氧半電晶體141之源極電性連接至供應電壓。N型金氧半電晶體142之閘極係電性連接至輸入端，N型金氧半電晶體142之汲極係電性連接至P型金氧半電晶體141之汲極及輸出端，且N型金氧半電晶體142之源極電性接地。於本實施例中，控制電阻144係為一可變電阻，且可變電阻之第一端係同時電性連接至供應電壓及P型金氧半電晶體(Pmos)141之源極，可變電阻之第二端則電性接地，且可變電阻之第三端電性連接至輸出端。惟本發明不以此為限，控制電阻144亦可為兩電阻值相同之串接電阻，其中兩電阻之互相連接之一端係電性連接至輸出端，而兩電阻之另一端係分別連接至P型金氧半電晶體(Pmos)141之源極及電性接地。
請同步參照第三C圖，其繪示第三A圖中之切換控制電路的輸入電壓與輸出電壓之關係圖。如圖所示，對應於連續線性之輸入電壓，其輸出電壓係呈現三階之階梯狀電壓輸出曲線，然而中間水平穩定的輸出電壓區間，則可用於無人飛行器130於懸停飛行狀態，如此將可大幅避免誤觸或雜訊而對無人飛行器130之飛行狀態產生大幅度的變動。
請接續參照第三B圖，其繪示本發明另一較佳實施例之中介裝置120之控制電路140示意圖。如圖所示，控制電路140可包含第一開關143A，用以提供使用者切換選擇由手持行動裝置110或中介裝置120之搖桿介面予以操控無人飛行器130。更具體地說，第一開關143A之兩端則分別電性連接至輸出端及P型金氧半電晶體141之汲極與N型金氧半電晶體142之汲極。另外，控制電路140可包含一第二開關143B，其中第二開關143B之兩端係分別電性連接至P型金氧半電晶體141之源極及供應電壓(Vcc)。
再者，更進一步地說，當控制電路140之第一開關143A處於閉路(closed)狀態時時，中介裝置120所對應輸出至無人飛行器130之執行訊號，其係由微處理器122根據操控指令編譯且再經過切換控制電路140予以訊號處理所產生之執行訊號。相對而言，當切換控制電路之第一開關143A處於開路(open)狀態時，中介裝置120輸出由其搖桿介面所產生之執行訊號至無人飛行器。如此一來，使用者可透過控制第一開關143A之閉路(closed)或開路(open)狀態，來選擇切換至搖桿介面或手持行動裝置110之使用者操控顯示介面以遙控無人飛行器130，且無須重新關閉啟動無人飛行器130。於本發明之一實施例中，手持行動裝置110可具有一介面開關選擇鍵，提供使用者切換開閉選擇第一開關143A及第二開關143B之閉路(closed)或開路(open)狀態。
換言之，中介裝置120之控制電路140之設計配置係可依照實際應用而予以調整，舉例而言，如第三A圖，當控制電路140未設置第一開關143A及第二開關143B時，無人飛行器130則是純粹僅能透過手持行動裝置110之使用者操控顯示介面而予以遙控操作其飛行狀態。然而，另一方面如第三B圖所示，當控制電路140係採設置第一開關143A、第二開關143B與控制電阻144之可變電阻的電路設計時，使用者即可選擇在手持行動裝置110或在中介裝置120之搖桿介面之間切換控制，從而增加於無人飛行器130之操控彈性。此外，第三A圖所示之控制電路140，其僅對應用於搖桿介面的一個控制通道。一般而言，搖桿介面的操控係可以前後左右搖動，亦即代表其可以控制兩個通道，而兩個搖桿則共需四個控制通道，因此當應用於四個控制通道時，則需要四個控制電路140以有效操控無人飛行器130前後左右之飛行方向。
舉例而言，如第三D圖所示本發明另一較佳實施例之中介裝置120，其包含無線傳輸模組121、微處理器122、第一運算放大器125A、第二運算放大器125B、繼電器126A、B及控制電路140A-D。然而，當無線傳輸模組121接收自手持行動裝置110的操控指令後，即予以對應轉換成一組程式語言並由微處理器122執行，而透過此程式語言提供予無人飛行器一系列飛行動作。然而，當使用者選擇透過手持行動裝置110予以提供一系列的模擬搖桿動作電壓時，微處理器122根據操控指令編譯且經由第一運算放大器125A予以傳送至控制電路140A-D，進行訊號處理而產生執行訊號。然而，於本發明之另一實施例中，若微處理器122輸出的訊號強度充足，也可以不需要經由第一運算放大器125A予以增強其強度，而可以直接送至控制電路140A-D。接著再透過無線傳輸模組121予以傳送至無人飛行器130，如此一來藉由上述中介裝置120及其微處理器122及控制電路140A-D之操控，即可大幅簡化使用者之操作動作，而不需進行細微且精準的手動即時操控。其中，雖然本實施例係皆由同一個無線傳輸模組121予以接收操控指令及傳輸執行訊號，惟本發明不以此為限，亦可根據實際設計需求而分別由不同無線傳輸模組進行接收與傳輸。
再者，另一方面，當使用者係切換使用中介裝置120之搖桿介面予以提供搖桿動作電壓，則微處理器122則根據操控指令編譯且經由第二運算放大器125B及繼電器126A、B，以產生執行訊號(control A-D)，從而操控無人飛行器130所需要的對應動作。
此外，本發明所揭示之無人飛行器130與中介裝置120，其主要係具有懸停功能，特別是當中介裝置120未接收操控指令時，中介裝置120中之微處理器122將產生一懸停待命訊號以傳送至無人飛行器130，致使該無人飛行器130維持處於懸停飛行狀態。
更進一步地說，請參照第四A圖，其繪示本發明一較佳實施例之無人飛行器130之功能方塊圖。如圖所示，無人飛行器130可包含一懸停偵測模組133及一微處理器132，其中懸停偵測模組133更包含一投射單元133A及一擷取單元133B。投射單元133A係用以自無人飛行器130上，朝地面發射兩平行光束及一組特定圖案(例如：等邊方格圖案等)。擷取單元133B則係用以擷取投射於地面之特定圖案及其兩平行光束射投射至地面之對應光點的投射影像，並將影像傳輸至微處理器132進行分析判讀無人飛行器130是否維持處於懸停飛行狀態。
其中，當特定圖案沒有變形時，則表示無人飛行器130處於水平位置，此時兩平行光束係與地面完全垂直，換言之兩平行光束投射在地面的光點距離是固定的，然而當無人飛行器130遠離地面時，簡易影像元件擷取的兩個光點距離就會變小，反之則變大。再者，光點距離之變化量將可藉由無人飛行器130上的微處理器132予以計算並轉成控制訊號，以調整無人飛行器之飛行狀態，從而可以維持在固定高度。
然而，於本發明之另一實施例中，投射單元133A係用以一特定波長的投射光，(例如使用雷射二極體之雷射光或是窄波寬之發光二極體的發射光)，而予以投射出兩平行光束及一組特定圖案。再者，擷取單元133B可更包含一濾光片，其用以對應篩選平行光束及特定圖案之特定窄頻寬波長光波，並遮蔽其他自然環境光源，而可擷取出僅顯示特定圖案及平行光束所投影出之兩光點的影像，致使可大幅簡化微處理器132處理影像計算和演算的程序，從而讓無人飛行器130無需要搭配使用運算功能極強大的高階微處理器， 以有效降低整體實際應用成本。
請參照第四B圖，其繪示本發明另一較佳實施例之無人飛行器130之功能方塊圖。如圖所示，無人飛行器130可更包含一位移偵測模組134，其中位移偵測模組134包含一投射單元134A及一擷取單元134B。其中，擷取單元134B以一預設時間間隔，連續擷取投射單元134A所投射之特定圖案之投射影像，並且傳送至微處理器132以比對其差異，進而運算出無人飛行器130之飛行移動方向。更仔細地說，因為地面通常往往難以完全平整光滑，只要存有一點高低差，或是對光的反射差異，無人飛行器130在不同位置時所投射在地面的特定圖案就會有產生差異變化，因此擷取單元134B所擷取的特定圖案影像之間，就會產生對應之差異資訊。如此一來，無人飛行器130上的微處理器132藉由特定圖案影像彼此間之差異資訊，可有效演算並轉化成控制訊號，讓無人飛行器130可以於水平方向上維持與原位置於一定距離範圍內。此外，由於本實施例之投射單元134A及擷取單元134B，其主要功能特徵係與前述之投射單元133A及擷取單元133B大致相同，故在此不再贅述之。
此投射單元134A之投射圖案可以與前述133A不同或相同，依據效果決定。此外，在擷取單元134B也可包含一濾光片，其用以對應篩選平行光束及特定圖案之特定窄頻寬波長光波，並遮蔽其他自然環境光源，可以使影像計算和演算的程序簡化，達到與前述之投射單元133A及擷取單元133B大致相同，故在此不再贅述之。
再者，上述無人飛行器130中的擷取單元133B及134B亦可提供使用者進行自拍，用以擷取使用者的影像。更具體地說，無人飛行器130中的擷取單元133B及134B之擷取鏡頭係設置朝向使用者，亦即當無人飛行器130朝前飛行時，擷取鏡頭係朝後反向對準使用者，從而提供使用者更為直覺且便利之操作方式。另外，擷取鏡頭亦可根據無人飛行器130之飛行高度與飛行角度，而自動對應調整其俯仰角度。於另一實施例中，擷取單元133B及134B係可預設所擷取之影像，其下緣係需包含有地面部分，另一方面，擷取單元133B及134B係可左右自動旋轉，並預設讓中介裝置120的水平座標位於擷取影像範圍之左右方向的中間位置。此外，於本發明之再一實施例中，擷取單元134B或133B至少其中之一，其係具有兩相機，分別用以提供使用者進行自拍攝影以及進行擷取篩選僅具有某特定窄頻寬波長光波之投影影像。其中，由於用以擷取僅具有某特定窄頻寬波長光波之投影影像的相機，其像素與影像處理之設備規格需求不高，因此透過藉由搭配使用兩台功能規格高與低，來提供使用者自拍與擷取投影影像，將可有效降低整體製造成本與影像運算處理時間。
請接續參照第五A圖，其繪示本發明另一較佳實施例之無人飛行器130及中介裝置120之功能方塊圖。如圖所示，無人飛行器130可更包含一超音波脈波發射模組135A及一光波脈波發射模組135B，而中介裝置120可更包含一超音波脈波接收模組123A及一光波脈波接收模組123B。無人飛行器130中之超音波脈波發射模組135A及一光波脈波發射模組135B係分別用以同時發射超音波脈衝和光波脈衝。中介裝置120中之超音波脈波接收模組123A及光波脈波接收模組123B，則是用以分別對應偵測接收超音波脈波發射模組135A及光波脈波發射模組135B所發射之超音波脈衝和光波脈衝。然而，由於光波的傳遞速率對於聲波係極快，而光波脈衝亦可以視為發射後即刻傳輸到達中介裝置120，因此當超音波脈衝和光波脈衝同時發射自無人飛行器130後，其兩者抵達中介裝置120的時間將產生差異。然而，中介裝置120則紀錄接收超音波脈衝和光波脈衝到達的時間資訊，並將此時間資訊提供至中介裝置120之微處理器122，使微處理器122據以計算其時間差，並將此時間差乘以音波速度以得到無人飛行器130與中介裝置120的距離。
藉由上述超音波脈波發射模組135A及光波脈波發射模組135B與超音波脈波接收模組123A及光波脈波接收模組123B，使用者可以在不具有GPS訊號環境下，依然仍可有效獲得使用者與無人飛行器的相對距離和相對位置座標。再者，於本實施例中，光波脈波發射模組135B係可為一發光二極體，用以產生發射光波脈衝。更具體且仔細地說，因為使用者與無人飛行器的相對距離是由音波的波速計算得到，不是由光波波速得到，所以不需要非常短的時間脈衝，例如如果聲波脈衝時間寬是100us，空氣中音速約為350m/s，則距離準確度就可達3.5cm，而如此於無人飛行器的飛行範圍內，其係可大幅提供相當高的準確度。另外，因為音波與發光二極體所產生的光係可以不具有很高的方向性，所有可讓無人飛行器130在很大的飛行範圍內都可以讓中介裝置120測量出兩者相對距離。
相對而言，於本發明之另一實施例中，亦可根據實際需求，予以設計讓中介裝置120則是具有脈波發射模組，而無人飛行器130具有脈波接收模組及其對應處理器。
請接續參照第五B圖，其繪示本發明另一較佳實施例之無人飛行器130及中介裝置120之功能方塊圖。如圖所示，無人飛行器130可更包含一燈號顯示模組136，而中介裝置120則可更包含一燈號偵測模組124。燈號顯示模組136包含至少三個燈號，其中此些燈號至少有兩種不同顏色，而中介裝置120中之燈號偵測模組124則是對應擷取無人飛行器130上的燈號顯示模組136所顯示產生的燈號影像，並予以傳送至中介裝置120之微處理器122。接著，微處理器122則據以進行圖像運算並分析判讀出無人飛行器130的機身方向及飛行角度，而此些飛行資訊回傳至手持行動裝置110或是給中介裝置120的微處理器，以提供作為控制無人飛行器130的指令依據。
此外，雖然本實施例中，燈號偵測模組124係揭示以配置於中介裝置120中，惟本發明不以此為限，燈號偵測模組124亦可依實際設計需求，而予以配置於手持行動裝置110中。再者，燈號偵測模組124更包含一濾光片，用以對應篩選出燈號顯示模組136之光波，從而簡化微處理器132處理影像計算和演算的程序。
再者，當無人飛行器130升空後，使用者知道無人飛行器的前後方向等相對位置，才能容易且有效地控制無人飛行器的前後左右飛行方向，目前一般慣用的方式通常會使用地球磁場偵測的方式（如指南針），來計算無人飛行器130的方向，但如此經常需要在飛行地點先行進行校正步驟，然而有些地點區域，其地磁也容易會被環境干擾，造成指南針所顯示的方位不準確，所以此處本發明也提出一種不需磁場就能判定無人飛行器方向的技術特徵態樣如下。
於本發明之一實施例中無人飛行器包含具有至少三個燈號之燈號顯示模組136，其中燈號顏色至少兩種。然後藉由手持行動裝置110或是中介裝置120其中之一所具有的影像擷取單元，其可為簡易影像擷取元件，擷取無人飛行器上的燈號影像。接著，透過將所擷取的燈號影像，與上述關於判斷分析無人飛行器與操作者中介裝置的距離和無人飛行器的高度的機制及分析結果，予以相互結合運算出無人飛行器的方向資料，之後再將方向資料傳送至手持行動裝置110或是中介裝置120的微處理器，以作為控制無人飛行指令的依據。藉此，將可藉由距離以及影像擷取單元獲得的燈號影像，予以算出無人飛行器相對於手持行動裝置110或是中介裝置120的三度空間坐標，並且透過無人飛行器數個燈號的相對位置，以計算出無人飛行器的機身方向。
另外，於本發明之另一實施例中，無人飛行器130具有複數個影像擷取單元，其分別配置於無人飛行器130之前後，即採一前一後的配置；抑或是，分別配置無人飛行器130之四周，並適當間隔排列。另一方面，中介裝置120上則是設置具有一燈號顯示模組，例如可以是發光二極體。因此，透過無人飛行器130於飛行中所拍攝中介裝置120的影像，再傳送至中介裝置120之一微處理器進行圖像運算並分析，即可以計算出中介裝置120和無人飛行器130的相對角度；接著，再根據前述關於判斷無人飛行器130與使用者及中介裝置120的距離和無人飛行器130的高度等資料，如此一來，即可以有效計算出中介裝置120與無人飛行器130之間的相對方位，並進一步推算出無人飛行器130的方向。
此外，於上述兩實施例中，燈號顯示模組亦可為具有特定窄頻寬波長光波之發光二極體，而影像擷取單元則可對應包含一濾光片，其用以對應篩選平行光束及此特定窄頻寬波長光波，並遮蔽其他自然環境光源，可以使影像計算和演算的程序簡化。然而，由於發光二極體與濾光片皆係可方便取得且價格相對低，因此將可使裝置及其整體系統的實際製造成本大幅降低，又可具備高效能的方向定位功能。
根據上述所揭露之無人飛行器130的功能特徵，能夠讓使用者於操控上提供非常高的便利性，因此當無人飛行器130與手機遊戲應用程式相互結合時，將可提供玩家使用者更有趣的遊戲體驗感受方式。舉例而言，於一尋寶遊戲應用程式中，使用者可以透過無人飛行器進行三度空間的虛擬尋寶，以及可以與遊戲玩家進行即時互動，讓玩家可以不必親自到達時體位置也能得到實體位置的實際影像和資料。
上述本發明之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此技藝之人士能了解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即凡其它未脫離本發明所揭示之精神所完成之等效的各種改變或修飾都涵蓋在本發明所揭露的範圍內，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100‧‧‧用於無人飛行器之飛行操控系統
110‧‧‧手持行動裝置
112‧‧‧控制應用程式
113‧‧‧使用者操控顯示介面
114‧‧‧飛行顯示影像
116‧‧‧同心圓
120‧‧‧中介裝置
121‧‧‧無線傳輸模組
125A‧‧‧第一運算放大器
125B‧‧‧第二運算放大器
126A、B‧‧‧繼電器
122‧‧‧微處理器
123A‧‧‧超音波脈波接收模組
123B‧‧‧光波脈波接收模組
124‧‧‧燈號偵測模組
130‧‧‧無人飛行器
132‧‧‧微處理器
133‧‧‧懸停偵測模組
133A‧‧‧投射單元
133B‧‧‧擷取單元
134‧‧‧位移偵測模組
134A‧‧‧投射單元
134B‧‧‧擷取單元
135A‧‧‧超音波脈波發射模組
135B‧‧‧光波脈波發射模組
136‧‧‧燈號顯示模組
130’‧‧‧無人飛行器顯示影像
140‧‧‧控制電路
140A-D‧‧‧控制電路
141‧‧‧P型金氧半電晶體
142‧‧‧N型金氧半電晶體
143A‧‧‧第一開關
143B‧‧‧第二開關
144‧‧‧控制電阻
第一圖繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之飛行操控系統的示意圖。 第二A圖繪示本發明一較佳實施例之飛行顯示影像示意圖。 第二B圖繪示本發明另一較佳實施例之飛行顯示影像示意圖。 第三A圖繪示本發明一較佳實施例之中介裝置之控制電路之示意圖。 第三B圖繪示本發明另一較佳實施例之中介裝置之控制電路示意圖。 第三C圖繪示第三圖中之切換控制電路的輸入電壓與輸出電壓之關係圖。 如第三D圖所示本發明另一較佳實施例之中介裝置之示意圖。 第四A圖及第四B圖，其分別繪示本發明一較佳實施例之無人飛行器之功能方塊圖。 第五A圖及第五B圖，其分別繪示本發明一較佳實施例之無人飛行器及中介裝置之功能方塊圖。

Claims (38)

  1. 一種用於無人飛行器之飛行操控系統，包含： 一手持行動裝置，具有一控制應用程式(APP)，用以提供一使用者輸入一操控指令；及 一中介裝置，具有至少一微處理器，用以接收該操控指令，其中該微處理器根據該操控指令對應編譯一執行訊號，並傳送至該無人飛行器，以操控該無人飛行器之飛行狀態； 其中當該中介裝置未接收該操控指令時，該微處理器自行產生一懸停待命訊號以傳送至該無人飛行器，使該無人飛行器維持處於懸停飛行狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該手持行動裝置為一智慧型手機、一平板電腦或一智慧型穿戴式裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該控制應用程式包含： 一使用者操控顯示介面，用以提供該使用者藉由單次點擊觸控，以對應輸入該操控指令，其中該操控指令係使該無人飛行器飛行至到達一指定位置或執行一特定動作。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該控制應用程式係藉由該手持行動裝置的感測元件，感測該使用者之手持輸入動作，以對應產生該操控指令。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該手持行動裝置的感測元件為一方向感測器、一加速度感測器、一移動感測器、一水平感測器或一陀螺儀感應器。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該操控指令係一單項動作指令。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該手持行動裝置的感測元件，用以判讀感測訊號的訊號時間間隔不低於0.1。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該感測元件之感測範圍具有一時間臨界值、一距離臨界值或一角度臨界值。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該控制應用程式係藉由該手持行動裝置中的麥克風收音元件，以接收使用者之語音輸入而對應產生該操控指令。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該使用者操控顯示介面包含一飛行顯示影像，用以顯示該無人飛行器之位置，其中該飛行顯示影像為一雷達圖，具有複數個同心圓弧線，並且該些同心圓弧線之間距對應代表一特定距離長度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該些同心圓弧線的線條係以顏色或形狀，以區別顯示飛行高度。
  12. 如申請專利範圍第2項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該使用者操控顯示介面更包含至少一功能顯示按鍵。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該使用者操控顯示介面顯示即時影像於該手持行動裝置上，以提供該使用者透過於該操控顯示介面所顯示之即時影像上直接選定一指定位置並予以進行單次點擊產生該操控指令，而使該無人飛行器飛行至到達對應之指定位置。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該中介裝置為一可攜式裝置或一穿戴式裝置。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該中介裝置與該手持行動裝置之間及該中介裝置與該無人飛行器之間係皆採用無線通訊技術以進行傳輸該操控指令。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之飛行操控系統，其中該中介裝置與該手持行動裝置之間係採有線通訊技術以進行傳輸該操控指令，而該中介裝置與該無人飛行器之間係皆採用無線通訊技術以進行傳輸該操控指令。
  17. 一種用於無人飛行器之飛行操控系統之中介裝置，包含： 至少一微處理器，用以自一使用者接收一操控指令，而予以對應編譯一執行訊號，並傳送至該無人飛行器，以操控該無人飛行器之飛行狀態；及 至少一控制電路，用以提供無人飛行器進行懸停穩定之控制訊號。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之中介裝置，其中控制電路包含： 一輸入端，用以接收該微處理器編譯之該執行訊號； 一輸出端； 一P型金氧半電晶體(Pmos)，其中該P型金氧半電晶體之閘極電性連接至該輸入端，該P型金氧半電晶體之源極電性連接至一供應電壓； 一N型金氧半電晶體(Nmos)，其中該N型金氧半電晶體之閘極係電性連接至該輸入端，該N型金氧半電晶體之汲極係電性連接至該P型金氧半電晶體之汲極及該輸出端，且該N型金氧半電晶體之源極電性接地；及 一控制電阻，其中該控制電阻之第一端電性連接至該供應電壓及該P型金氧半電晶體之源極，該控制電阻之第二端電性接地，且該控制電阻之第三端電性連接至該輸出端。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之中介裝置，其中該控制電阻為一可變電阻或兩電阻值相同之串接電阻。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之中介裝置，其中該控制電路更包含： 一第一開關，其中該第一開關之兩端係分別電性連接至輸出端及該P型金氧半電晶體之汲極與該N型金氧半電晶體之汲極。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之中介裝置，其中該控制電路更包含： 一第二開關，其中該第二開關之兩端係分別電性連接至該P型金氧半電晶體之源極及該供應電壓(Vcc)。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之中介裝置，其中當該控制電路之該第一開關閉路時，該中介裝置輸出由該微處理器根據該操控指令編譯及經過該切換控制電路予以訊號處理之該執行訊號，至該無人飛行器
  23. 如申請專利範圍第20項所述之中介裝置，其中當該控制電路之該第一開關開路時，該中介裝置輸出由該中介裝置之搖桿介面所產生之執行訊號，至該無人飛行器。
  24. 如申請專利範圍第17項所述之中介裝置，其中更包含一無線傳輸模組，用以自一手持行動裝置接收該操控指令。
  25. 一種無人飛行器，用以接收一中介裝置之執行訊號，並據以進行飛行，其中該執行訊號係由該中介裝置將一使用者於一手持行動裝置中輸入一操控指令所據以對應編譯，並且當中介裝置未接收該操控指令時，則產生一懸停待命訊號以傳送至該無人飛行器，使該無人飛行器維持處於懸停飛行狀態。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之無人飛行器，包含： 一懸停偵測模組，包含： 一投射單元，用以自該無人飛行器上朝地面,發射兩平行光束及一組圖案；及 一擷取單元，用以擷取投射於地面之該圖案及該兩平行光束射投射至地面之對應光點的投射影像；及 一微處理器，用以根據投射影像偵測判讀該無人飛行器是否維持處於懸停飛行狀態。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之無人飛行器，其中該投射單元係用以一特定波長的投射光，予以投射出該兩平行光束及該圖案。
  28. 如申請專利範圍第26項所述之無人飛行器，其中該擷取單元可更包含一濾光片，其用以對應篩選該兩平行光束及該圖案之光波。
  29. 如申請專利範圍第26項所述之無人飛行器，其中該微處理器依據該投射影像中之光點距離之變化量，予以計算並轉成一控制訊號，以調整該無人飛行器之飛行狀態，從而維持在一固定高度。
  30. 如申請專利範圍第25項所述之無人飛行器，包含： 一位移偵測模組，包含： 一投射單元，用以自該無人飛行器上，朝地面發射一組圖案；及 一擷取單元，以一預設時間間隔連續擷取該圖案之投射影像；及 一微處理器，用以根據投射影像進行比對該些投射影像之差異，進而運算出該無人飛行器之飛行移動方向。
  31. 如申請專利範圍第30項所述之無人飛行器，其中該投射單元係用以一特定波長的投射光，予以投射出該兩平行光束及該圖案。
  32. 如申請專利範圍第30項所述之無人飛行器，其中該擷取單元可更包含一濾光片，其用以對應篩選該兩平行光束及該圖案之光波。
  33. 如申請專利範圍第30項所述之無人飛行器，其中該擷取單元自動調整一擷取俯仰角度,並且提供使用者進行自拍，用以擷取使用者的影像。
  34. 如申請專利範圍第25項所述之無人飛行器，包含： 一超音波脈波發射模組，用以發射超音波脈衝；及 一光波脈波發射模組，用以發射光波脈衝； 並且其中該中介裝置具有一超音波脈波接收模組及一光波脈波接收模組，用以分別對應偵測接收該超音波脈衝和該光波脈衝，並傳送至該中介裝置之一微處理器，並根據該超音波脈衝和該光波脈衝抵達該中介裝置的時間差，計算該無人飛行器與該中介裝置的距離。
  35. 如申請專利範圍第25項所述之無人飛行器，包含： 一燈號顯示模組，包含至少三個燈號，其中該些燈號至少有兩種不同顏色； 並且其中該中介裝置具有一燈號偵測模組，用以對應擷取該燈號顯示模組所顯示產生之燈號影像，並傳送至該中介裝置之一微處理器，進行圖像運算並分析判讀出該無人飛行器的機身方向及飛行角度。
  36. 如申請專利範圍第25項所述之無人飛行器，包含: 複數個影像擷取單元，分別間隔配置於無人飛行器之前後或四周; 並且該中介裝置具有一燈號顯示模組，而該些影像擷取單元用以擷取該中介裝置的該燈號顯示模組所顯示產生之燈號影像,傳送至該中介裝置之一微處理器，進行圖像運算並分析計算出該中介裝置與該無人飛行器的相對角度。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之無人飛行器，其中該中介裝置之該微處理器，藉由該無人飛行器與該中介裝置的距離以及該影像擷取單元所獲得的燈號影像，計算出該無人飛行器相對於該手持行動裝置或該中介裝置的三度空間坐標。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之無人飛行器，其中該無人飛行器與該中介裝置的距離，其係經由該中介裝置之該微處理器，根據該中介裝置中之一超音波脈波接收模組及一光波脈波接收模組，所分別接收自該無人飛行器中之一超音波脈波發射模組與一光波脈波發射模組產生發射的超音波脈衝和該光波脈衝之抵達該中介裝置的時間差，以計算獲得之。
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