一种飞行器跟随云台控制方法及系统与流程

1.本发明属于飞行器云台控制技术领域，具体涉及一种飞行器跟随云台控制方法及系统。


背景技术：

2.飞行器云台是飞行器用于安装、固定摄像机等任务载荷的支撑设备。目前，云台通过挂载于无人机等飞行器设备上，无人机挂载云台航拍过程中需要保持云台相机视角为第一航拍视角。目前市面上的飞行器航向以及云台或吊舱的方位控制是分开独立的，导致当飞行器飞行较远时，控制云台转动，飞行器航向后无法准确判断飞行器的前进方向。当控制飞行器时，飞行器航向转动带动云台转动也会导致图像画面运动过快无法一个人快速寻找画面中目标，同时飞行器及云台分开控制对于用户来说控制复杂，操作不方便，用户体验差。
3.传统做法是云台偏航角跟随飞行器进行运动，云台作为跟随无人机航向运动的对象，即无人机航向角为遥控器所控制的对象。在跟随飞行器导致飞行器在转动航向时，导致飞行器和云台之间出现以下问题：一、由于云台航向跟随于飞行器，云台跟随上飞行器消除与飞行器的夹角需要较长时间，导致偏航角操作过程中会出现明显的迟滞现象，特别是对于变焦相机云台。
4.二、由于飞行器航向控制往往较快，传统云台跟随于飞行器过程中，云台跟随飞行器航向时速度无法低速跟随、同时速度不均，速度过快导致图像模糊、图像停顿不流畅等问题，体验较差，尤其在可变焦距云台中，长焦距情况下该问题更明显，在长焦距下偏航角高速转动会使相机图像运动速度过快造成图像模糊，体验性下降。
5.三、传统技术中云台方位控制与飞行器航向控制通过遥控器两个不同的摇杆控制，操作较为复杂不易于操作。
6.因此，针对现有技术中飞行器跟随云台存在的控制问题，需要提供一种飞行器跟随云台控制方法及系统，以解决上述问题。


技术实现要素：

7.为解决传统的云台偏航角跟随飞行器进行运动存在的迟滞现象、云台跟随飞行器航向时速度无法低速跟随、同时速度不均，速度过快导致图像模糊、图像停顿不流畅等问题，本发明提供了一种飞行器跟随云台控制方法及系统，通过地面站/遥控器偏航遥控指令先操控云台，云台根据遥控指令值以及相机变焦倍数进行自适应运动，飞行器检测到机身与云台偏航轴的夹角后控制飞行器航向来消除飞行器与云台的偏航夹角误差，实现飞行器跟随云台的控制方法。
8.本发明采用以下技术方案实现：一种飞行器跟随云台控制方法，应用于遥控器控制的飞行器，该方法包括：飞行器获取遥控器发送的航向摇杆控制信号，并将所述航向摇杆控制信号转发至
云台设备；所述云台设备根据遥控器发送的航向摇杆控制信号，执行云台方位运动调整操作；检测所述飞行器的机身与调整后所述云台设备的偏航轴的方位夹角，并根据所述方位夹角计算当前飞行器跟随所述云台设备运动所需的转速；所述飞行器根据得到的转速调整飞行器的航向，消除与所述云台设备之间的方位夹角，保持与所述云台设备方向一致。
9.进一步的，所述飞行器获取遥控器发送的航向摇杆控制信号之前，还包括：起飞前，飞行器及其上挂载的云台设备进行自检，使所述飞行器及云台设备进入正常工作状态；进入正常工作状态的飞行器起飞，起飞后，所述飞行器与所述云台设备预置的角度差值为0
°
，所述飞行器的航向与所述云台设备的偏航轴方向一致。
10.进一步的，所述飞行器的机身与调整后所述云台设备的偏航轴的方位夹角的检测方法，包括：根据所述云台设备上安装的方位传感器解算当前云台设备的方位角度；解算的所述方位角度按照频率周期性的发送给飞行器；所述飞行器周期性的接收所述云台设备发送的方位角度，以用于计算所述飞行器跟随所述云台设备运动所需的转速。
11.进一步的，所述云台方位运动调整的方法，包括：获取云台设备的当前相机变焦数据以及遥感控制值；根据获取的当前相机变焦数据以及遥感控制值解算所述云台设备的期望速度；根据解算的所述云台设备的期望速度调整所述云台设备的方位；所述航向摇杆控制信号停止后，所述云台设备的偏航轴获取所述云台设备的当前姿态，通过所述云台设备的姿态环锁定当前云台设备的云台方位，使所述云台设备停止到当前角度。
12.进一步的，在所述云台设备的云台方位运动调整过程中，实时将所述云台设备的云台方位角度上传送给飞行器。
13.进一步的，所述云台设备的当前相机变焦数据包括当前相机变焦倍率或当前相机焦距，所述当前相机变焦倍率标记为n，所述云台设备的遥感控制值标记为ctr，所述云台设备的期望速度标记为vref，所述云台设备期望速度的解算方法为：vref=ctr/n。
14.进一步的，所述云台设备的遥感控制值ctr的范围设定为-100～ 100，其中， 100代表顺时针角速度为100
°
/s，-100代表逆时针角速度为100
°
/s。
15.进一步的，所述云台设备期望速度的解算方法还可以采用拟合遥感控制值标ctr和当前相机变焦倍率n之间非线性曲线关系的方法获得。
16.进一步的，所述姿态环由所述姿态控制器控制，所述姿态控制器还配合速度控制器通过控制所述云台设备的电机和陀螺仪，使所述云台设备转动至所述航向摇杆控制信号要求的方位角度，并实时反馈所述云台设备的当前角度。
17.进一步的，所述飞行器跟随所述云台设备运动所需的转速通过闭环控制算法计算，所述闭环控制算法包括：
获取所述云台设备的方位角度；根据预置的所述飞行器与所述云台设备预置的角度差值，计算所述云台设备当前的方位角度与所述飞行器之间的角度误差值；根据所述角度误差值计算所述飞行器跟随所述云台设备转动至航向一致所需的转速；调整所述飞行器的航向与所述云台设备的偏航轴方向一致。
18.进一步的，所述飞行器的转速由所述飞行器控制器控制，所述飞行器控制器根据飞机航向的预置角度与所述云台设备的方位角度，按照计算得到的转速控制所述飞行器的电机，调整所述飞行器的机身旋转至所述云台设备的方位角度，调整所述飞行器的航向与所述云台设备的偏航轴方向一致。
19.本发明还包括一种飞行器跟随云台控制系统，所述飞行器跟随云台控制系统采用前述飞行器跟随云台控制方法应用于遥控器控制的飞行器；所述飞行器跟随云台控制系统包括信号接收模块、云台控制外环模块、转速计算模块以及飞行器控制内环模块。
20.所述信号接收模块用于获取遥控器发送的航向摇杆控制信号，并将所述航向摇杆控制信号转发至云台设备；所述云台控制外环模块用于将所述云台设备作为控制外环，根据遥控器发送的航向摇杆控制信号，执行云台方位运动调整操作；所述转速计算模块用于检测所述飞行器的机身与调整后所述云台设备的偏航轴的方位夹角，并根据所述方位夹角计算当前飞行器跟随所述云台设备运动所需的转速；所述飞行器控制内环模块用于将所述飞行器作为控制内环，根据得到的转速调整飞行器的航向，消除与所述云台设备之间的方位夹角，保持与所述云台设备方向一致。
21.进一步的，所述云台设备挂载于所述飞行器上，所述飞行器与所述云台设备预置的角度差值为0
°
，所述云台设备上安装有方位传感器。
22.本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：本发明的飞行器跟随云台控制方法及系统，改变了传统的地面站/遥控器航向杆控制无人机偏航的控制方式，实现了地面站/遥控器航向杆先控制云台设备的方位，再由飞行器检测到机身与云台设备偏航轴的夹角后控制飞行器航向来消除飞行器与云台设备的偏航夹角误差，同时云台设备的方位控制速度由云台设备主导，适配了各种不同的云台设备要求，使得云台设备的方位受控过程中图像连续顺滑，速度可控。解决了传统控制过程中图像速度高速转动使相机图像模糊等问题，提高了图像体验性。
23.本发明实现了云台方位及飞行器航向联动，使得操作更为简便，优化了传统云台方位及飞行器航向控制复杂不易于操作问题。
附图说明
24.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明实施例1的一种飞行器跟随云台控制方法的流程图。
25.图2为本发明实施例1的一种飞行器跟随云台控制方法中云台设备及飞行器航向控制的工作流程图。
26.图3为本发明实施例1的一种飞行器跟随云台控制方法中云台方位运动调整的流
程图。
27.图4为本发明实施例1的一种飞行器跟随云台控制方法中飞行器跟随云台的控制示意图。
28.图5为本发明实施例1的一种飞行器跟随云台控制方法中云台方位控制流程图。
29.图6为本发明实施例1的一种飞行器跟随云台控制方法中闭环控制算法的流程图。
30.图7为本发明实施例2中一种飞行器跟随云台控制系统的系统框图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.本发明提供的一种飞行器跟随云台控制方法及系统，在实现高铁沿途网络覆盖最优化部署时，通过地面站/遥控器偏航遥控指令先操控云台，云台根据遥控指令值以及相机变焦倍数进行自适应运动，飞行器检测到机身与云台偏航轴的夹角后控制飞行器航向来消除飞行器与云台的偏航夹角误差，实现飞行器跟随云台的控制方法，以下将结合具体实施例加以说明。
33.实施例1如图1和图2所示，本实施例提供一种飞行器跟随云台控制方法，该方法应用于遥控器控制的飞行器，该方法包括如下步骤：s1、飞行器获取遥控器发送的航向摇杆控制信号，并将所述航向摇杆控制信号转发至云台设备。
34.在本实施例中，飞行器获取遥控器发送的航向摇杆控制信号之前，还包括：起飞前，飞行器及其上挂载的云台设备进行自检，使所述飞行器及云台设备进入正常工作状态。进入正常工作状态的飞行器起飞，起飞后，所述飞行器与所述云台设备预置的角度差值为0
°
，所述飞行器的航向与所述云台设备的偏航轴方向一致。
35.需要特别说明的是，当飞行器为无人机时，飞行器在正常飞行时，可以接收地面站或遥控器发送的航向摇杆控制信号，航向摇杆控制信号以偏航遥感指令的方式下发至无人机，由无人机将信号转发给云台设备。飞行器在正常飞行前，需要完成飞行器及云台设备的自检，确保飞行器及云台设备进入正常工作状态，然后起飞。
36.s2、云台设备根据遥控器发送的航向摇杆控制信号，执行云台方位运动调整操作。
37.需要特别说明的是，所述云台设备根据地面站/遥控器发送的航向摇杆控制信号对云台方位进行控制，同时云台将当前云台方位传感器解算角度以一定频率周期性发送给无人机。在执行云台方位调整时，本发明采用云台控飞机的方式，将云台作为控制器外环，飞机作为控制器内环对飞机进行控制，从而达到飞机跟随云台的目的。
38.在本实施例中，参见图3所示，所述云台方位运动调整的方法，包括：s201、获取云台设备的当前相机变焦数据以及遥感控制值。
39.s202、根据获取的当前相机变焦数据以及遥感控制值解算所述云台设备的期望速度。
40.s203、根据解算的所述云台设备的期望速度调整所述云台设备的方位。
41.s204、所述航向摇杆控制信号停止后，所述云台设备的偏航轴获取所述云台设备的当前姿态，通过所述云台设备的姿态环锁定当前云台设备的云台方位，使所述云台设备停止到当前角度。
42.其中，参见图4所示，所述姿态环由所述姿态控制器控制，所述姿态控制器还配合速度控制器通过控制所述云台设备的电机和陀螺仪，使所述云台设备转动至所述航向摇杆控制信号要求的方位角度，并实时反馈所述云台设备的当前角度。
43.在本实施例中，在云台方位运动调整过程中，实时将所述云台设备的云台方位角度上传送给飞行器。所述云台设备的当前相机变焦数据包括当前相机变焦倍率或当前相机焦距，所述当前相机变焦倍率标记为n，所述云台设备的遥感控制值标记为ctr，所述云台设备的期望速度标记为vref，所述云台设备期望速度的解算方法为：vref=ctr/n。所述云台设备的遥感控制值ctr的范围设定为-100～ 100，其中， 100代表顺时针角速度为100
°
/s，-100代表逆时针角速度为100
°
/s。
44.在本发明的其他实施例中，所述云台设备期望速度的解算方法还可以采用拟合遥感控制值标ctr和当前相机变焦倍率n之间非线性曲线关系的方法获得。
45.将云台设备作为控制器外环，调整云台设备运动过程中进行速度环解算，可以保证运动过程中图像流畅，遥感拨动指令停止后，云台偏航轴即方位轴通过获取云台设备当前姿态，云台方位通过姿态环锁定停止到当前角度，在云台过程中时刻将云台方位角度上传给飞行器。其中速度环、姿态环均由姿态控制器和飞行器控制器算法实现。
46.s3、检测所述飞行器的机身与调整后所述云台设备的偏航轴的方位夹角，并根据所述方位夹角计算当前飞行器跟随所述云台设备运动所需的转速。
47.在本实施例中，飞行器以飞机为例，飞机作为控制器内环对飞机进行控制，使飞机跟随云台的目的，所述飞行器跟随所述云台设备运动所需的转速通过闭环控制算法计算，参见图6所示，所述闭环控制算法包括：s301、获取所述云台设备的方位角度；s302、根据预置的所述飞行器与所述云台设备预置的角度差值，计算所述云台设备当前的方位角度与所述飞行器之间的角度误差值；s303、根据所述角度误差值计算所述飞行器跟随所述云台设备转动至航向一致所需的转速；s304、调整所述飞行器的航向与所述云台设备的偏航轴方向一致。
48.在本实施例中，参见图5所示，所述飞行器的转速由所述飞行器控制器控制，所述飞行器控制器根据飞机航向的预置角度与所述云台设备的方位角度，按照计算得到的转速控制所述飞行器的电机，调整所述飞行器的机身旋转至所述云台设备的方位角度，调整所述飞行器的航向与所述云台设备的偏航轴方向一致。
49.在本实施例中，飞机在此过程中获得云台角度后，计算与云台设备之间的角度误差值，经过控制器计算此时跟随云台运动所需的转速，飞机以此转速跟随云台方向运动，直到消除与云台之间的角度差值。而且，预置的飞机航向角度为0
°
，即机头与云台前方保持一致。其中控制器可采用pid算法、自抗扰算法、模糊控制算法等工业上常用的自动控制算法。
50.s4、飞行器根据得到的转速调整飞行器的航向，消除与所述云台设备之间的方位夹角，保持与所述云台设备方向一致。
51.本实施例中，将飞行器和云台设备作为两部分内外环设置，将云台作为控制器外环，飞机作为控制器内环对飞机进行控制，在控制时，云台设备根据遥感指令输入期望速度，使云台设备控制过程更为流畅，使得运动过程图像流畅。而且，航拍视角上以云台设备作为主体，也是云台设备最先响应遥感指令，图像上迟滞降低到只有遥感数传指令的延时，响应更快，体验更好。
52.在获得云台方位后，飞行器的航向进行联动，减少了操作摇杆控制飞行器转向的动作,飞行器跟随云台转向，消除与所述云台设备之间的方位夹角，保持与所述云台设备方向一致，使得操作更为简便。在变倍条件下，云台设备自身能够根据相机变倍指令更好的进行不同视场下运动速度调整，对视场下运动速度进行自适应调整，飞行器用户通过飞机偏航遥感移动云台方位寻找目标时不至于在小视场下图像移动飞快，增强用户操控体验感。
53.实施例2如图7所示，在本发明的实施例中提供了一种飞行器跟随云台控制系统，应用于遥控器控制的飞行器，该系统包括信号接收模块11、云台控制外环模块12、转速计算模块13以及飞行器控制内环模块14。
54.所述信号接收模块11用于获取遥控器发送的航向摇杆控制信号，并将所述航向摇杆控制信号转发至云台设备。在本实施例中，所述信号接收模块11在飞行器正常工作状态飞行时，通过接收地面站或遥控器的偏航控制指令，即航向摇杆控制信号，该偏航控制指令用于对飞行器的云台设备机械控制，由飞行器将航向摇杆控制信号转发给云台设备，云台设备根据航向摇杆控制信号中携带的指令执行速度环闭环运动，以此率先调节云台设备，解决了传统的云台为跟随上无人机航向运动，消除与飞机的夹角需要较长时间，而导致明显的迟滞现象的问题，也解决了云台设备跟随飞机航向时速度无法低速跟随、同时速度不均，速度过快导致图像模糊、图像停顿不流畅等问题，体验较差，尤其在可变焦距云台中，长焦距情况下该问题更明显的问题。
55.所述云台控制外环模块12用于将所述云台设备作为控制外环，根据遥控器发送的航向摇杆控制信号，执行云台方位运动调整操作。在本实施例中，所述云台控制外环模块12则用于将云台设备按照接收的航向摇杆控制信号在不先改变飞行器航向的情况下进行调整方向，此时，无需考虑云台设备跟随飞行器的迟滞现象，也有利于云台设备速度均匀的调整方位，避免出现图像模糊、图像停顿不流畅的问题。
56.所述转速计算模块13用于检测所述飞行器的机身与调整后所述云台设备的偏航轴的方位夹角，并根据所述方位夹角计算当前飞行器跟随所述云台设备运动所需的转速。该转速计算模块13在云台设备进行方位调整后，根据调整后云台设备的偏航轴与飞行器的机身之间的方位夹角，即角度差，所述云台设备挂载于所述飞行器上，所述飞行器与所述云台设备预置的角度差值为0
°
，所述云台设备上安装有方位传感器。由飞行器根据周期性收到的云台方位传感器角度通过闭环控制算法计算当前无人机闭环所需速度，同时无人机以闭环控制算法输出的速度进行运动消除与云台间的夹角，实现飞行器跟随云台设备控制。
57.在本实施例中，在云台设备方位调整后，无需操作杆操作，飞行器自动接收云台设备反馈的方位角数据，由转速计算模块13根据飞行器的机身与调整后所述云台设备的偏航轴的方位夹角，计算出飞行器所需转动速度，执行调整消除差角，完成对飞行器的调整。
58.所述飞行器控制内环模块14用于将所述飞行器作为控制内环，根据得到的转速调
整飞行器的航向，消除与所述云台设备之间的方位夹角，保持与所述云台设备方向一致。飞行器操作飞行器控制内环模块14控制调节，控制飞行器跟随云台设备进行方位调整，在调整时，云台设备方位通过姿态环锁定停止到当前角度，云台方位角度不变，仅改变飞行器追随云台设备，使飞行器航向随云台设备方位联动，减少了操作摇杆的次数,使得操作更为简便。
59.综上所述，本发明飞行器跟随云台控制方法及系统，改变了传统的地面站/遥控器航向杆控制无人机偏航的控制方式，实现了地面站/遥控器航向杆先控制云台设备的方位，再由飞行器检测到机身与云台设备偏航轴的夹角后控制飞行器航向来消除飞行器与云台设备的偏航夹角误差，同时云台设备的方位控制速度由云台设备主导，适配了各种不同的云台设备要求，使得云台设备的方位受控过程中图像连续顺滑，速度可控。解决了传统控制过程中图像速度高速转动使相机图像模糊等问题，提高了图像体验性。实现了云台方位及飞行器航向联动，使得操作更为简便，优化了传统云台方位及飞行器航向控制复杂不易于操作问题。
60.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。