一种基于最优姿态路径的云台控制方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于最优姿态路径的云台控制方法及其系统，在无人机飞往悬停点的过程中，预先根据悬停点和拍摄对象的三维空间坐标信息，结合无人机及云台当前姿态，计算云台相机最优姿态路径应该调整的横滚角、俯仰角和偏航角，若在云台相机三轴姿态的预设阈值范围内，按照计算的各个角度调整云台姿态，若超出云台相机三轴姿态预设阈值范围，计算并通过无人机三维姿态补偿，本发明专利技术优先通过三轴云台相机的姿态控制，去匹配最优的无人机的飞行姿态路径，通过无人机最小的控制矢量，节省无人机电池电量和提高飞行效率。电池电量和提高飞行效率。电池电量和提高飞行效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于最优姿态路径的云台控制方法及其系统


[0001]本专利技术属于云台设备控制
，涉及一种基于最优姿态路径的云台控制方法及其系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本申请相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]云台是负载增稳的设备，在使用无人机进行输电线路巡检工作时，需要用到三轴云台去固定拍摄设备对杆塔关键部位检视点进行拍照。三轴云台一般按照横滚轴-俯仰轴-偏航轴的旋转顺序控制旋转各个轴，以带动拍摄设备跟踪拍摄杆塔。
[0004]据专利技术人了解，传统的云台操作方式是在悬停点拍摄完后控制云台回中，然后无人机前往下一个悬停点，调整无人机机头朝向拍摄对象，微调云台相机拍摄对象，此种控制方式虽然控制方式简单，但是随着巡检工作量加大，这种传统的控制方法频繁控制无人机制动、悬停和加速操作，一方面增加了飞控的不稳定性，另一方面对无人机电池电量消耗也很大，同时拍摄效率整体也不高。

技术实现思路

[0005]本申请为了解决上述问题，提出了一种基于最优姿态路径的云台控制方法及其系统，本申请优先通过三轴云台相机的姿态控制，去匹配最优的无人机的飞行姿态路径，通过无人机最小的控制矢量，节省无人机电池电量和提高飞行效率，同时也提高了单次飞行拍摄工作量。
[0006]根据一些实施例，本申请采用如下技术方案：
[0007]一种基于最优姿态路径的云台控制方法，包括以下步骤：
[0008]在无人机飞往悬停点的过程中，预先根据悬停点和拍摄对象的三维空间坐标信息，结合无人机及云台当前姿态，计算云台相机最优姿态路径应该调整的横滚角、俯仰角和偏航角，若在云台相机三轴姿态的预设阈值范围内，按照计算的各个角度调整云台姿态，若超出云台相机三轴姿态预设阈值范围，计算并提前通过无人机三维姿态进行补偿。
[0009]通过上述技术方案，首先，在无人机飞往下一悬停点的过程中就进行提前调整，能够保证当无人机到达悬停点时，三轴云台相机已经完成预定转向设置，并且拍摄对象已经处于三轴云台相机视野之内，节约无人机的悬停时间。其次，通过拟合无人机姿态和云台姿态，利用无人机姿态补偿云台相机三轴姿态的调整，能够实现无人机姿态的最小矢量控制。
[0010]作为可选择的实施方式，根据悬停点和拍摄对象的三维空间坐标信息的具体过程为：进行无人机云台的校准和自检，获取巡检任务中的悬停点三维位置信息和拍摄对象位置信息。
[0011]作为可选择的实施方式，悬停点三维位置信息为悬停点的GPS位置信息。
[0012]作为可选择的实施方式，计算云台相机姿态应该调整的横滚角、俯仰角和偏航角
的具体过程包括：根据世界坐标系和相机坐标系的转换关系，计算出拍摄对象在相机坐标系中的位置。具体步骤如下：
[0013]步骤(1)：P(X
W
,Y
W
,Z
W
)为拍摄物在世界坐标系中的位置坐标，
[0014]令R
cw
，T表示世界坐标系转换到相机坐标系的旋转矩阵和平移矢量，则P(X
W
,Y
W
,Z
W
)在相机坐标系的坐标为：其中
[0015][0016]下标cw代表大地坐标系转换到相机坐标系的简称，R
cwx
(φ)、R
cwy
(θ)、R
cwz
(ψ)代表从相机坐标系到大地坐标系需要绕着x、y、z轴旋转的矩阵，φ、θ、ψ分别为无人机姿态的横滚角、俯仰角和偏航角，根据无人机的初始朝向，还需左乘一个初始旋转R
cw0
，此时
[0017]R
cw
＝R
cw0
×
(R
cwx
(φ)
×
R
cwy
(θ)
×
R
cwz
(ψ))，式中
[0018]步骤(2)：根据步骤(1)计算出来的P(X
C
,Y
C
,Z
C
)为拍摄物在相机坐标系中的位置坐标，因为相机坐标系中相机光心为原点，根据拍摄物和相机光心的相对位置信息计算出云台相机的俯仰角和偏航角
[0019]此处俯仰角θ
p
和偏航角ψ
p
是相对于上一位置的偏移量，横滚角认为初始位置，因为默认水平方向进行拍摄。
[0020]作为可选择的实施方式，若超出云台相机三轴姿态预设阈值范围，计算并提前通过无人机三维姿态进行补偿的具体过程为：计算云台相机的目标姿态和预设阈值范围之间的差值，并以此差值通过控制无人机三维姿态，进行补偿。具体步骤如下：
[0021]步骤(3)：在步骤(2)，判断计算出的θ
p
和偏航角ψ
p
是否超出云台相机因机械设计限定的预设阈值，此处假设俯仰角预设阈值偏航角预设阈值
[0022]步骤(4)：在步骤(2)，如果计算出来的偏航角就需要通过控制无人
机的偏航角ψ来补偿云台相机的阈值，因为无人机和云台相机可以视为同一个坐标系，无人机以当前机头方向为基准需要调整的偏航角等效的相当于调整了云台相机的偏航角ψ
P
；如果计算出来的偏航角就不需要通过调整无人机机头(偏航角ψ)，进入下一步；
[0023]步骤(5)：根据云台需要调整的姿态角度，设置转动速率，保证云台相机匀速快速调整姿态；
[0024]注意，这里提到云台相机的俯仰角预设阈值是不存在的，因为在航点规划悬停点的时候已经考虑到在的范围内设置悬停点。
[0025]作为可选择的实施方式，还包括以下步骤：判断所述悬停点是否为巡检任务中最后一个悬停点，如果是，控制无人机返航，如果不是，则循环执行上述步骤。
[0026]一种基于最优姿态路径的云台控制系统，包括：
[0027]定位模块，用于定位无人机三维坐标信息；
[0028]前端AI处理模块，用于拟合无人机飞控数据，根据悬停点和拍摄对象的三维空间坐标信息，结合无人机及云台当前姿态，计算云台相机最优姿态路径应该调整的横滚角、俯仰角和偏航角，若在云台相机三轴姿态的预设阈值范围内，按照计算的各个角度调整云台姿态，若超出云台相机三轴姿态预设阈值范围，计算并通过无人机三维姿态进行补偿。
[0029]作为可选择的实施方式，所述前端AI处理模块与云台控制系统通信，并发送计算云台相机应该调整的横滚角、俯仰角和偏航角，所述云台控制系统包括主控MCU模块、ESC横滚角驱动模块、ESC俯仰角驱动模块、ESC偏航角驱动模块和IMU姿态模块，上述各个模块之间通过CAN总线与前端AI处理模块通讯。
[0030]一种无人机，采用上述方法进行自身姿态控制和云台控制，或搭载有上述系统。
[0031]一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种基于最优姿态路径的云台控制方法。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最优姿态路径的云台控制方法，其特征是：包括以下步骤：在无人机飞往悬停点的过程中，预先根据悬停点和拍摄对象的三维空间坐标信息，结合无人机及云台当前姿态，计算云台相机最优姿态路径应该调整的横滚角、俯仰角和偏航角，若在云台相机三轴姿态的预设阈值范围内，按照计算的各个角度调整云台姿态，若超出云台相机三轴姿态预设阈值范围，计算并通过无人机三维姿态进行补偿。2.如权利要求1所述的基于最优姿态路径的云台控制方法，其特征是：根据悬停点和拍摄对象的三维空间坐标信息的具体过程为：进行无人机云台的校准和自检，获取巡检任务中的悬停点三维位置信息和拍摄对象位置信息。3.如权利要求1所述的基于最优姿态路径的云台控制方法，其特征是：悬停点三维位置信息为悬停点的GPS位置信息。4.如权利要求1所述的基于最优姿态路径的云台控制方法，其特征是：计算云台相机姿态应该调整的横滚角、俯仰角和偏航角的具体过程包括：根据世界坐标系和相机坐标系的转换关系，换算出世界坐标系中拍摄物在相机坐标系中的位置坐标，根据拍摄物和相机光心的相对位置信息计算出云台相机的俯仰角和偏航角，判断计算出的俯仰角和偏航角是否超出云台相机因机械设计限定的预设阈值，如果计算的偏航角超过设定阈值，控制无人机的偏航角来补偿云台相机的阈值。5.如权利要求1所述的基于最优姿态路径的云台控制方法，其特征是：若超出云台相机三轴姿态预设阈值范围，计算无人机三维姿态的补偿值的具体过程为：计算云台相机的目标姿态和预设阈值范...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐兴华，蔡英明，张卫东，阳敏，金晓鹏，姜洪斌，江丽，郑晓东，李强，宋玉涛，于明总，王明军，岳浩，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：