專利名稱：操縱人員頭部運(yùn)動(dòng)指示無(wú)人機(jī)云臺(tái)伺服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用操縱 人員的頭部運(yùn)動(dòng)，控制無(wú)人機(jī)機(jī)載云臺(tái)偏轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，能夠方便、 準(zhǔn)確地操縱無(wú)人機(jī)的機(jī)載云臺(tái)，并同時(shí)降低操縱人員雙手的操作負(fù)擔(dān)。主要應(yīng)用在航空航 天、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無(wú)人機(jī)的機(jī)載云臺(tái)通常攜帶有攝像機(jī)，用于實(shí)時(shí)地拍攝地面圖像。因此在無(wú)人機(jī) 的飛行過(guò)程中，需要不斷操縱云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)，使之對(duì)準(zhǔn)拍攝目標(biāo)。然而無(wú)人機(jī)的飛行具有較大 危險(xiǎn)性和隨機(jī)性，所以在繁重而緊張地操縱無(wú)人機(jī)的飛行之余，同時(shí)操作機(jī)載云臺(tái)有較大難度。目前對(duì)無(wú)人機(jī)及機(jī)載云臺(tái)的操控方式主要有以下兩種。方式一，由兩名操作人員共同完成無(wú)人機(jī)和機(jī)載云臺(tái)的操控。一名操作人員負(fù)責(zé) 操縱無(wú)人機(jī)的飛行，另一名操作人員負(fù)責(zé)操縱機(jī)載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)。兩名操作人員需要高度的 配合，共同完成視頻的拍攝。一旦配合不當(dāng)，無(wú)人機(jī)云臺(tái)可能會(huì)丟失拍攝目標(biāo)。方式二，由一名操作人員同時(shí)完成無(wú)人機(jī)和機(jī)載云臺(tái)的操縱。通過(guò)將機(jī)載云臺(tái)的 控制按鈕配置在無(wú)人機(jī)的操縱手柄上，使操作人員在操縱無(wú)人機(jī)飛行的同時(shí)，可以控制機(jī) 載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)。由于操縱無(wú)人機(jī)的飛行已甚為繁重而緊張，所以同時(shí)控制無(wú)人機(jī)和機(jī)載云 臺(tái)會(huì)加重操作人員的工作負(fù)擔(dān)。不僅如此，通過(guò)一個(gè)手柄同時(shí)操作無(wú)人機(jī)和機(jī)載云臺(tái)，很容 易出現(xiàn)誤操作。本發(fā)明通過(guò)操作人員的頭部控制運(yùn)動(dòng)，控制云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)。這樣，操作人員手部的操 作負(fù)擔(dān)可以得到顯著降低。此外，只需一名操作人員即可輕松完成無(wú)人機(jī)和云臺(tái)的協(xié)調(diào)操 作。由于操作人員利用其頭部運(yùn)動(dòng)控制機(jī)載云臺(tái)，其偏轉(zhuǎn)方向與人體的直覺(jué)反應(yīng)一致。因 此，本發(fā)明操作容易，能夠顯著降低無(wú)人機(jī)操作人員的工作負(fù)擔(dān)。類似應(yīng)用在武裝直升機(jī)上已出現(xiàn)，即駕駛員利用頭盔控制機(jī)炮轉(zhuǎn)向。然而利用無(wú) 人機(jī)地面操作人員的頭部運(yùn)動(dòng)控制機(jī)載云臺(tái)，尚屬首次提出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用頭部運(yùn)動(dòng)控制無(wú)人機(jī)機(jī)載云臺(tái)的系統(tǒng)。本發(fā)明的特征在于，含有頭戴式姿態(tài)傳感器，地面站，數(shù)據(jù)電臺(tái)，視頻電臺(tái)和可俯 仰/偏航的無(wú)人機(jī)機(jī)載云臺(tái)，其中，頭戴式姿態(tài)傳感器用于檢測(cè)操作人員的頭部運(yùn)動(dòng)，地面 站根據(jù)頭部運(yùn)動(dòng)計(jì)算得到云臺(tái)偏轉(zhuǎn)指令，并通過(guò)數(shù)據(jù)電臺(tái)發(fā)送給機(jī)載云臺(tái)，使機(jī)載云臺(tái)及 其搭載的攝像機(jī)向操作人員期望的方向偏轉(zhuǎn)，攝像機(jī)通過(guò)視頻電臺(tái)將拍攝視頻傳回地面站 并實(shí)時(shí)顯示，操作人員根據(jù)地面站顯示的視頻實(shí)時(shí)修正機(jī)載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)速率和方向，使攝 像機(jī)始終對(duì)準(zhǔn)期望的目標(biāo)，其中操作人員頭部的運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)方向一致。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，可顯著降低操作人員的手部操作負(fù)擔(dān)，由一名操作人員即可 輕松完成無(wú)人機(jī)和云臺(tái)的同時(shí)操作。由于操作人員利用其頭部運(yùn)動(dòng)控制機(jī)載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)方向與人體的直覺(jué)反應(yīng)一致，因此本發(fā)明操作容易，能顯著降低無(wú)人機(jī)操作人員的工作負(fù)擔(dān)， 從而間接地提高無(wú)人機(jī)的飛行安全性和任務(wù)完成率。


圖1是操縱人員頭部運(yùn)動(dòng)指示無(wú)人機(jī)云臺(tái)伺服系統(tǒng)框圖。

圖中1.頭戴式姿態(tài)傳感器，2.操縱人員，3.地面站，4.數(shù)據(jù)電臺(tái)發(fā)射機(jī)，5.數(shù)據(jù) 電臺(tái)接收機(jī)，6.機(jī)載云臺(tái)，7.攝像機(jī)，8.視頻電臺(tái)發(fā)射機(jī)，9.視頻電臺(tái)接收機(jī)，10.無(wú)人機(jī)。
具體實(shí)施例方式操縱人員頭部運(yùn)動(dòng)指示無(wú)人機(jī)云臺(tái)伺服系統(tǒng)由頭戴式姿態(tài)傳感器(1)，地面站 (3)，數(shù)據(jù)電臺(tái)(4)、(5)，機(jī)載云臺(tái)(6)，攝像機(jī)(7)，和視頻電臺(tái)(8)、(9)組成。地面站(3) 根據(jù)頭戴式姿態(tài)傳感器(1)對(duì)操縱人員(2)的頭部運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算得到機(jī)載云臺(tái)(6) 的偏轉(zhuǎn)方向和速率。根據(jù)機(jī)載云臺(tái)(6)可以在地面站(3)的控制下，進(jìn)行俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)。 攝像機(jī)(7)安裝在機(jī)載云臺(tái)(6)之上，并和機(jī)載云臺(tái)(6)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)視頻電臺(tái)(8)和 (9)，攝像機(jī)(7)將拍攝到的視頻實(shí)時(shí)傳送給地面站(3)，并實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)地面站(3)上顯示的攝像機(jī)(7)實(shí)時(shí)圖像，操作人員(2)通過(guò)調(diào)整頭部姿態(tài)， 給出機(jī)載云臺(tái)(6)及攝像機(jī)(7)的期望偏轉(zhuǎn)速率和方向。例如如果操作人員希望看到攝 像機(jī)⑵左側(cè)的圖像，則只需稍微向左轉(zhuǎn)頭，則機(jī)載云臺(tái)(6)和攝像機(jī)(7)隨之向左偏轉(zhuǎn)， 反之亦然；如果操作人員希望看到攝像機(jī)下側(cè)的圖像，則只需稍微向下低頭，則伺服機(jī)載云 臺(tái)(6)及攝像機(jī)(7)隨之向下偏轉(zhuǎn)，反之亦然；本發(fā)明的操作方式與人體的直覺(jué)反應(yīng)完全一 致，操作人員不會(huì)有工作負(fù)擔(dān)。機(jī)載云臺(tái)(6)和攝像機(jī)(7)的偏轉(zhuǎn)速率與操縱人員(2)頭部的姿態(tài)成正比，且該 比例系數(shù)可由操作人員(2)設(shè)定。頭部的傾斜或偏轉(zhuǎn)越大，則機(jī)載云臺(tái)(6)和攝像機(jī)(7) 的偏轉(zhuǎn)速率越大。頭戴式姿態(tài)傳感器(1)用于檢測(cè)操作人員(2)的頭部運(yùn)動(dòng)，將檢測(cè)到的頭部方向 角Ψ和俯仰角θ發(fā)送給地面站(3)。地面站(3)根據(jù)操作人員(1)的頭部方向角Ψ和俯 仰角θ，計(jì)算得到機(jī)載云臺(tái)(6)的航向偏轉(zhuǎn)指令δ ￥和俯仰偏轉(zhuǎn)指令δ 0。為防止機(jī)載云 臺(tái)(6)出現(xiàn)靈敏度過(guò)高和運(yùn)動(dòng)過(guò)快之不良狀況，在機(jī)載云臺(tái)(6)偏轉(zhuǎn)指令的計(jì)算中應(yīng)加入 死區(qū)和飽和，以改善其操縱品質(zhì)。機(jī)載云臺(tái)(6)航向偏轉(zhuǎn)速率指令的計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.操縱人員頭部運(yùn)動(dòng)指示無(wú)人機(jī)云臺(tái)伺服系統(tǒng)屬于無(wú)人機(jī)控制領(lǐng)域，其特征在于，含 有頭戴式姿態(tài)傳感器，地面站，數(shù)據(jù)電臺(tái)，視頻電臺(tái)和可俯仰/偏航的無(wú)人機(jī)機(jī)載云臺(tái)，其 中，頭戴式姿態(tài)傳感器用于檢測(cè)操作人員的頭部運(yùn)動(dòng)，地面站根據(jù)頭部運(yùn)動(dòng)計(jì)算得到云臺(tái) 偏轉(zhuǎn)指令，并通過(guò)數(shù)據(jù)電臺(tái)發(fā)送給機(jī)載云臺(tái)，使機(jī)載云臺(tái)及其搭載的攝像機(jī)向操作人員期 望的方向偏轉(zhuǎn)，攝像機(jī)通過(guò)視頻電臺(tái)將拍攝視頻傳回地面站并實(shí)時(shí)顯示，操作人員根據(jù)地 面站顯示的視頻實(shí)時(shí)修正機(jī)載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)速率和方向，使攝像機(jī)始終對(duì)準(zhǔn)期望的目標(biāo)，其 中操作人員頭部的運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)方向一致。
全文摘要
操縱人員頭部運(yùn)動(dòng)指示無(wú)人機(jī)云臺(tái)伺服系統(tǒng)屬于無(wú)人機(jī)控制領(lǐng)域，其特征在于，含有頭戴式姿態(tài)傳感器，地面站，數(shù)據(jù)電臺(tái)，視頻電臺(tái)和可俯仰/偏航的無(wú)人機(jī)機(jī)載云臺(tái)，其中，頭戴式姿態(tài)傳感器用于檢測(cè)操作人員的頭部運(yùn)動(dòng)，地面站根據(jù)頭部運(yùn)動(dòng)計(jì)算得到云臺(tái)偏轉(zhuǎn)指令，并通過(guò)數(shù)據(jù)電臺(tái)發(fā)送給機(jī)載云臺(tái)，使機(jī)載云臺(tái)及其搭載的攝像機(jī)向操作人員期望的方向偏轉(zhuǎn)，攝像機(jī)通過(guò)視頻電臺(tái)將拍攝視頻傳回地面站并實(shí)時(shí)顯示，操作人員根據(jù)地面站顯示的視頻實(shí)時(shí)修正機(jī)載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)速率和方向，使攝像機(jī)始終對(duì)準(zhǔn)期望的目標(biāo)。本發(fā)明可以使操作人員利用其頭部運(yùn)動(dòng)的直覺(jué)反應(yīng)控制機(jī)載云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)，具有操作容易、使用方便的特點(diǎn)，并能顯著降低無(wú)人機(jī)操作人員的工作負(fù)擔(dān)。
文檔編號(hào)G05D3/00GK102043410SQ20101050338
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者朱紀(jì)洪, 王冠林 申請(qǐng)人:清華大學(xué)