專利名稱：一種空中無人機(jī)超視距遙控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種空中無人機(jī)超視距遙控方法，屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
空中無人機(jī)的研究和發(fā)展正在全世界范圍內(nèi)掀起高潮。 一個(gè)重要的 原因是無人機(jī)在氣象觀測、災(zāi)情現(xiàn)場探測、地球資源勘探和森林防火等 領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。無人機(jī)的遙控方式主要分為手動(dòng)遙控、超視距遙控和 半自主/自主控制。超視距遙控是指地面操作人員根據(jù)無人機(jī)傳送回來的 云臺(tái)拍攝圖像和飛行姿態(tài)信號(hào)操控?zé)o人機(jī)。
當(dāng)前對無人機(jī)的控制方式近距離低空的情況下主要應(yīng)用的是手動(dòng)遙 控方式，這種方式對操作著的操作技術(shù)要求較高，且對操作者視力要求
高，但通常距離在100 200米之間。嚴(yán)重的限制了無人機(jī)的功能。而遠(yuǎn) 距離高空的飛行情況下，主要應(yīng)用的是自動(dòng)控制方式，但這種控制的精 度還不高，控制效果不好，且對飛行控制系統(tǒng)的要求高設(shè)計(jì)制造復(fù)雜， 因此迫切的需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)超視距情況下遙控?zé)o人機(jī)的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在不足而設(shè)計(jì)提供了一種空中無 人機(jī)超視距遙控方法，其目的是使操作者的視覺范圍之外，依然可以根 據(jù)無人機(jī)傳回的數(shù)字信息和圖像數(shù)據(jù)判斷無人機(jī)的飛行狀態(tài)，既可以克 服傳統(tǒng)手動(dòng)控制中對操作者視覺的要求，同時(shí)還能夠滿足一定的控制精 度要求，并由此完成對無人機(jī)姿態(tài)、位置的控制，使無人機(jī)控制系統(tǒng)具 有更高的靈活性
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
該種空中無人機(jī)超視距遙控方法，其特征在于該方法的的步驟為 (1)將無人機(jī)所采集遙測數(shù)據(jù)及圖像視頻數(shù)據(jù)傳輸回地面控制系
統(tǒng)；
(2 )地面控制系統(tǒng)按照相應(yīng)協(xié)議對該數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理；
(3)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前無人機(jī)飛行航跡、位置及姿態(tài)信息、重構(gòu)無
人機(jī)模型并顯示當(dāng)前無人機(jī)姿態(tài)信息。進(jìn)行無人機(jī)模型與圖像視頻的融其步驟是
A、 根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在電子地圖窗口中顯示無人機(jī)飛行航跡；
B、 根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在虛擬儀表窗口中為虛擬儀表賦值動(dòng)態(tài)顯示
當(dāng)前無人機(jī)飛行姿態(tài)及位置信息；
C、 根據(jù)無人機(jī)回傳的遙測數(shù)據(jù)和圖像視頻數(shù)據(jù)在姿態(tài)重構(gòu)窗口中進(jìn) 行無人機(jī)模型與圖像視頻融合；
① 在VC處理平臺(tái)無人機(jī)模型姿態(tài)重構(gòu)窗口中完成對0penGL軟件接 口的初始化，即設(shè)置視口、視點(diǎn)、燈光等參數(shù)，建立0penGL窗口。
② 將創(chuàng)建的3DS格式的無人機(jī)三維模型分別以主旋翼、機(jī)體和尾翼 的形式導(dǎo)入無人機(jī)模型姿態(tài)重構(gòu)窗口。調(diào)節(jié)模型位置，重構(gòu)無人機(jī)模型。
③ 應(yīng)用0penGL方法讀取緩沖區(qū)中圖像視頻信號(hào)，應(yīng)用 glDrawPixels()函數(shù)繪制0penGL窗口背景。
調(diào)節(jié)導(dǎo)入無人機(jī)模型分別繞0penGL窗口中坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的旋 轉(zhuǎn)角度重構(gòu)無人機(jī)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、和航向角。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)重構(gòu)。
⑤渲染場景實(shí)現(xiàn)無人機(jī)模型與圖像視頻的融合，完成當(dāng)前無人機(jī)模 型與圖像背景的顯示。
定時(shí)刷新姿態(tài)重構(gòu)窗口，動(dòng)態(tài)重構(gòu)無人機(jī)在當(dāng)前飛行環(huán)境中的姿態(tài)。
⑦程序退出，釋放0penGL資源。 (4)操作者根據(jù)步驟3中電子地圖中無人機(jī)當(dāng)前航跡顯示、虛擬儀 表的姿態(tài)信息以及無人機(jī)姿態(tài)重構(gòu)窗口中當(dāng)前飛行狀態(tài)和現(xiàn)場圖像視 頻，操控地面控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制命令，由數(shù)字傳輸模塊發(fā)送至無人機(jī)系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超視距遙控。
該控制方法中將虛擬的無人機(jī)模型融合到當(dāng)前無人機(jī)傳回的圖像視 頻中，直接反應(yīng)了當(dāng)前無人機(jī)飛行狀態(tài)的同時(shí)，也給出了無人機(jī)當(dāng)前所 處的環(huán)境及任務(wù)狀態(tài)。


圖1為本發(fā)明技術(shù)方案中超視距遙控系統(tǒng)
圖2為本發(fā)明技術(shù)方案控制方法的軟件流程圖
圖3為本發(fā)明技術(shù)方案中無人機(jī)模型姿態(tài)重構(gòu)的軟件流程4為本發(fā)明技術(shù)方案中圖像視頻融合的軟件流程圖
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步地說明 參見附圖1所示，超視距遙控系統(tǒng)工作流程。無人機(jī)機(jī)載傳感器和 云臺(tái)攝像機(jī)分別將當(dāng)前無人機(jī)飛行狀態(tài)信息和采集的圖像視頻信息發(fā)送 至及無人機(jī)系統(tǒng)機(jī)載處理模塊，通過機(jī)載處理模塊形成特定數(shù)據(jù)禎，由 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸模塊將控制命令及遙測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口傳回地面控制 站系統(tǒng)中工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，同時(shí)通過無人機(jī)圖象傳輸模塊將任務(wù)云臺(tái)攝 像機(jī)拍攝的現(xiàn)場圖象數(shù)據(jù)傳回地面控制站，經(jīng)圖象采集卡將圖象數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中。系統(tǒng)控制軟件對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重構(gòu)當(dāng)前無 人機(jī)飛行狀態(tài)，操作者根據(jù)操作界面中所重構(gòu)的無人機(jī)工作狀態(tài)和飛行 航跡等信息操作遙控平臺(tái)及系統(tǒng)控制軟件產(chǎn)生控制命令，由數(shù)傳模塊傳 回?zé)o人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的超視距遙控。
參見附圖2 4所示，該系統(tǒng)該種空中無人機(jī)超視距遙控方法，其特 征在于該方法的的步驟為
(1) 將無人機(jī)所采集遙測數(shù)據(jù)及圖像視頻數(shù)據(jù)傳輸回地面控制系 統(tǒng)l;即無人機(jī)空中模塊記錄當(dāng)前飛行系統(tǒng)中各傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)協(xié)議 形成數(shù)據(jù)幀回傳，圖像的采集是通過安裝在無人機(jī)飛行任務(wù)平臺(tái)上的任 務(wù)攝像機(jī)完成的，采集完成傳回地面控制站，兩路數(shù)據(jù)是分別通過數(shù)字 傳輸模塊和圖像傳輸模塊完成的；
(2) 地面控制系統(tǒng)按照相應(yīng)協(xié)議對回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理2。地面 控制站系統(tǒng)接收到無人機(jī)傳回的遙測數(shù)據(jù)，按照協(xié)議解析數(shù)據(jù)幀含義， 提取無人機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)信息。地面站系統(tǒng)接收到圖像傳輸模塊傳回的 圖像視頻信息經(jīng)連接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡存儲(chǔ)到內(nèi)存緩沖 區(qū)中；
(3) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前無人機(jī)飛行航跡、位置及姿態(tài)信息、重構(gòu)無 人機(jī)模型并顯示當(dāng)前無人機(jī)姿態(tài)信息。進(jìn)行無人機(jī)模型與圖像視頻的融
合3;
其實(shí)現(xiàn)方法是
A、根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在電子地圖窗口中顯示無人機(jī)飛行航跡。在 本方法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上，飛行航跡的顯示是基于MapX控件實(shí)現(xiàn)該功能的；
5B、 根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在虛擬儀表窗口中為虛擬儀表賦值動(dòng)態(tài)顯示 當(dāng)前無人機(jī)飛行姿態(tài)及位置信息。虛擬儀表動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前無人機(jī)飛行速 度、飛行姿態(tài)、飛行航向、飛行高度、油箱狀態(tài)和當(dāng)前航線、航點(diǎn)編號(hào)
C、 根據(jù)無人機(jī)回傳的遙測數(shù)據(jù)和圖像視頻數(shù)據(jù)在姿態(tài)重構(gòu)窗口中進(jìn) 行無人機(jī)模型與圖像視頻融合；
① 在VC處理平臺(tái)無人機(jī)模型姿態(tài)重構(gòu)窗口中完成對0penGL軟件接 口的初始化13，即設(shè)置視口、視點(diǎn)、燈光等參數(shù)，建立0penGL窗口。
② 創(chuàng)建場景導(dǎo)入三維無人機(jī)模型14。在導(dǎo)入模型前，應(yīng)用3DS MAX 軟件創(chuàng)建無人機(jī)模型6，在創(chuàng)建的過程中將無人機(jī)模型分為主旋翼、機(jī)體 和尾翼三部分分別創(chuàng)建以在調(diào)入之后能夠重構(gòu)無人機(jī)模型飛行的動(dòng)態(tài)效 果。模型建立之后應(yīng)用3D Exploration軟件將創(chuàng)建的無人機(jī)模型的主旋 翼、機(jī)體和尾翼分別轉(zhuǎn)換為.cpp格式7，然后將該文件另存為.h格式8， 這種轉(zhuǎn)換將三維模型的顯示列表、紋理等信息存儲(chǔ)到0penGL能夠讀取的 文件中，實(shí)現(xiàn)模型與0penGL環(huán)境的結(jié)合。調(diào)用0penGL環(huán)境 Gen3DobjectList ()函數(shù)讀取該模型的顯示列表9，通過glCallList ()函 數(shù)調(diào)用9中得到的顯示列表10，即可實(shí)現(xiàn)三維模型的導(dǎo)入。通過0penGl 圖形接口中平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等變換11，調(diào)整無人機(jī)主旋翼、機(jī)體和尾 翼的相對位置，重構(gòu)無人機(jī)模型。最后渲染場景12，將無人機(jī)模型顯示 在當(dāng)前0penGL窗口中。
③ 應(yīng)用0penGL方法讀取緩沖區(qū)中圖像視頻信號(hào)，應(yīng)用 glDrawPixels()函數(shù)繪制OpenGL窗口背景15，無人機(jī)任務(wù)云臺(tái)攝像機(jī)采 集現(xiàn)場圖像之后經(jīng)圖像傳輸模塊傳回地面控制站系統(tǒng)，與工業(yè)控制計(jì)算 機(jī)相連的圖像采集卡采集其中圖像數(shù)據(jù)，并將其存放在系統(tǒng)設(shè)定緩沖區(qū) 中。
調(diào)節(jié)導(dǎo)入無人機(jī)模型分別繞0penGL窗口中坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的旋 轉(zhuǎn)角度重構(gòu)無人機(jī)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、和航向角16。將圍繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn) 角度值是分別對應(yīng)于通過解析數(shù)字傳輸模塊傳回遙測數(shù)據(jù)得到的俯仰 角、滾轉(zhuǎn)角和航向角，重構(gòu)當(dāng)前無人機(jī)的飛行姿態(tài)。
⑤渲染場景實(shí)現(xiàn)無人機(jī)模型與圖像視頻的融合17，該步完成當(dāng)前無 人機(jī)模型與圖像背景的顯示。完成反應(yīng)該時(shí)刻無人機(jī)姿態(tài)與現(xiàn)成圖像的場景融合顯示。
⑥ 定時(shí)刷新0penGL窗口 18，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在當(dāng)前飛行環(huán)境中的 姿態(tài)重構(gòu)以及與圖像視頻的動(dòng)態(tài)融合；
⑦ 程序結(jié)束，釋放0penGL資源19。
(4)操作者根據(jù)步驟3中無人機(jī)的當(dāng)前航跡顯示、當(dāng)前虛擬儀表的 指示值以及當(dāng)前姿態(tài)重構(gòu)窗口中無人機(jī)當(dāng)前飛行姿態(tài)及現(xiàn)場圖像視頻， 操控地面控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制命令4，由數(shù)字傳輸模塊發(fā)送至無人機(jī)系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)超視距遙控5。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠?qū)崟r(shí)的反應(yīng)當(dāng)前無人機(jī) 位置姿態(tài)信息，在控制過程中，能夠直接通過無人機(jī)模型當(dāng)前的狀態(tài)實(shí) 現(xiàn)對無人機(jī)的位置姿態(tài)的調(diào)節(jié)。通過視頻圖像與無人機(jī)模型融合的方式 將當(dāng)前無人機(jī)模型融合進(jìn)現(xiàn)場環(huán)境中，使操作者更直觀的觀察當(dāng)前飛行 狀態(tài)，合理規(guī)劃航行線路和云臺(tái)任務(wù)，大大增加無人機(jī)的遙控距離，且 具有較高可靠性。由于本方法是基于OpenGL窗口環(huán)境中無人機(jī)的姿態(tài)及 虛擬儀表顯示結(jié)果來控制無人機(jī)的飛行的，因此傳輸距離不再受到操作 者視距的影響，即可以實(shí)現(xiàn)超視距遙控。
權(quán)利要求
1、一種空中無人機(jī)超視距遙控方法，其特征在于該方法的的步驟為(1)將無人機(jī)所采集遙測數(shù)據(jù)及圖像視頻數(shù)據(jù)傳輸回地面控制系統(tǒng)；(2)地面控制系統(tǒng)按照相應(yīng)協(xié)議對該數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理；(3)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前無人機(jī)飛行航跡、位置及姿態(tài)信息、重構(gòu)無人機(jī)模型并顯示當(dāng)前無人機(jī)姿態(tài)信息，進(jìn)行無人機(jī)模型與圖像視頻的融合，其步驟是A、根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在電子地圖窗口中顯示無人機(jī)飛行航跡；B、根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在虛擬儀表窗口中為虛擬儀表賦值動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前無人機(jī)飛行姿態(tài)及位置信息；C、根據(jù)無人機(jī)回傳的遙測數(shù)據(jù)和圖像視頻數(shù)據(jù)在姿態(tài)重構(gòu)窗口中進(jìn)行無人機(jī)模型與圖像視頻融合；①在VC處理平臺(tái)無人機(jī)模型姿態(tài)重構(gòu)窗口中完成對OpenGL軟件接口的初始化，即設(shè)置視口、視點(diǎn)、燈光等參數(shù)，建立OpenGL窗口；②將創(chuàng)建的3DS格式的無人機(jī)三維模型分別以主旋翼、機(jī)體和尾翼的形式導(dǎo)入無人機(jī)模型姿態(tài)重構(gòu)窗口，調(diào)節(jié)模型位置，重構(gòu)無人機(jī)模型；③應(yīng)用OpenGL方法讀取緩沖區(qū)中圖像視頻信號(hào)，應(yīng)用glDrawPixels()函數(shù)繪制OpenGL窗口背景；④調(diào)節(jié)導(dǎo)入無人機(jī)模型分別繞OpenGL窗口中坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度重構(gòu)無人機(jī)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、和航向角，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)重構(gòu)；⑤渲染場景實(shí)現(xiàn)無人機(jī)模型與圖像視頻的融合，完成當(dāng)前無人機(jī)模型與圖像背景的顯示；⑥定時(shí)刷新姿態(tài)重構(gòu)窗口，動(dòng)態(tài)重構(gòu)無人機(jī)在當(dāng)前飛行環(huán)境中的姿態(tài)；⑦程序退出，釋放OpenGL資源；(4)操作者根據(jù)步驟3中電子地圖中無人機(jī)當(dāng)前航跡顯示、虛擬儀表的姿態(tài)信息以及無人機(jī)姿態(tài)重構(gòu)窗口中當(dāng)前飛行狀態(tài)和現(xiàn)場圖像視頻，操控地面控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制命令，由數(shù)字傳輸模塊發(fā)送至無人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超視距遙控。
全文摘要
本發(fā)明是一種空中無人機(jī)超視距遙控方法，其主要步驟為A.根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在電子地圖窗口中顯示無人機(jī)飛行航跡；B.根據(jù)無人機(jī)回傳數(shù)據(jù)在虛擬儀表窗口中為虛擬儀表賦值動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前無人機(jī)飛行姿態(tài)及位置信息；C.根據(jù)無人機(jī)回傳的遙測數(shù)據(jù)和圖像視頻數(shù)據(jù)在姿態(tài)重構(gòu)窗口中進(jìn)行無人機(jī)模型與圖像視頻融合。該控制方法中將虛擬的無人機(jī)模型融合到當(dāng)前無人機(jī)傳回的圖像視頻中，直接反應(yīng)了當(dāng)前無人機(jī)飛行狀態(tài)的同時(shí)，也給出了無人機(jī)當(dāng)前所處的環(huán)境及任務(wù)狀態(tài)。能夠?qū)崟r(shí)的反應(yīng)當(dāng)前無人機(jī)位置姿態(tài)信息，在控制過程中，能夠直接通過無人機(jī)模型當(dāng)前的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的位置姿態(tài)的調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)G05D1/00GK101493699SQ20091007902
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者丑武勝, 震 馮, 王田苗 申請人:北京航空航天大學(xué)