TW201307155A

TW201307155A - 無人飛行載具模擬飛行系統及方法

Info

Publication number: TW201307155A
Application number: TW100127291A
Authority: TW
Inventors: Hou-Hsien Lee; Chang-Jung Lee; Chih-Ping Lo
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-02-16
Also published as: US20130034834A1

Abstract

一種無人飛行載具模擬飛行系統及方法，該系統用於：獲取手持裝置的加速度感測器偵測到的手持裝置的移動資料；將手持裝置的移動資料轉換為三維虛擬無人飛行載具的控制訊號；根據預先設置的環境參數，利用該手持裝置中安裝的物理引擎對該控制訊號進行調整；根據調整後的控制訊號，利用該物理引擎模擬三維虛擬無人飛行載具在三維虛擬場景中的飛行動作，並將該模擬動作顯示在手持裝置的顯示設備上。利用本發明可以在手持裝置的顯示設備上模擬無人飛行載具的飛行動作。

Description

無人飛行載具模擬飛行系統及方法

本發明涉及一種無人飛行載具控制系統及方法，尤其涉及一種無人飛行載具模擬飛行系統及方法。

目前，無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）被用來進行安全監控工作。但是，傳統的無人飛行載具在初期研發時，需要透過無人飛行載具專屬的遙控器，對無人飛行載具的原型機進行飛行動作測試。如果使用者操作不當，容易造成無人飛行載具原型機的損壞或墜毀，縮短無人飛行載具原型機的使用壽命。

另外，傳統遙控器的體積龐大不便攜帶，使用傳統遙控器的控制桿進行無人飛行載具的多軸操作對初學者而言較為複雜，初學者難以在短時間內上手。

鑒於以上內容，有必要提供一種無人飛行載具模擬飛行系統及方法，其可透過手持裝置內建的加速度感測器即時偵測手持裝置的移動方向和移動量，並根據手持裝置的移動方向和移動量，在該手持裝置的三維虛擬場景中模擬無人飛行載具的飛行動作。

一種無人飛行載具模擬飛行系統，該系統包括：

移動資料獲取模組，用於獲取手持裝置的加速度感測器偵測到的手持裝置的移動資料，該手持裝置的儲存器中儲存有預先繪製的三維虛擬場景及三維虛擬無人飛行載具；

移動資料轉換模組，用於將手持裝置的移動資料轉換為該三維虛擬無人飛行載具的控制訊號；

訊號調整模組，用於根據預先設置的環境參數，利用該手持裝置中安裝的物理引擎對該控制訊號進行調整；及

飛行控制模組，用於根據調整後的控制訊號，利用該物理引擎模擬該三維虛擬無人飛行載具在該三維虛擬場景中的飛行動作，並將該模擬動作顯示在手持裝置的顯示設備上。

一種無人飛行載具模擬飛行方法，該方法包括如下步驟：

移動資料獲取步驟，獲取手持裝置的加速度感測器偵測到的手持裝置的移動資料，該手持裝置的儲存器中儲存有預先繪製的三維虛擬場景及三維虛擬無人飛行載具；

移動資料轉換步驟，將手持裝置的移動資料轉換為該三維虛擬無人飛行載具的控制訊號；

訊號調整步驟，根據預先設置的環境參數，利用該手持裝置中安裝的物理引擎對該控制訊號進行調整；及

飛行控制步驟，根據調整後的控制訊號，利用該物理引擎模擬該三維虛擬無人飛行載具在該三維虛擬場景中的飛行動作，並將該模擬動作顯示在手持裝置的顯示設備上。

前述方法可以由手持裝置執行，其中該手持裝置具有附帶了圖形用戶介面（GUI）的觸控式螢幕、一個或多個處理器、儲存器以及儲存在儲存器中用於執行這些方法的一個或多個模組、程式或指令集。在某些實施方式中，該手持裝置提供了包括無線通信在內的多種功能。

用於執行前述方法的指令可以包含在被配置成由一個或多個處理器執行的電腦程式產品中。

相較於習知技術，所述的無人飛行載具模擬飛行系統及方法，其可透過手持裝置內建的加速度感測器即時偵測手持裝置的移動方向和移動量，並根據手持裝置的移動方向和移動量，在該手持裝置的三維虛擬場景中模擬無人飛行載具的飛行動作，從而避免了無人飛行載具原型機損壞或者墜毀等意外情況的發生。

本發明涉及到無人飛行載具操縱系統和物理引擎的概念，所以先解釋一下無人飛行載具操縱系統的組成和物理引擎的作用。

無人飛行載具操縱系統包括，但不限於以下三部分：

1. 總距操縱桿（Collective Pitch Control）

簡稱總距桿，用來控制旋翼槳葉總距變化。上推總距桿時，使自動傾斜器整體上升而增大旋翼槳葉總距（即所有槳葉的槳距同時增大相同角度）使旋翼拉力增大，反之拉力減小，由此來控制直升機（無人飛行載具）的升降運動。

2. 週期變距操縱桿（Cyclic Control）：橫向/縱向

簡稱駕駛桿，與自動傾斜器相連接。沿橫向和縱向操縱週期變距操縱桿時，自動傾斜器會出現相應方向的傾斜，從而導致旋翼拉力方向也發生相應方向的傾斜，由此得到需要的推進力以及橫向和縱向操縱力，進而改變直升機（無人飛行載具）的運動狀態和自身姿態。

3. 反扭力操縱桿（Anti-torque Pedals）

屬於航向控制工具。對於單旋翼帶尾槳直升機（無人飛行載具）而言，反扭力操縱桿與尾槳的槳距控制裝置相連，透過控制尾槳槳距的大小來調節尾槳產生的側向力，達到控制航向的目的。對於單旋翼無尾槳直升機（無人飛行載具）而言，反扭力操縱桿則是透過反扭力操縱桿控制機身尾部出氣量的大小來調節側向力。對於雙旋翼直升機（無人飛行載具）而言，反扭力操縱桿控制的則是兩旋翼總槳距的差動，即一個增大一個減小，使得兩旋翼反扭矩不能平衡，從而使機身發生航向偏轉。

物理引擎為一種可透過電腦程式來模擬牛頓力學模型，透過品質、速度、摩擦力和風力等環境參數，可以使物體的運動遵循固定的規律，有如現實世界存在的地心引力、重力等物理現象，以作為系統軟體調整3D（Three Dimensional，三維）物件在各種不同情況下所應呈現效果的依據。例如，當遊戲角色跳起的時候，系統內定的重力值將決定他能跳得多高，以及他下落的速度有多快。另外，子彈的飛行軌跡、或車輛的顛簸方式都可由物理引擎所控制。

物理引擎可以用於計算3D虛擬場景中，物體與場景之間，物體與角色之間、物體與物體之間等運動交互和動力學的特性。在物理引擎的支援下，3D虛擬場景內的物體可具有品質、承受到重力、落在地面上或與其他物體發生碰撞，甚至可以反應用戶施加的推力、因壓力而變形。物理引擎使用物件屬性（如動量、扭矩或者彈性）來模擬剛體行為，不僅可以得到真實的結果，對於開發人員來說也比編寫行為腳本要更加容易掌握。

參閱圖1所示，係本發明無人飛行載具模擬飛行系統的應用環境圖。在本實施方式中，所述無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）模擬飛行系統24運行於手持裝置2中。該手持裝置2還包括透過資料匯流排相連的顯示設備20、物理引擎21、加速度感測器（Accelerator Sensor）22、儲存器23和處理器25。所述手持裝置2可以為手機或PDA（Personal Digital Assistant，個人數位助理）等具有資料處理功能的電子設備。

所述UAV模擬飛行系統24用於透過手持裝置2內建的加速度感測器22即時偵測手持裝置2的移動方向和移動量，並根據手持裝置2的移動方向和移動量，在該手持裝置2的三維虛擬場景中模擬無人飛行載具的飛行動作，具體過程以下描述。

所述儲存器23用於儲存所述UAV模擬飛行系統24的程式碼、3D虛擬場景及3D虛擬無人飛行載具等資料。所述顯示設備20用於顯示3D虛擬場景和3D虛擬無人飛行載具等資料。

在本實施方式中，所述加速度感測器22包括，但不限於，雙軸加速度感測器（Two-Axis Accelerator）、三軸加速度感測器（Three-Axis Accelerator）、雙軸陀螺儀（Two-Axis Gyro）、三軸陀螺儀（Three-Axis Gyro）等。

在本實施方式中，所述UAV模擬飛行系統24可以被分割成一個或多個模組，所述一個或多個模組被儲存在所述儲存器23中並被配置成由一個或多個處理器（本實施方式為一個處理器25）執行，以完成本發明。例如，參閱圖2所示，所述UAV模擬飛行系統24被分割成移動資料獲取模組201、移動資料轉換模組202、訊號調整模組203和飛行控制模組204。本發明所稱的模組是完成一特定功能的程式段，比程式更適合於描述軟體在手持裝置2中的執行過程，關於各模組的功能將在圖3的流程圖中具體描述。

參閱圖3所示，是利用無人飛行載具模擬飛行方法的較佳實施方式的流程圖。

在步驟S1之前，用戶首先需要利用3D繪圖軟體（如Google SketchUp、Maya等），繪製3D虛擬場景40和3D虛擬無人飛行載具41（參閱圖7B所示），並將繪製的3D虛擬場景40和3D虛擬無人飛行載具41設置於物理引擎21中。然後，根據現實環境可能存在的相關物理現象（如地心引力、風力等），透過物理引擎21設置該3D虛擬場景40的環境參數（品質、速度、摩擦力和風力等），將該3D虛擬場景40、3D虛擬無人飛行載具41和設置的環境參數儲存於儲存器23中。

步驟S1，使用者開啟手持裝置2的UAV模擬飛行系統24，然後移動手持裝置2。

步驟S2，移動資料獲取模組201獲取加速度感測器22偵測到的手持裝置2的移動資料。在本實施方式中，所述移動資料包括：手持裝置2在三軸（X-Y-Z）座標系中的移動方向和移動量。其中，手持裝置2的三軸座標系示意圖參見圖4所示。

參閱圖4所示，在本實施方式中，以手持裝置2的顯示設備20所在平面為X-Y平面，其中橫向為X軸，豎向為Y軸，垂直於顯示設備20所在平面的方向為Z軸。參閱圖5所示，當UAV模擬飛行系統24被啟動後，如果手持裝置2發生移動，加速度感測器22將即時偵測手持裝置2在X軸、Y軸和Z軸的移動方向和移動量。

步驟S3，移動資料轉換模組202將手持裝置2的移動資料轉換為3D虛擬無人飛行載具41的控制訊號。舉例而言，如果手持裝置2向左移動1cm，則控制訊號為控制該3D虛擬無人飛行載具41在該3D虛擬場景40中向左側向移動6cm。在本實施方式中，所述控制訊號包括：控制週期變距操縱桿橫向移動的第一控制訊號、控制週期變距操縱桿縱向移動的第二控制訊號、控制總距操縱桿移動的第三控制訊號、控制反扭力操縱桿移動的第四控制訊號。

在本實施方式中，以單旋翼帶尾槳直升機為例進行說明。參閱圖6所示，是將手持裝置2的移動資料轉換為不同控制訊號的轉換表30示意圖。具體而言，如果手持裝置2在原位置橫向左右移動（參閱圖7A所示），則轉換為第一控制訊號；如果手持裝置2在原位置沿著Y軸上下移動（參閱圖8A所示），則轉換為第二控制訊號；如果手持裝置2離開原位置橫向上下移動（參閱圖9A所示），則轉換為第三控制訊號；如果手持裝置2在原位置沿著X軸上下移動（參閱圖10A所示），則轉換為第四控制訊號。

步驟S4，訊號調整模組203根據預先設置的環境參數，利用物理引擎21對該控制訊號進行調整。舉例而言，假設控制訊號為向左以10m/s的速度移動3D虛擬無人飛行載具41，環境參數中的風力速度為向右5m/s，則物理引擎21將自動對該控制訊號進行調整，調整後的控制訊號為向左以5m/s的速度移動3D虛擬無人飛行載具41。

步驟S5，飛行控制模組204根據調整後的控制訊號，利用物理引擎21模擬3D虛擬無人飛行載具41在3D虛擬場景40中的飛行動作，即調整3D虛擬無人飛行載具41在3D虛擬場景40中位置關係，並將該模擬動作顯示在顯示設備20上。

參閱圖7B所示，是物理引擎21根據調整後的第一控制訊號模擬3D虛擬無人飛行載具41在3D虛擬場景40中飛行的示意圖。參閱圖8B所示，是物理引擎21根據調整後的第二控制訊號模擬3D虛擬無人飛行載具41在3D虛擬場景40中飛行的示意圖。參閱圖9B所示，是物理引擎21根據調整後的第三控制訊號模擬3D虛擬無人飛行載具41在3D虛擬場景40中飛行的示意圖。參閱圖10B所示，是物理引擎21根據調整後的第四控制訊號模擬3D虛擬無人飛行載具41在3D虛擬場景40中飛行的示意圖。

最後應說明的是，以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

2．．．手持裝置

20．．．顯示設備

21．．．物理引擎

22．．．加速度感測器

23．．．儲存器

24．．．UAV模擬飛行系統

25．．．處理器

30．．．轉換表

40．．．3D虛擬場景

41．．．3D虛擬無人飛行載具

201．．．移動資料獲取模組

202．．．移動資料轉換模組

203．．．訊號調整模組

204．．．飛行控制模組

圖1係本發明無人飛行載具模擬飛行系統的應用環境圖。

圖2係本發明無人飛行載具模擬飛行系統的功能模組圖。

圖3係本發明無人飛行載具模擬飛行方法的較佳實施方式的流程圖。

圖4係本發明內建加速度感測器的手持裝置的三軸座標系示意圖。

圖5係手持裝置移動時，加速度感測器偵測移動資料的示意圖。

圖6係將手持裝置的移動資料轉換為不同控制訊號的轉換表示意圖。

圖7A係第一控制訊號對應的手持裝置移動示意圖。

圖7B係根據調整後的第一控制訊號模擬3D虛擬無人飛行載具在3D虛擬場景中飛行的示意圖。

圖8A係第二控制訊號對應的手持裝置移動示意圖。

圖8B係根據調整後的第二控制訊號模擬3D虛擬無人飛行載具在3D虛擬場景中飛行的示意圖。

圖9A係第三控制訊號對應的手持裝置移動示意圖。

圖9B係根據調整後的第三控制訊號模擬3D虛擬無人飛行載具在3D虛擬場景中飛行的示意圖。

圖10A係第四控制訊號對應的手持裝置移動示意圖。

圖10B係根據調整後的第四控制訊號模擬3D虛擬無人飛行載具在3D虛擬場景中飛行的示意圖。