CN108762509A - 一种操作遥控对象的方法及操作系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种操作被遥控对象的方法，包括：第一方位传感器采集遥控端在感知环境坐标系中的方向后，得出空间旋转方程；将遥控端中操作单元的空间运动值转换为环境坐标系中的空间运动值，并发送至被遥控对象；第二方位传感器采集被遥控对象在感知环境坐标系中的方向后，得出空间旋转方程；将所接收到的遥控端发送的空间运动值转换为被遥控对象的运动控制量；被遥控对象通过运动控制量在环境坐标系中运动。实施方法的操作系统，遥控端包括操作单元、第一方位传感器、计算模块a、转换模块a，被遥控对象包括电子罗盘、陀螺仪、第二方位传感器、计算模块b与转换模块b。本发明不受遥控器方位影响，可提高操作的便利性。

Description

一种操作遥控对象的方法及操作系统

技术领域

本发明涉及一种操作方法，尤其是一种操作遥控对象的方法及操作系统。

背景技术

现阶段玩具车、无人机等设备的遥控均是将被遥控对象的坐标系方向和遥控器的坐标系方向进行映射。操作者处于环境(世界)坐标系下对被遥控对象的运动移动和方向控制，需要将被遥控对象在环境(世界)坐标系下的运动转换到被遥控对象坐标系下的运动，再通过遥控器实施控制，增加了操作难度。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种不受遥控器方位影响，可提高操作便利性的一种操作遥控对象的方法及操作系统。

为实现上述目的，本发明提供一种操作被遥控对象的方法，包括遥控端与被遥控对象，包括以下步骤：

步骤1、遥控端通过第一方位传感器采集其在感知环境坐标系中的方向后，得出遥控端的空间旋转方程；

步骤2、空间旋转方程将遥控端中操作单元的空间运动值转换为环境坐标系中的空间运动值，并将空间运动值发送至被遥控对象；

步骤3、被遥控对象通过第二方位传感器采集其在感知环境坐标系中的方向后，得出被遥控对象空间旋转方程；

步骤4、通过空间旋转方程将所接收到的由遥控端发送的空间运动值转换为被遥控对象的运动控制量；

步骤5、被遥控对象通过运动控制量在环境坐标系中运动。

上述的一种操作被遥控对象的方法，其中，在步骤1中，包括以下子步骤：

步骤11、通过遥控器中的第一方位传感器以标定遥控器中的操作单元；

步骤12、建立遥控器在环境坐标系中的初始坐标；

步骤13、通过第一方位传感器采集到遥控端在感知环境坐标系中的偏转角，以得出遥控端的空间旋转方程。

上述的一种操作被遥控对象的方法，其中，在步骤2中，包括以下子步骤：

步骤21、利用下式以得出遥控器的空间旋转轴矢量L3：

L3＝L1×L2，

其中，L1为遥控器的方位初始状态，L2为遥控器的方位当前状态；

步骤22、利用下式得出绕遥控器空间旋转轴矢量L3的轴旋转角度：

cos(φ)＝L1·L2/(||L1||·||L2||))；

步骤23、利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

φ＝acos(L1·L2/(||L1||·||L2||))。

上述的一种操作被遥控对象的方法，其中，在步骤3中，包括以下子步骤：

步骤31、通过被遥控对象中第二方位传感器的方位值以标定被遥控对象的运动控制量；

步骤32、建立被遥控对象在环境坐标系中的初始坐标；

步骤33、通过第二方位传感器采集被遥控对象在感知环境坐标系中的偏转角，以得出被遥控对象的空间旋转方程。

上述的一种操作被遥控对象的方法，其中，在步骤4中，包括以下子步骤：

步骤41、利用下式以得出被遥控对象的空间旋转轴矢量h3：

h3＝h1×h2，

其中，h1为被遥控对象的方位初始状态，h2为被遥控对象的方位当前状态；

步骤42、利用下式得出被遥控对象空间旋转轴矢量h3的旋转角度：

cos(α)＝h1·h2/(||h1||·||h 2||))；

步骤43、利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

α＝acos(h 1·h 2/(||h 1||·||h 2||))。

步骤44、在接收到由遥控端发送的空间运动值后，将空间运动值转换为被遥控对象的方位值q＝inv(Rot)·p'，

其中，inv(Rot)为矩阵Rot的逆矩阵，q为被遥控对象在其自身坐标系下的运动值指令，p'为被遥控对象在当前方位时接收到运动指令。

本发明提供一种操作被遥控对象的操作系统，包括被遥控对象与遥控端，所述遥控端包括操作单元，所述被遥控对象包括电子罗盘与陀螺仪，其特征在于，所述遥控端还包括第一方位传感器、计算模块a、转换模块a；

所述第一方位传感器，用于采集所述遥控端在感知环境坐标系中的方向；

所述计算模块a，用于通过所述遥控端在感知环境坐标系中的方向，以计算得出所述遥控端的空间旋转方程；

所述转换模块a，用于通过空间旋转方程将所述遥控端中操作单元的空间运动值转换为环境坐标系中的空间运动值；

所述被遥控对象还包括第二方位传感器、计算模块b、转换模块b；

所述第二方位传感器，用于采集所述被遥控对象在感知环境坐标系中的方向；

所述计算模块b，用于通过所述被遥控对象在感知环境坐标系中的方向，以计算得出所述被遥控对象的空间旋转方程；

所述转换模块b，用于通过空间旋转方程将所接收到的由遥控端发送的空间运动值转换为被遥控对象的运动控制量。

上述的操作系统，其中，所述转换模块a的实施步骤如下：

利用下式以得出遥控器的空间旋转轴矢量L3：

L3＝L1×L2，

其中，L1为遥控器的方位初始状态，L2为遥控器的方位当前状态；

利用下式得出绕遥控器空间旋转轴矢量L3的轴旋转角度：

cos(φ)＝L1·L2/(||L1||·||L2||))；

利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

φ＝acos(L1·L2/(||L1||·||L2||))。

上述的操作系统，其中，所述转换模块b的实施步骤如下：

利用下式以得出被遥控对象的空间旋转轴矢量h3：

h3＝h1×h2，

其中，h1为被遥控对象的方位初始状态，h2为被遥控对象的方位当前状态；

利用下式得出被遥控对象空间旋转轴矢量h3的旋转角度：

cos(α)＝h1·h2/(||h1||·||h 2||))；

利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

α＝acos(h 1·h 2/(||h 1||·||h 2||))。

在接收到由遥控端发送的空间运动值后，将空间运动值转换为被遥控对象的方位值q＝inv(Rot)·p'，

其中，inv(Rot)为矩阵Rot的逆矩阵，q为被遥控对象在其自身坐标系下的运动值指令，p'为被遥控对象在当前方位时接收到运动指令。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将遥控器和被遥控对象的坐标系方向统一映射到环境(世界)坐标系下进行运动控制的遥控方法，使操作者可基于环境(世界)坐标系下对被遥控对象的运动方向判断，在相同方向操作遥控器摇杆或按键，而不受遥控器本体方位的影响；

本发明通过已知环境(世界)坐标系方向，将被遥控对象坐标系方向和遥控器坐标系方向进行关联，可消除操作者在遥控操作中需要将被遥控对象在环境(世界)坐标系下的运动转换到被遥控对象坐标下运动的过程，提高遥控操作便利性。

本发明可解决目前遥控器摇杆或按键的方向均映射为被遥控对象坐标系下的运动方向，该运动方向和操作者在环境(世界)坐标系下的方向不存在任何关联，极易出现运动方向控制误判的缺陷。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明中遥控器与被遥控对象的遥控示意图；

图3所示为球场上足球机器人的初始站位；

图4所示为球场上足球机器人的防守和进攻站位。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种操作被遥控对象的方法，包括遥控端与被遥控对象，包括以下步骤：

步骤1、遥控端通过第一方位传感器采集其在感知环境坐标系中的方向后，得出遥控端的空间旋转方程。

在步骤1中，包括以下子步骤：

步骤11、通过遥控器中的第一方位传感器以标定遥控器中的操作单元；

步骤12、建立遥控器在环境坐标系中的初始坐标；

步骤13、通过第一方位传感器采集到遥控端在感知环境坐标系中的偏转角，以得出遥控端的空间旋转方程。

步骤2、空间旋转方程将遥控端中操作单元的空间运动值转换为环境坐标系中的空间运动值，并将空间运动值发送至被遥控对象。

在步骤2中，包括以下子步骤：

步骤21、利用下式以得出遥控器的空间旋转轴矢量L3：

L3＝L1×L2，

其中，L1为遥控器的方位初始状态，L2为遥控器的方位当前状态；

步骤22、利用下式得出绕遥控器空间旋转轴矢量L3的轴旋转角度：

cos(φ)＝L1·L2/(||L1||·||L2||))；

步骤23、利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

φ＝acos(L1·L2/(||L1||·||L2||))。

步骤3、被遥控对象通过第二方位传感器采集其在感知环境坐标系中的方向后，得出被遥控对象空间旋转方程。

在步骤3中，包括以下子步骤：

步骤31、通过被遥控对象中第二方位传感器的方位值以标定被遥控对象的运动控制量；

步骤32、建立被遥控对象在环境坐标系中的初始坐标；

步骤33、通过第二方位传感器采集被遥控对象在感知环境坐标系中的偏转角，以得出被遥控对象的空间旋转方程。

步骤4、通过空间旋转方程将所接收到的由遥控端发送的空间运动值转换为被遥控对象的运动控制量。

在步骤4中，包括以下子步骤：

步骤41、利用下式以得出被遥控对象的空间旋转轴矢量h3：

h3＝h1×h2，

其中，h1为被遥控对象的方位初始状态，h2为被遥控对象的方位当前状态；

步骤42、利用下式得出被遥控对象空间旋转轴矢量h3的旋转角度：

cos(α)＝h1·h2/(||h1||·||h 2||))；

步骤43、利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

α＝acos(h 1·h 2/(||h 1||·||h 2||))。

步骤44、在接收到由遥控端发送的空间运动值后，将空间运动值转换为被遥控对象的方位值q＝inv(Rot)·p'，

其中，inv(Rot)为矩阵Rot的逆矩阵，q为被遥控对象在其自身坐标系下的运动值指令，p'为被遥控对象在当前方位时接收到运动指令。

步骤5、被遥控对象通过运动控制量在环境坐标系中运动。

另外，本发明还提供一种操作被遥控对象的操作系统，包括被遥控对象与遥控端，遥控端包括操作单元、第一方位传感器、计算模块a与转换模块a。

操作单元包括操作手柄与操作按键。

第一方位传感器，用于采集遥控端在感知环境坐标系中的方向。

其中，将第一方位传感器与电子罗盘、陀螺仪等传感器共同固化在遥控器的电路板中。

另外，将第一方位传感器、电子罗盘与陀螺仪等传感器设置为独立模组，并且将独立模组分别机械安装在遥控器上，与遥控器数据连接。

计算模块a，用于通过遥控端在感知环境坐标系中的方向，以计算得出遥控端的空间旋转方程。

转换模块a，用于通过空间旋转方程将遥控端中操作单元的空间运动值转换为环境坐标系中的空间运动值。

其中，转换模块a的实施步骤如下：

利用下式以得出遥控器的空间旋转轴矢量L3：

L3＝L1×L2，

其中，L1为遥控器的方位初始状态，L2为遥控器的方位当前状态；

利用下式得出绕遥控器空间旋转轴矢量L3的轴旋转角度：

cos(φ)＝L1·L2/(||L1||·||L2||))；

利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

φ＝acos(L1·L2/(||L1||·||L2||))。

被遥控对象包括电子罗盘、陀螺仪、第二方位传感器、计算模块b与转换模块b。

第二方位传感器，用于采集被遥控对象在感知环境坐标系中的方向。

其中，将第二方位传感器与电子罗盘、陀螺仪等传感器共同固化在被遥控对象的电路板中。

另外，将第二方位传感器、电子罗盘与陀螺仪等传感器设置为独立模组，并且将独立模组分别机械安装在被遥控对象上，与被遥控对象数据连接。

计算模块b，用于通过被遥控对象在感知环境坐标系中的方向，以计算得出被遥控对象的空间旋转方程。

转换模块b，用于通过空间旋转方程将所接收到的由遥控端发送的空间运动值转换为被遥控对象的运动控制量。

其中，转换模块b的实施步骤如下：

利用下式以得出被遥控对象的空间旋转轴矢量h3：

h3＝h1×h2，

其中，h1为被遥控对象的方位初始状态，h2为被遥控对象的方位当前状态；

利用下式得出被遥控对象空间旋转轴矢量h3的旋转角度：

cos(α)＝h1·h2/(||h1||·||h 2||))；

利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

α＝acos(h 1·h 2/(||h 1||·||h 2||))。

在接收到由遥控端发送的空间运动值后，将空间运动值转换为被遥控对象的方位值q＝inv(Rot)·p'，

其中，inv(Rot)为矩阵Rot的逆矩阵，q为被遥控对象在其自身坐标系下的运动值指令，p'为被遥控对象在当前方位时接收到运动指令。

如图2所示，环境(世界)坐标系为O-XYZ，被遥控对象的坐标系为 O-XdxYdxZdx,遥控器的坐标系为O-XykYykZyk。

遥控器的控制量前后Xyk、横移Yyk、上下Zyk、横滚角RXyk、俯仰角 RYyk、航向角RZyk，上述控制量分为空间移动Pyk,空间旋转Ryk，均为增量值。

被遥控对象的运动量前后Xdx、横移Ydx、上下Zdx、横滚角RXdx、俯仰角RYdx、航向角RZdx，上述运动量分为空间移动Pdx,空间旋转Rdx，均为增量值。

被遥控对象在环境(世界)坐标系下的旋转矩阵为Rotdx,遥控器在环境 (世界)坐标系下的旋转矩阵为Rotyk。

操作者在实际遥控操作中，以环境(世界)坐标系下的位置和方向为目标，通过遥控器控制被遥控对象到达该目标。遥控器发送的控制量Pyk和Ryk 经旋转矩阵Rotyk转换为环境(世界)坐标系下的运动控制量：Rotyk·Pyk， Rotyk·Ryk。

被遥控对象接收到到遥控器的控制量后，经旋转矩阵Rotdx逆矩阵 Rotdx-1转换为被遥控对象的控制量，分别为Pdx＝Rotdx-1·Rotyk·Pyk，Rdx＝ Rotdx-1·Rotyk·Ryk。

通过上述方法，操作者可以不用关心遥控器和被遥控对象在环境(世界) 坐标系下的朝向判断，直观的操作遥控器控制被遥控对象向目标位置和目标方向运动。

如图3与图4所示，本方法可以应用于踢足球机器人的遥控操作。

图示为一足球场地，球场坐标系为O-XYZ，Y方向上各有一个球门，场上有足球机器人2台，分别编号为1号和2号。足球机器人的持球和踢球部位在机器人正前方，机器人左右侧和后侧为圆弧形。

足球机器人1号的本方大门为1号，足球机器人2号的本方大门为2号。

球场上有一只足球，足球机器人防守本方大门不被进球，要踢球进入对方大门。

遥控器1号控制足球机器人1号，遥控器2号控制足球机器人2号。

可见，足球机器人1号的运动路径为沿X负方向、Y负方向移动，并且绕Z轴逆时针旋转。足球机器人2号的运动路径为沿X负方向、Y负方向移动，并且绕Z轴逆时针旋转。

如果采用传统遥控方式，分别表示足球机器人向左、向右、向前、向后移动，以及右转和左转。足球机器人1号的运动在遥控器上的操作为：足球机器人2号的运动在遥控器上的操作为： 可见，遥控器操作按钮的控制量和球场上机器人的运动方向量是不同的，需要转换方位。

采用本方法，分别表示球场坐标系内Y负方向、Y 正方向、X负方向、X正方向移动，以及绕Z轴顺时针、逆时针旋转。控制足球机器人1号的运动在球场上可表示为在遥控器上的操作为：控制足球机器人2号的运动在球场上可表示为在遥控器上的操作为：

因此，传统方法控制足球机器人运动到目标方位还需要结合足球机器人在球场上的方位将机器人在球场上的运动转换成机器人本体坐标系下(映射遥控器按键)的运动控制量，而本方法不需要这个空间转换过程，更便于操作者遥控操作，提升用户体验度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内，计算方法上不限于本说明所述方式。

Claims (8)

1.一种操作被遥控对象的方法，包括遥控端与被遥控对象，包括以下步骤：

步骤1、遥控端通过第一方位传感器采集其在感知环境坐标系中的方向后，得出遥控端的空间旋转方程；

步骤2、空间旋转方程将遥控端中操作单元的空间运动值转换为环境坐标系中的空间运动值，并将空间运动值发送至被遥控对象；

步骤3、被遥控对象通过第二方位传感器采集其在感知环境坐标系中的方向后，得出被遥控对象空间旋转方程；

步骤4、通过空间旋转方程将所接收到的由遥控端发送的空间运动值转换为被遥控对象的运动控制量；

步骤5、被遥控对象通过运动控制量在环境坐标系中运动。

2.根据权利要求1所述的一种操作被遥控对象的方法，其特征在于，在步骤1中，包括以下子步骤：

步骤11、通过遥控器中的第一方位传感器以标定遥控器中的操作单元；

步骤12、建立遥控器在环境坐标系中的初始坐标；

步骤13、通过第一方位传感器采集到遥控端在感知环境坐标系中的偏转角，以得出遥控端的空间旋转方程。

3.根据权利要求1所述的一种操作被遥控对象的方法，其特征在于，在步骤2中，包括以下子步骤：

步骤21、利用下式以得出遥控器的空间旋转轴矢量L3：

L3＝L1×L2，

其中，L1为遥控器的方位初始状态，L2为遥控器的方位当前状态；

步骤22、利用下式得出绕遥控器空间旋转轴矢量L3的轴旋转角度：

cos(φ)＝L1·L2/(||L1||·||L2||))；

步骤23、利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

φ＝acos(L1·L2/(||L1||·||L2||))；

步骤24、将遥控器的空间旋转轴矢量L3与绕遥控器空间旋转轴矢量L3轴旋转角度φ的余弦值发送给对遥控对象。

4.根据权利要求1所述的一种操作被遥控对象的方法，其特征在于，在步骤3中，包括以下子步骤：

步骤31、通过被遥控对象中第二方位传感器的方位值以标定被遥控对象的运动控制量；

步骤32、建立被遥控对象在环境坐标系中的初始坐标；

步骤33、通过第二方位传感器采集被遥控对象在感知环境坐标系中的偏转角，以得出被遥控对象的空间旋转方程。

5.根据权利要求1所述的一种操作被遥控对象的方法，其特征在于，在步骤4中，包括以下子步骤：

步骤41、接收到遥控器的空间旋转轴矢量L3与绕遥控器空间旋转轴矢量L3轴旋转角度φ的余弦值；

步骤42、利用下式以得出被遥控对象的空间旋转轴矢量h3：

h3＝h1×h2，

其中，h1为被遥控对象的方位初始状态，h2为被遥控对象的方位当前状态；

步骤43、利用下式得出被遥控对象空间旋转轴矢量h3的旋转角度：

cos(α)＝h1·h2/(||h1||·||h2||))；

步骤44、利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

α＝acos(h1·h2/(||h1||·||h2||))。

步骤45、在接收到由遥控端发送的空间运动值后，将空间运动值转换为被遥控对象的方位值q＝inv(Rot)·p'，

其中，inv(Rot)为矩阵Rot的逆矩阵，q为被遥控对象在其自身坐标系下的运动值指令，p'为被遥控对象在当前方位时接收到运动指令。

6.一种实施权利要求1中所述的一种操作被遥控对象的方法的操作系统，包括被遥控对象与遥控端，所述遥控端包括操作单元，所述被遥控对象包括电子罗盘与陀螺仪，其特征在于，所述遥控端还包括第一方位传感器、计算模块a、转换模块a；

所述第一方位传感器，用于采集所述遥控端在感知环境坐标系中的方向；

所述计算模块a，用于通过所述遥控端在感知环境坐标系中的方向，以计算得出所述遥控端的空间旋转方程；

所述转换模块a，用于通过空间旋转方程将所述遥控端中操作单元的空间运动值转换为环境坐标系中的空间运动值；

所述被遥控对象还包括第二方位传感器、计算模块b、转换模块b；

所述第二方位传感器，用于采集所述被遥控对象在感知环境坐标系中的方向；

所述计算模块b，用于通过所述被遥控对象在感知环境坐标系中的方向，以计算得出所述被遥控对象的空间旋转方程；

所述转换模块b，用于通过空间旋转方程将所接收到的由遥控端发送的空间运动值转换为被遥控对象的运动控制量。

7.根据权利要求6所述的操作系统，其特征在于，所述转换模块a的实施步骤如下：

利用下式以得出遥控器的空间旋转轴矢量L3：

L3＝L1×L2，

其中，L1为遥控器的方位初始状态，L2为遥控器的方位当前状态；

利用下式得出绕遥控器空间旋转轴矢量L3的轴旋转角度：

cos(φ)＝L1·L2/(||L1||·||L2||))；

利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

φ＝acos(L1·L2/(||L1||·||L2||))。

8.根据权利要求6所述的操作系统，其特征在于，所述转换模块b的实施步骤如下：

利用下式以得出被遥控对象的空间旋转轴矢量h3：

h3＝h1×h2，

其中，h1为被遥控对象的方位初始状态，h2为被遥控对象的方位当前状态；

利用下式得出被遥控对象空间旋转轴矢量h3的旋转角度：

cos(α)＝h1·h2/(||h1||·||h2||))；

利用下式得出轴旋转角度φ的余弦值：

α＝acos(h1·h2/(||h1||·||h2||))。

在接收到由遥控端发送的空间运动值后，将空间运动值转换为被遥控对象的方位值q＝inv(Rot)·p'，

其中，inv(Rot)为矩阵Rot的逆矩阵，q为被遥控对象在其自身坐标系下的运动值指令，p'为被遥控对象在当前方位时接收到运动指令。