TWI596043B - 無人航空器具及其校正定位方法 - Google Patents

Description

無人航空器具及其校正定位方法

本發明係關於一種無人航空器具及其校正定位方法，具體而言，本發明係關於一種可於拋出後進行飛行的無人航空器具及其校正定位方法。

近年來無人航具的發展日新月異，不論是四旋翼飛行器或直升機式飛行器，在製造技術上及成本控制上都日漸成熟。隨著無人航具的發展，其應用的層面亦日益廣泛。例如攝影及控測，都是無人航具常被應用的領域。

以攝影為例，隨著無人航具的價格下降，其在攝影上的應用已不被限於空拍航照或拍攝電影之用。一般大眾也能輕易的擁有無人航具來進行照片或影片拍攝。以目前常見的一個用途，就是以無人航具來對使用者進行自拍，亦即將無人航具拋至空中，再控制無人航具上的攝影模組來對使用者進行拍照。然而以這類拋擲式的無人航具而言，為確保拋入空中後無人航具上的攝影模組仍對準使用者，通常需在拋出前先調整使攝影模組對準使用者；再小心控制拋出的力道，避免因不當的力量控制而造成攝影模組的鏡頭轉向而無法對準使用者，使用上並不方便。即便在使用上非常注意，在拋出的同時無人航具仍可能因風向等外來因素而造成攝影模 組的鏡頭偏轉，而無法得到滿意的效果。

本發明之一目的在於提供一種無人航空器具及其定位校正方法，可減少拋出時偏轉造成的影響。

無人航空器具包含飛行動力模組、第一感測器、第二感測器、第三感測器及處理器。第一感測器、第二感測器及第三感測器分別與處理器訊號連接。第一感測器係可依無人航空器具之移動產生加速度變化記錄，並傳送給處理器。第二感測器可依無人航空器具之移動產生旋轉角度變化記錄，並傳送給處理器。第三感測器可提供絕對方位的定位，並傳送給處理器。無人航空器具上定有一參考面向；當無人航空器具進行轉動時，參考面向即隨著轉向。

當無人航空器具在拋出位置被拋出後，處理器判斷被拋出之第一時點以及在空中停懸後之第二時點；並依據加速度變化記錄及旋轉角度變化記錄，判斷第一時點及第二時點間的相對位置變化關係。接著依據絕對方位及相對位置變化關係，決定校正旋轉量。最後以校正旋轉量控制飛行動力模組，使參考面向朝向拋出位置接近。

校正定位方法包含：判斷無人航空器具被拋出之第一時點；判斷無人航空器具在空中停懸後之第二時點；依據第一感應器提供之加速度變化記錄及第二感應器提供之旋轉角度變化記錄，判斷第一時點及第二時點間無人航空器具的相對位置變化關係；依據第三感應器提供之絕對方位及相對位置變化關係，判斷校正旋轉量；以及依據校正旋轉量控制無人航空器具旋轉，使參考面向朝向拋出位置接近。

藉由前述無人航空器具及其定位校正方法，無人航空器具在被拋出後即可較準確地旋轉到使用者所期待的面向，或調整其在空中的位置，以減少因使用者拋出時施力方式而造成的影響。

100‧‧‧無人航空器具

101‧‧‧本體

110‧‧‧第一感應器

120‧‧‧第二感應器

130‧‧‧第三感應器

150‧‧‧處理器

170‧‧‧飛行動力模組

190‧‧‧儲存裝置

160‧‧‧觸發單元

200‧‧‧參考面向

300‧‧‧影像擷取單元

500‧‧‧使用者

710‧‧‧特徵物件

720‧‧‧期待物件

圖1為無人航空器具之實施例示意圖；圖2為校正定位方法之實施例流程圖；圖3A至圖3C為使用者操作無人航空器具之實施例示意圖；圖4為無人航空器具在空中穩定停懸時之實施例俯視示意圖；圖5為無人航空器具之另一實施例示意圖；圖6為校正定位方法之另一實施例流程圖；圖7為無人航空器具操作狀態之實施例示意圖；圖8A為校正定位方法之另一實施例流程圖；圖8B為影像比對辨識之實施例示意圖；圖8C為無人航空器具操作狀態之實施例示意圖；圖9為無人航空器具之另一實施例示意圖。

本發明提供一種無人航空器具及其校正定位方法。在較佳實施例中，無人航空器具包含四旋翼飛行器，但不以此為限，亦可包含直升機或其他型式的無人航空器具。

圖1為無人航空器具之實施例示意圖。如圖1所示，無人航空器具100包含本體101及飛行動力模組170。本體101內設置有第一感測器 110、第二感測器120、第三感測器130及處理器150。第一感測器110、第二感測器120及第三感測器130分別與處理器150訊號連接。其中第一感測器110係可依無人航空器具100之移動產生加速度變化記錄，並傳送給處理器150。在較佳實施例中，第一感測器110係為重力感測器(G sensor)，可量測三軸上的加速度。第二感測器120可依無人航空器具100之移動產生旋轉角度變化記錄，並傳送給處理器150。在較佳實施例中，第二感測器120為陀螺儀(Gyroscope)，可量測角速度，以判斷在某一軸上的旋轉變化量。但在不同實施例中，第二感測器120亦可為兩個或多個其他角速度感測器合併而成，以提供角速度的數值。第三感測器130可提供絕對方位的定位，並傳送給處理器150。在較佳實施例中，第三感測器130係為電子羅盤(E-compass)。如圖1所示，較佳地，第一感應器110或第二感應器120比第三感應器130設置較靠近無人航空器具100的重心位置，以提高數值量測的準確性。

如圖1所示，無人航空器具100上定有一參考面向200，亦即本體101上一特定表面位置的朝向。當本體101進行轉動時，參考面向200即隨著特定表面位置的轉動而轉向。在此較佳實施例中，本體101上在此特定表面位置設置有影像擷取單元300，影像擷取單元300中鏡頭的朝向即等同於參考面向200。然而在不同實施例中，在此特定表面位置亦可設置其他的電子單元，均可以本發明提供的校正定位方法來進行旋轉定位。在較佳實施例中，第三感應器130所提供的絕對方位即以參考面向200作為量測的依據；換言之，第三感應器130所提供的是參考面向200在測量當下的絕對方位。

飛行動力模組170係連接於本體101，且受處理器150的控制 來調整動力及飛行方向。以四旋翼飛行器為例，飛行動力模組170共會有四組螺旋槳來提供飛行動力及控制移動方向。

圖2所示為校正定位方法之實施例流程圖。步驟2010包含將無人航空器具從拋出位置拋至空中進行飛行。步驟2030則包含判斷無人航空器具被拋出之時點作為第一時點。如圖3A所示，使用者500準備在拋出位置將航空器具100拋出。在較佳實施例中，處理器150係根據第一感應器110提供的加速度變化記錄及第二感應器120提供的旋轉角度變化記錄來判斷使用者脫手拋出的第一時點。舉例而言，使用者500可能在拋出前會先前後往復移動無人航空器具100，以瞄準拋出的方向並且衡量拋出的力量。當加速度變化記錄及旋轉角度變化記錄被處理器150綜合分析後顯示這種前後往復的移動路徑出現時，則在無人航空器具100的軌跡脫離此種路徑的瞬間被判斷為第一時點。換言之，由於處理器150可由加速度變化記錄及旋轉角度變化記錄組合出無人航空器具100的移動軌跡，因此可以移動軌跡的特徵來判斷出第一時點。然而在另一個例子中，處理器150也可以僅根據第一感應器110提供的加速度變化記錄或第二感應器120提供的旋轉角度變化記錄來判斷使用者脫手拋出的第一時點，例如在某一時間點所測得的加速度值達到最大，或在某一時間點之後的某一方向加速度值突然變化，則判斷此點為第一時點。

在較佳實施例中，加速度變化記錄包含在一段連續時間中各不同時間點上的加速度值；換言之，加速度變化記錄的形式可以一連串不同時間點上的加速度值的方式來呈現。因為各時間點角速度值的變化與旋轉角度相關，因此旋轉角度變化記錄較佳亦可以類似上述加速度變化記錄 的方式來呈現，例如可包含在一段連續時間中各不同時間點上的角速度值，但不以此為限。

圖3B所表示的是當使用者500在第一時點脫手拋出無人航空器具100後，處理器150由加速度變化記錄、旋轉角度變化記錄或兩者的綜合感應到已被拋出，則處理器150立即控制飛行動力模組170逐漸提供飛行動力，使得無人航空器具100在沿拋出軌跡移動時，為自主飛行作準備。如圖3C所示，當無人航空器具100到達滯空位置時，則處理器150控制飛行動力模組170提供飛行動力，而將無人航空器具100穩定在此空中的滯空位置。當無人航空器具100在空中穩定停懸後，則進行步驟2050，判斷無人航空器具100在空中穩定停懸的第二時點。「停懸」在此是指無人航空器具100在一定高度上保持空間位置基本不變的飛行狀態，亦可稱為「懸滯」或「滯空」。在較佳實施例中，處理器150係根據第一感應器110提供的加速度變化記錄及第二感應器120提供的旋轉角度變化記錄的綜合來判斷此第二時點，例如根據加速度變化記錄及旋轉角度變化記錄組合出無人航空器具100的行徑軌跡，以從其中的特徵來判斷出在空中穩定停懸的第二時點。然而在不同實施例中，亦可單以加速度變化記錄或旋轉角度變化記錄來判斷出第二時點。

步驟2060包含依據加速度變化記錄及角度變化記錄，判斷第一時點及第二時點間無人航空器具100的相對位置變化關係。在較佳實施例中，相對位置變化關係可以為滯空位置相對於拋出位置的方向向量。當無人航空器具100穩定的位於滯空位置時，如圖3C所示，滯空位置相對於使用者所在拋出位置間的方向向量為△d，亦即兩個位置間的相對位置變化關 係。△d可分解為水平方向上的△d_xy及垂直方向上的△d_z，而△d_xy及△d_z均可以加速度變化記錄及旋轉角度變化記錄組合後得出，進而求得△d。

步驟2070包含依據第三感應器130提供的絕對方位及前述的相對位置變化關係△d來決定校正旋轉量。如圖4的俯視圖所示，當無人航空器具100位於滯空位置時，第三感應器130較佳可以參考面向200為參考點，並量測出參考點在每一時點的絕對方位。然而在不同實施例中，第三感應器130亦可以本體101上的其他參考位置為參考點以量測出絕對方位。 根據所測得的絕對方位，即可以得到參考面向200目前的方向向量V。在此實施例中，依據下述公式，處理器150即可得出θ作為校正旋轉量。向量內積公式如下：V．△dxy=|V||△dxy|cos θ

步驟2090包含以校正旋轉量控制無人航空器具100旋轉，使參考面向200朝向拋出位置。在圖4所示的實施例中，處理器150係依照校正旋轉量θ控制飛行動力模組170，使得參考面向200旋轉至朝向位在拋出位置的使用者500。此時以影像擷取單元拍攝照片，則可將使用者包含在照片的範圍內。

在圖5所示的實施例中，無人航空器具100更包含有儲存裝置190連接於處理器150。儲存裝置190可為內建或外接式的記憶體、硬碟或類似裝置，供儲存數位資料之用。儲存裝置190內儲存有期待相對位置變化關係。「期待相對位置變化關係」較佳可為無人航空器具100被設定與使用者 500在水平方向上或垂直方向上的相對位置差，例如無人航空器具100被設定應飛至使用者500上空3公尺，水平方向上距離使用者5公尺，以取得較佳的照片拍攝距離。因此在圖6的實施例中，校正定位方法可進一步包含步驟6010，比對前述的相對位置變化關係及期待相對位置變化關係，以產生校正位移量。接著在步驟6030中，處理器150即可根據校正位移量來控制飛行動力模組170，使無人航空器具100移動至原本設定的高度及距離，如圖7中的虛線位置所示。此外，為了配合不同的拍攝模式，例如廣角模式或特寫模式，儲存裝置190中可存有數組不同的期待相對位置變化關係供選用，以配合不同拍攝模式上對於飛行高度及距離的不同要求。

圖8A為校正定位方法的另一實施例。在此實施例中可進一步包含步驟8010：影像擷取單元朝向拋出位置擷取影像。如圖8B所示，所擷取的影像可能包含使用者500或其他在拋出位置方向上的物件。在步驟8030中，處理器150對影像進行分析，以辨識出影像中的特徵物件710，例如人臉。處理器150並會進一步分析取得特徵物件710的基本資訊。在較佳實施例中，基本資訊包含物件尺寸、所佔畫素或其他可能分析出的資訊。接著在步驟8050中，處理器150比對物件基本資訊及儲存於儲存裝置190內的期待物件基本資訊，以產生校正位移量。期待物件基本資訊較佳可為被設定在拍攝照片中物件應該有的尺寸、所佔畫素或其他基本資訊。如圖8B所示，係以特徵物件710的尺寸作為特徵物件710基本資訊，而期待物件720基本資訊則為在照片中特徵物件710應該有的尺寸。經由比較兩者的落差，即可得出校正位移量，例如應該朝使用者500移動一定距離，方能在拍攝的照片中得出符合預期的特徵物件710基本資訊。接著在步驟8070中，處理器 150即根據校正位移量來控制飛行動力模組，使無人航空器具移至適當的操作位置，如圖8C所示。

圖9所示為無人航空器具的另一實施例。在此實施例中，無人航空器具100更包含有觸發單元160，且較佳設置於本體101上。觸發單元160可因應使用者的拋出動作而被觸發，以產生觸發訊號。處理器150即可根據觸發訊號來判斷被拋出的第一時點。以較佳實施例而言，觸發單元160可以為按鈕。當使用者手持無人航空器具100時，即可以手壓住觸發單元160；當拋出無人航空器具100時，則觸發單元160可因使用者的手鬆開而生觸發訊號。然而在不同實施例中，觸發單元160亦可為紅外線遮斷裝置、壓電材料或其他類的電子裝置。

藉由前述無人航空器具及其定位校正方法，無人航空器具在被拋出後即可較準確地將參考面向旋轉到使用者所期待的方向，減少因使用者拋出時施力方式而造成的影響。此外，配合前述的各實施例，亦可進一步使無人航空器具在被拋出後得以自行調整位置，以符合使用者的需要。

本發明已由上述實施例加以描述，然而上述實施例僅為例示目的而非用於限制。熟此技藝者當知在不悖離本發明精神下，於此特別說明的實施例可有例示實施例的其他修改。因此，本發明範疇亦涵蓋此類修改且僅由所附申請專利範圍限制。

100‧‧‧無人航空器具

170‧‧‧飛行動力模組

200‧‧‧參考面向

500‧‧‧使用者

Claims (13)

1. 一種無人航空器具校正定位方法，其中該無人航空器具上設置有一第一感應器、一第二感應器及一第三感應器，並具有一參考面向，該無人航空器具自一拋出位置被拋至空中進行飛行，該方法包含下列步驟：判斷該無人航空器具被拋出之一第一時點；判斷該無人航空器具在空中停懸後之一第二時點；依據該第一感應器所提供之加速度變化記錄及該第二感應器所提供之旋轉角度變化記錄，判斷該第一時點及該第二時點間該無人航空器具的一相對位置變化關係；依據該第三感應器所提供之一絕對方位及該相對位置變化關係，判斷一校正旋轉量；依據該校正旋轉量控制該無人航空器具旋轉，使該參考面向朝向該拋出位置；以該無人航空器具於該參考面向上設置之一影像擷取單元朝向該拋出位置擷取一影像；分析該影像以辨識出該影像中之一特徵物件並取得該物件之一物件基本資訊；比對該物件基本資訊及儲存於該無人航空器具內一儲存裝置中之一期待物件基本資訊，以產生一校正位移量；以及根據該校正位移量控制該無人航空器具移動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之校正定位方法，其中該判斷該相對位置變化 關係之步驟包含該第三感應器提供該參考面向之該絕對方位。
3. 如申請專利範圍第1項所述之校正定位方法，其中該判斷該第一時點之步驟包含依據該第一感應器提供之加速度變化記錄、該第二感應器提供之旋轉角度變化記錄或兩者的綜合來判斷該第一時點。
4. 如申請專利範圍第1項所述之校正定位方法，其中該判斷該第一時點之步驟包含：於該無人航空器具上設置一觸發單元；於拋出該無人航空器具時同時觸發該觸發單元，以判斷出該第一時點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之校正定位方法，其中該判斷該第二時點之步驟包含依據該第一感應器提供之加速度變化記錄、該第二感應器提供之旋轉角度變化記錄或兩者的綜合來判斷該第二時點。
6. 如申請專利範圍第1項所述之校正定位方法，進一步包含：比對該相對位置變化關係及儲存於該無人航空器具內一儲存裝置中之一期待相對位置變化關係，以產生一校正位移量；以及根據該校正位移量控制該無人航空器具移動。
7. 一種無人航空器具，自一拋出位置被拋至空中進行飛行，該無人航空器具設定有一參考面向，並包含：一飛行動力模組，提供飛行動力；一第一感應器，提供一加速度變化記錄；一第二感應器，提供一旋轉角度變化記錄；一第三感應器，提供一絕對方位；一影像擷取單元，朝向該拋出位置擷取一影像； 一儲存裝置，儲存一期待物件基本資訊；以及一處理器，判斷被拋出之一第一時點以及在空中停懸後之一第二時點；並依據該加速度變化記錄及該旋轉角度變化記錄，判斷該第一時點及該第二時點間的一相對位置變化關係；並依據該絕對方位及該相對位置變化關係，判斷一校正旋轉量；以及判斷該校正旋轉量控制該飛行動力模組，使該參考面向朝向該拋出位置；該處理器分析該影像以辨識出該影像中之一特徵物件並取得該物件之一物件基本資訊；並比對該物件基本資訊及該期待物件基本資訊，以產生一校正位移量；以及根據該校正位移量控制該飛行動力模組進行移動。
8. 如申請專利範圍第7項所述之無人航空器具，其中該第三感應器提供該參考面向之該絕對方位。
9. 如申請專利範圍第7項所述之無人航空器具，其中該處理器係依據該加速度變化記錄、該旋轉角度變化記錄或兩者的綜合來判斷該第一時點。
10. 如申請專利範圍第8項所述之無人航空器具，其中該處理器依據該加速度變化記錄、該旋轉角度變化記錄或兩者的綜合來判斷該第二時點。
11. 如申請專利範圍第7項所述之無人航空器具，進一步包含一觸發單元，該觸發單元因應拋出動作而產生一觸發訊號，該處理器依據該觸發訊號以判斷出該第一時點。
12. 如申請專利範圍第7項所述之無人航空器具，進一步包含一重心位置；其中該第一感應器或該第二感應器較該第三感應器設置靠近該重心位置。
13. 如申請專利範圍第7項所述之無人航空器具，進一步包含一儲存裝置，該儲存裝置儲存有一期待相對位置變化關係；其中，該處理器比對該相對 位置變化關係及該期待相對位置變化關係，以產生一校正位移量；以及根據該校正位移量控制該飛行動力模組進行移動。