提供具有传递稳定的图像序列的视频相机的旋翼无人机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及诸如四旋翼直升机之类的旋翼无人机。
【背景技术】
[0002] 四旋翼直升机之类的旋翼无人机已被广泛使用。此类无人机设有由相应的马达伺 服控制的多个旋翼，这些马达可以以不同方式被控制，从而在姿态和速度方面驾驶该无人 机。
[0003] 此类无人机的典型示例是法国巴黎鹦鹉股份有限公司的AR.无人机2. 0,其是一 种四旋翼直升机，该四旋翼直升机配备有一系列传感器（加速度计、三轴陀螺仪、高度计）、 对无人机被指引朝向的场景的图像进行捕捉的前置相机，以及对飞过的地面的图像进行捕 捉的垂直视角相机。
[0004] 文献W02010/061099 A2和EP2364757 Al (鹦鹉股份有限公司）描述了此种无人 机以及通过具有触摸屏和集成的加速度计的电话或多媒体播放器（例如，iPhone类型的蜂 窝电话，或iPad类型的多媒体平板设备（美国苹果公司的注册商标））来驾驶后者的原理。 这样的设备包括经由Wi-Fi(IEEE 802. 11)或蓝牙（注册商标）局域网类型的无线链路用 于检测驾驶命令以及与无人机的双向数据交换所需要的各种控制元素。为它们进一步提供 有触摸屏，该触摸屏显示了由无人机的前置相机所捕捉的图像以及叠加的允许通过用户的 手指在该触摸屏上的简单触摸来激活命令的一定数量的符号。
[0005] 无人机的前置摄像头可被用于在"沉浸模式"中的驾驶，即在其中，用户以如同他 自己在无人机上一样的方式使用相机的图像。它也可用作捕捉朝着无人机机头的场景的图 像序列。因此，用户可以以相机或便携式相机将由无人机承载的相同方式来使用无人机而 不是将其握在手中。拾取的图像可以被记录，随后广播，切换到视频序列主存网站的上线状 态，被发送给其他网络用户，在社交网络上共享等。
[0006] 对于旨在被记录和交流的这些图像，期望它们具有最小可能的缺陷，具体说，是由 于无人机的虚假（spurious)运动导致的缺陷，所述缺陷将引起相机所捕捉的图像的不合 时宜的摆动和颤动。
[0007] 具体而言，对于指向无人机的主要方向的相机，任何绕垂直于相机的轴的俯仰轴 (或偏航轴）的运动将产生严重破坏所捕捉的图像的可读性和质量的垂直（分别地，水平） 的摆动。类似地，任何绕滚动轴（相机的轴）的运动将引起图像在一个方向上或另一方向 上的旋转，损害了其可读性。
[0008] 现在，诸如四旋翼直升机之类的旋翼无人机的位移（无论其是受用户的控制还是 由自动驾驶来伺服控制）主要源自绕俯仰轴的倾斜运动（前向/后向位移）或绕滚动轴的 倾斜运动（向左/向右位移），这正是这样的无人机的操作的原理所固有的性质。
[0009] 更确切地说，如果控制无人机以向下倾斜或"下潜"（绕俯仰角的倾斜），它将以一 个速度向前移动，倾斜角越大该速度越高。因此，如果控制它以便以相反方向"机头向上"， 它的速度将逐渐下降，随后将反向向后回去。同样，对于绕滚动轴的倾斜的命令，无人机将 向右或向左倾斜，导致向右或向左的水平平移中的线性位移。
[0010] 任何无人机的向前或向后或向侧面的线性位移涉及无人机的倾斜，并且因此伴随 有相机所获取的图像的相应的移位、旋转、摆动等效果。
[0011] 这些干扰在"沉浸驾驶"配置中是可接受的，只要它们是"用户体验"的部分。
[0012] 另一方面，如果事实是使用无人机作为移动视频相机来捕捉将被记录并随后渲染 的序列的话，这些虚假运动将产生如下非常大的干扰：在图像中的不重合和不稳定的地平 线，由于无人机加速或减速的图像中的上升和下降，以及虚假的旋转和其他各种赝象。
[0013] EP 2613 214 Al (鹦鹉公司）描述了一种用于驾驶无人机以根据用户选择的模式 来拍摄图像的方法，例如前向或横向行进、全景或相机吊杆定义了告知无人机的轨迹。一旦 无人机在预定轨迹上稳定住，激活视频摄像并且由开环路控制来稳定轨迹以避免反馈环路 控制固有的摆动。然而，事实是在这种情况下，当告知无人机的运动是均匀直线平移运动或 均匀旋转运动时，通过修改无人机姿态控制环路的操作来避免绕设定点的虚假摆动以稳定 轨迹。该事实不会对从无人机在前向/后向和/或向左/向右位移期间的加速或减速阶段 时期内的倾斜运动所产生的图像位移进行补偿。
[0014] 已经提议了各种解决方案来确保对图像中的这种位移的补偿。
[0015] -种机械解决方案包括在链接到无人机主体的（由卡丹式悬架机动化和伺服受 控的）吊架中安装相机，以便补偿无人机的倾斜运动。这种解决分案具有几个优点，具体而 言，从其捕捉中稳定图像上游并允许大幅度的角度补偿。另一方面，它涉及复杂和沉重的机 械系统（这对于飞行对象而言尤其不利），并且补偿的效率受限于所使用的伺服控制的马 达的最大加速和速度。
[0016] 另一种被称为OIS(光学图像稳定）技术包括实时地移位相机镜头的或聚焦平面 中的传感器的光学元件。在此所述稳定性再次从图像捕捉的上游被操作，并且该系统仅涉 及非常低的空间要求。另一方面，所述光学设计是复杂的，并且角度补偿的最大幅度受限为 少许程度，而且，对于徒手拍摄照片的效果的补偿来说是足够的响应时间，但是对于移动中 的无人机的非常突然的运动的补偿来说却是太长了。
[0017] 最后，被称为EIS(电子图像稳定）技术包括在传感器上获取比将被使用的捕捉区 域更大尺寸的固定区域。所述补偿通过在相对于要被补偿的运动的相反方向上将捕捉区域 平移至获取区域来操作，所述传感器仅发送对应于经稳定化的图像的一个子部分。这样的 补偿的实现是简单的。另一方面，所述补偿的幅度受限于在捕捉区域的尺寸和获取区域的 尺寸之间的比率，即所使用的传感器的有效尺寸。具体而言，角度补偿的最大幅度受限为少 许程度。
[0018] 下述文章：
[0019] _ Miyauchi R等人，"使用相机姿势信息的紧凑图像稳定系统（Compact Image Stabilization System Using Camera Posture Information)"，领域机器人学期刊，第 25 卷，第 4-5 号，2008,第 268-283 页（2008)，以及
[0020] _ Miyauchi R等人，"使用相机姿势信息的全向图像稳定系统的开发 (Development of Omni-Directional Image Stabilization System Using Camera Posture Information) "，2007IEEE国际机器人和仿生学会议，2007年12月15-18日，第 920-925 页，
[0021] 提议将这样的EIS技术应用于由配备有"鱼眼"类型的半球形视野的镜头（即覆 盖约180°视野）的相机所捕捉的图像中。整体地获取原始图像（这可能是实时的，因为它 是低分辨率CCD传感器），经过矫正处理（以补偿鱼眼失真），随后是根据承载相机的机器 人的移动的动态创建窗口处理。
[0022] ShiromaN等人的文章，"用于小尺寸具有人的外表的生物的紧凑图像稳定系统 (CompactImageStabilizationSystemforSmal1-SizedHumanoid)'，，2008IEEE国际机 器人和仿生学会议的会刊，2009年2月21-26日，第149-154页，描述了由远程控制的机器 人捕捉的图像的电子稳定的可比较技术，其具有相同的局限性和缺陷。
[0023] 然而，这些图像稳定技术是可能的，仅仅是因为所述相机是具有低分辨率CCD传 感器（640x480像素，即0.3百万像素）的相机。另一方面，它们将不能应用于有用的HD质 量（1920x1080像素，即2百万像素）的图像的稳定性，该图像自身在非常高分辨率的原始 鱼眼图像上被窗口化，例如在分辨率为14百万像素（4608x3288像素）的传感器上形成的 图像。在这些条件中，如果原始图像整体被传递以供处理，这将对应于每个图像的14百万 像素的像素数据流，导致在该分辨率处的每秒6个图像（ips)的级别的帧速率，这对于要求 帧速率接近30ips的流体视频序列而目是不够的。
[0024] 而且，所述图像的一个区域的简单平移在数学上不足以补偿相机的旋转，因为它 不是对由旋转引起的视角的改变的真实校正。
[0025] 最后，它是一种通过对传感器所获取的图像数据的后处理的补偿，它不允许对某 些效应进行补偿，例如运动引起的模糊和抖动（图像的、低幅度和高频率的、由无人机的马 达的振动引起的波动）。
【发明内容】
[0026] 本发明的目的是提议一种由无人机（尤其是四旋翼直升机类型）的相机进行图像 捕捉的新技术，它弥补了上述的缺陷并提供了下述优点：
[0027] -与HD分辨率的图像（例如流体视频流）的实时传递相兼容；
[0028] _大幅度的角度补偿；
[0029] -对非常快速和高加速度的位移进行补偿的可能性；
[0030] -不增加空间需求或板上元件的重量；
[0031] -大大简化了实现；
[0032] -对所有光学现象的补偿，包括那些涉及由无人机的旋转所引起的视角的改变的 现象；
[0033] -对高幅度且低频率（摇晃（jelly))和低幅度且高频率的（抖动）的波动的效 应的补偿。
[0034] 本发明针对该目的提出一