一种无人机以及相应的无人机编队显示方法与流程

本发明涉及一种无人机以及相应的无人机编队显示方法。

背景技术：

无人驾驶飞机简称无人机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操作的不载人飞机。按照不同的飞行原理来划分可以大致分为固定翼、扑翼和旋翼三种。固定翼无人机将机翼固定在机体之上，空气动力结构借鉴了已有大型飞机的原理和设计经验，具备一定的滑翔能力，飞行距离远且飞行速度快，用于远距离、大范围的应用场景，但其必须具备一定的机翼面积和起飞速度，微型化已经达到瓶颈，且灵活性也比较差。扑翼型无人机其动力系统设计模仿了鸟类的运动特征，机翼拍打空气的反力作为升力和前行力，其原理复杂且缺乏完善的理论指导和结构设计经验，实现难度比较大。旋翼类无人机的动力一般由在机体四周对称分布、成对正反转的旋翼旋转产生，通过电机改变各旋翼转速来完成飞行姿态的调整和实现各种基本飞行动作。目前常见的旋翼类无人机有四旋翼、六旋翼、八旋翼等，旋翼类无人机具有机械结构简单、操控灵活方便等优点，在低空领域已经能够实现自动起飞、自动降落、到达指定点进行自动悬停、平移、翻滚等运动来实现特定的任务，室内也可以通过基于视觉的导航算法获取四旋翼实时位姿，现定点飞行、航迹跟踪、避障等多种功能。图1为典型的四旋翼无人机示意图。

但是，在过去无人机的发展过程中，拍摄是一个主要的应用，但似乎进入了发展瓶颈期。现在，无人机的一个新的应用就是无人机灯光表演，已经收到了很好的效果。但无人机灯光表演通过在无人机上安装led灯并通过中央计算机来控制其发光，与多架无人机的编队飞行一起在空中组成各种图案，给人们带来良好的视觉体验。

从目前消费类无人机技术发展来看，主要是为了满足航拍的需求，航拍无人机只需要携带一个摄像头就可以，其面积小，而无人机表演需要尽可能的扩大无人机的显示面积。通过在航拍无人机本体上加装led灯的方式可以拓展显示面积，但受限于无人机本体的结构，导致显示点阵在无人机上分布不均，显示质量不好。

为了在开阔的场地获得较好的显示效果,各种电视墙,投影显示等技术也派上了用场,虽然能获得较好的显示质量，但由于其为固定显示,现场互动效果并不好。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无人机以及相应的无人机编队显示方法，其具备较高的显示性能以及扩展性，能够动态的改变显示内容，简化无人机飞行中的显示控制。

为了实现上述目的，本发明提供一种无人机，包括无人机本体以及设于本体上的导流孔，所述导流孔内安装有螺旋桨,所述导流孔从所述无人机本体的顶部进气，从所述无人机本体的侧面排气，所述无人机的底部安装有平板显示单元。

更进一步，所述平板显示单元与所述无人机本体的外周平齐，所述平板显示单元外形为平面矩形；所述平板显示单元为oled显示单元。

更进一步，所述无人机底部外侧设置有无人机着陆保护支架。

更进一步，所述无人机硬件电路还包括播放时间同步单元、定位单元及显示内容存储单元，所述播放时间同步单元通过全球定位卫星系统或者所述无人机的通信系统进行周期性的时间同步，通过所述同步后的时间控制播放所述显示内容存储单元中存储的显示内容，所述定位单元用于确定所述无人机的空间位置。

本发明还提供一种无人机，所述无人机包括旋翼和云台，所述云台包括机械联接接口、显示驱动控制接口以及电源接口，通过所述机械联接接口可拆卸联接平板显示单元，通过显示驱动控制接口控制所述平板显示单元的显示，通过电源接口为所述平板显示单元供电。

更进一步，所述无人机硬件电路还包括播放时间同步单元、定位单元及显示内容存储单元，所述播放时间同步单元通过全球定位卫星系统或者所述无人机的通信系统进行周期性的时间同步，通过所述同步后的时间控制播放所述显示内容存储单元中存储的显示内容，所述定位单元用于确定所述无人机的空间位置。

本发明还提供一种所述无人机进行无人机编队显示方法，所述方法包括，确定无人机编队的显示画面及显示时间；确定所述无人机编队显示的空间坐标范围，将所述显示画面投影到所述无人机编队显示的空间坐标范围；每架所述无人机根据其当前位置在所述空间坐标范围的相对位置以及所述无人机的显示屏幕尺寸，确定所述无人机的显示内容；所述无人机根据所述显示时间显示其确定的显示内容。

更进一步，所述方法还包括，无人机时间同步步骤，每架所述无人机通过全球定位卫星系统或者所述无人机的通信系统进行周期性的时间同步。

更进一步，所述空间坐标范围是根据所述无人机编队队形的改变而改变。

更进一步，所述无人机编队中的无人机的具有不同的显示屏幕尺寸。

采用本发明的无人机以及相应的无人机编队显示方法后，该无人机具备较大的显示画面，较高的图像分辨率、易于组合扩展、显示内容多样化，易于控制，而且，编队显示时能够根据其在整个显示空间的位置动态的改变显示内容，并通过时间同步来实现显示内容同步，简化无人机飞行表演中的显示控制。

附图说明

图1为典型的四旋翼无人机示意图;

图2和图3为本发明的无人机的原理示意图；

图4~图7为本发明的无人机在空中飞行的几种典型应用；

图8为本发明的无人机的系统架构图；

图9为本发明无人机编队的网络组织图；

图10为无人机编队飞行的控制流程；

图11为本发明无人机组合显示画面的流程图；

图12为本发明无人机显示画面确定的原理图。

具体实施方式

图2和图3为本发明的无人机的原理示意图。无人机本体1上设有4个导流孔3,每个导流孔3内安装螺旋桨2,螺旋桨2由调速电机驱动。在无人机本体1的中部设有孔4，用于减轻无人机本体的重量。图3为沿着无人机本体1的并排两个孔方向的剖面图，当调速电机驱动螺旋桨2时，气流从无人机本体顶部方向28和29进入导流孔3，并从本体侧面方向21，22，23，24流出。在无人机底部，设置有与无人机外周平齐或者接近平齐的平板显示器10，在无人机底部外侧，设置有无人机着陆保护支架11和12。在平板显示器的背部设置有平板显示器驱动电路板以及无人机的飞控驱动板，或者两者设置在同一电路板上，这取决于具体的结构设计以及元器件结构。当无人机飞起的时候，底部的平板显示器10可以显示各种图片以及动画。本发明的平板显示器10为oled显示屏，因为其质量轻，发光亮度高，当然，其它显示屏如lcd显示屏也可以应用到本发明。

为了更清楚的说明本发明，图4~图7为本发明的无人机在空中飞行的几种典型应用。图4为单架无人机显示应用，无人机本体1的平板显示器的显示面41显示图像31。图5为4架无人机拼接组成单个显示阵列来显示图像。图6为16架无人机拼接组成单个显示阵列来显示图像。图7为16架无人机拼接组成4个显示阵列来显示图像。当然，也可以是更多架无人机拼接组成单个或者若干个显示阵列来显示图像。图4至图7仅为本发明应用的示例说明。此外，无人机的姿态可以是平行于地面，也可以与地面成一定的夹角，从而获得更好的用户视角。此外，无人机或者无人机阵列可以飞行在相同高度，也可以飞行在不同高度。

图8为本发明的无人机的系统架构图。所示无人机包括主控制单元51，飞行控制单元52，显示控制单元53，惯性传感单元54，定位单元55，航向传感单元56，存储单元57，通信单元58以及电源59。其中，主控制单元51用于系统各单元的交互控制，飞行控制单元52用于根据预设的飞行轨迹，惯性传感单元54，定位单元55以及航向传感单元56所感应的数据确定无人机上各个螺旋桨的转速。显示控制单元53用于显示设定的内容，其显示的内容可以是通过通信单元58实时传送的，也可以是预先在存储单元57中存储的。惯性传感单元54包括加速度传感器和陀螺仪传感器，用于获取无人机飞行的加速度和方向。航向传感器单元56为地磁传感器，其可以获取无人机飞行的地磁方向，其与陀螺仪传感器配合使用能够更快捷更准确的获取无人机飞行的方向。定位单元55包括卫星定位单元和高度传感器单元，两者组合在一起可以比较精确地确定无人机的位置以及高度，对于卫星定位，一般水平定位精度在5~10米左右，高度定位精度在10~20米，通过各种辅助定位手段可以将其精度提高到米级，分米级。存储单元57用于存储显示内容。通信单元58可以为wifi，蓝牙或者4g、5g通信等方式，其包括无人机之间相互通信单元以及无人机与地面控制中心的通信单元。

图9为本发明无人机编队的网络组织图。无人机编队飞行的时候，分为主机和僚机，主机负责与无人机地面控制中心进行通信，接收控制中心的指令并将指令下达给与其一起组成子编队的僚机。僚机接收无人机地面控制中心及与其组队的主机的指令并执行指令。每架无人机至少包含两个通信通道，一个是与控制中心的通信通道，一个是相互之间的通信通道。从通信的优先级来看，对于主机，其与地面控制中心的通信信道优先级相对较高，而无人机相互之间的通信信道优先级相对较低。对于僚机，其与主机之间的通信信道优先级较高，与其他无人机之间的通信信道优先级次之，与无人机地面控制中心的通信信道相对较低。

前面描述了单架无人机的系统框架以及无人机编队的网络组织图，接下来说明一下无人机的显示控制。对于单架无人机的显示控制，其实现非常简单，原理就是电视机,或者带usb播放功能的平板显示器,或者具备网络流媒体播放功能。如果两架或多架无人机组合在一起进行显示，则需要进行画面分割及同步显示。

为了显示画面，一般有三种方案，第一种是在每架无人机中存储显示内容，需要显示时，同步显示即可；第二种方案是采用无线显示技术，即将要显示的画面帧以无线的方式发送，如wifidisplay技术，显示装置接收并同步显示；第三种方式为流媒体方式，显示装置通过访问流媒体服务器获取并缓存显示内容，并按照设定的播放时间同步播放。对于第一种方式，其与外界只需要显示同步即可，在实际显示中，几乎不消耗外部资源，可靠度较高，缺点是显示内容的灵活性不够，显示内容必须拷贝到每一架无人机的存储单元中。第二种方案显示内容比较灵活，可以由地面控制中心统一播发，但比较消耗带宽，而且由于接收延迟，实现多架无人机的同步播放存在难度。第三种方式显示内容灵活性足够，同步显示也容易控制，当由于显示内容通过网络传输，在网络环境好的时候没有问题，但如果网络环境受到干扰，则会影响显示内容的播放，可靠性有点差。本发明采用第一种和第三种方案。

无人机显示表演的行为有两种，一种是编队形成过程中的显示表演，另一种是编队形成后的显示表演。编队的空间几何形状及对应的显示内容都是预先设定的，编队空间几何形状改变时无人机的飞行轨迹也可以预先规划及优化。

图10为无人机编队飞行的控制流程。首先，无人机地面控制中心设定无人机编队的几何形状，然后，无人机地面中心根据相邻两个编队的几何形状计算切换时每一架无人机的飞行轨迹，然后将计算的单架无人机在整个表演中的飞行轨迹发送至该无人机，然后单架无人机按照接收到的飞行轨迹飞行。无人机的飞行轨迹包括时间，飞行坐标，飞行速度以及飞行方向等，并保证编队切换时无人机之间不会发生碰撞。虽然通过无人机之间的通信或者其他技术手段如超声波、图像识别等可以解决无人机之间的相互碰撞，但对导致无人机系统的复杂度上升，增加无人机的重量。良好的飞行轨迹规划及优化可以大大减少无人机之间的碰撞。

为了使无人机的控制容易以及减少无人机的能量消耗，最好的办法是减少编队改变的次数，每一次编队形成后能够多展示一段时间，这样对无人机的显示点阵的要求就是尽可能多，而且利于拼接组合。无人机的显示阵列最佳方式是平面，形状可以是矩形和正方形等，这些平面形状也可以组合成不同的立体形状，如长方体和正方体。如果无人机的显示阵列为球体，其显示点阵很难均匀化，也很难与其他无人机一起进行拼接组合显示。本发明优选采用平面矩形。

图11为本发明无人机组合显示画面的流程图。为了利用多架无人机拼接显示组合成更大的画面，需要对显示画面进行分割显示。首先，确定要显示的画面及显示时间，然后，确定无人机编队显示的空间坐标范围，将要显示的画面投影到无人机编队显示的空间坐标范围，这样，每架无人机需要显示什么画面就确定了，然后，每架无人机根据其当前位置在空间坐标范围的相对位置以及显示屏幕的尺寸，确定其显示的画面内容；然后，该无人机根据预定的显示时间开始显示其确定的画面内容，当设定的显示时间结束后，该无人机结束显示该确定的画面，并开始新的画面的显示。

图12为本发明无人机显示画面确定的原理图。将显示画面61投影到无人机编队显示的空间坐标范围62上，由于每架无人机都有规划的位置，而且每架无人机都知晓当前的显示内容，这样图中所示无人机63，64，65以及66就可以根据其自身位置在整个显示空间坐标范围的相对位置以及显示的屏幕尺寸计算出各自的显示画面。这样做的好处是可以根据无人机的位置及屏幕尺寸动态进行显示内容规划，适合具有不同显示屏幕的无人机组合显示，而且当无人机不能准确到达并锁定位置的时候，其可以动态调整显示内容，方便显示控制。

需要指出的是，由于无人机表演中会出现队形整体平移或者队形发生改变，前面所说的显示空间坐标范围是实时的，会根据无人机编队队形的改变而改变。

上面讲了如何进行画面分割，下面描述如何进行画面同步。画面的同步包括行场同步，由于无人机表演的距离远，而且无人机的拼接也不精密，间距在分米或者米级范围，行同步没有必要，也很难做到，因此，只需要保持场同步即可，即每一帧画面能够同步显示即可。标准高清电视图像多为逐行50hz或者60hz，以50hz为例，每一幅画面的显示时间为0.02秒，如果场时间同步精度在0.002秒的话，人眼基本感觉不到不同无人机画面切换的时间差，即使是高动态的图像。从这个量级看，通过定位卫星或者无人机的通信系统控制中心进行周期性的时间同步，保持编队中的所有无人机的时间同步，根据同步后的时间以及图像开始播放时间，就可以确定当前播放的画面。

上面以本发明的平板式无人机说明了无人机编队表演时画面的分割及显示。其实，对于现有的各无人机厂商的旋翼无人机，本发明也可以应用。通过云台联接平板显示器，其联接部分包括机械联接接口、平板显示器的驱动控制接口以及电源接口。通过机械联接接口可拆卸联接平板显示器，联接方式可以是螺母螺钉联接、卡扣联接、或者磁力联接等，当云台联接平板显示器后，通过控制云台的姿态就可以控制平板显示器的角度；通过驱动控制接口控制平板显示器的显示，驱动控制接口与平板显示器的驱动接口相适应；电源接口为平板显示器供电。有了这些接口，控制平板显示就没有问题，再配以本发明前面所描述的方法，就可以实现编队飞行时高质量画面的显示，并且具有良好适配性。

应理解，在本发明实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的装置及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。