本发明涉及电机控制领域，具体而言，涉及一种姿态角度获取方法、装置及可移动设备。
背景技术：
无人机或者手持拍照设备设有云台，用于安装和支撑镜头，镜头可以在云台上沿俯仰轴、横滚轴或者航向角转动以改变拍摄角度，镜头的转动一般通过调节俯仰电机、横滚电机等的转矩实现，电机驱动器在调节各电机的转矩需要知道电机的电角度，电机的电角度可以通过测量转子的数据得到，还可以通过转换云台与镜头的相对角度得到。现有的得到电机电角度的方式一般包括：采用磁编码器加磁铁测量或利用电位器/编码器测量或者利用多个线性霍尔元件嵌入电机转子测量等。但是，由于磁编码器加磁铁需要安装在电机上，磁铁需要与电机转子同轴转动，磁编码器需要垂直放在磁铁上方或侧放，占用空间较大。而电位器焊接在电路板上而电机转子轴需要穿过电位器并同步转动，占用空间大，有阻力影响控制效果。利用多个线性霍尔元件嵌入电机转子测量对安装精度和电机加工精度要求较高。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种姿态角度获取方法、装置及可移动设备，通过计算机身和镜头各自对地的相对姿态的方向余弦矩阵，以得到机身和镜头相对的姿态角度。对机身和镜头相对的姿态角度转换后即可得到电机的电角度，不需要增加电机安装和制作精度，同时减少占用空间。
为了达到上述的目的，本发明实施例采用的技术方案如下所述：
第一方面，本发明实施例提供了一种姿态角度获取方法，应用于可移动设备，所述可移动设备包括机身和镜头，所述方法包括：
计算所述机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵；
计算所述镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵；
通过所述机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵和所述镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵计算得到所述机身相对于所述镜头的方向余弦矩阵或所述镜头相对于所述机身的方向余弦矩阵；
通过所述机身相对于所述镜头的方向余弦矩阵或所述镜头相对于所述机身的方向余弦矩阵得到所述机身与所述镜头相对的姿态角度。
第二方面，本发明实施例提供了一种姿态角度获取装置，应用于可移动设备，所述可移动设备包括机身和镜头，所述姿态角度获取装置包括：
机身姿态信息计算模块，用于计算所述机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵；
镜头姿态信息计算模块，用于计算所述镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵；
相对姿态信息计算模块，用于通过所述机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵和所述镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵计算得到所述机身相对于镜头的方向余弦矩阵或所述镜头相对于所述机身的方向余弦矩阵；
姿态角度计算模块，用于通过所述机身相对于所述镜头的方向余弦矩阵或所述镜头相对于所述机身的方向余弦矩阵得到所述机身与所述镜头相对的姿态角度。
第三方面，本发明实施例提供了一种可移动设备，包括机身和镜头，所述机身和所述镜头均设置有惯性测量单元，所述机身的惯性测量单元用于测量所述机身的加速度和角速度；所述镜头的惯性测量单元用于测量所述镜头的加速度和角速度；所述可移动设备还包括云台，所述镜头通过所述云台安装在所述机身上，所述云台包括相互连接的俯仰电机、横滚电机和航向电机，所述可移动设备还包括：
存储器；
控制器；以及姿态角度获取装置，所述姿态角度获取装置安装于所述存储器中并包括一个或多个由所述控制器执行的软件功能模块，所述姿态角度获取装置包括：
机身姿态信息计算模块，用于通过所述机身的加速度和角速度计算所述机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵；
镜头姿态信息计算模块，用于通过所述镜头的加速度和角速度计算所述镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵；
相对姿态信息计算模块，用于通过所述机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵和所述镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵计算得到所述机身相对于镜头的方向余弦矩阵或所述镜头相对于所述机身的方向余弦矩阵；
姿态角度计算模块，用于通过所述机身相对于所述镜头的方向余弦矩阵或所述镜头相对于所述机身的方向余弦矩阵得到所述云台与所述镜头相对的姿态角度，所述姿态角度包括横滚角和俯仰角；
发送模块，用于将所述横滚角信息发送至所述横滚电机，将所述俯仰角信息发送至所述俯仰电机，以便于驱动所述横滚电机和俯仰电机转动。
本发明提供的姿态角度获取方法及装置通过计算机身和镜头各自的对地的相对姿态的方向余弦矩阵，进而计算得到机身相对于镜头的方向余弦矩阵或镜头相对于机身的方向余弦矩阵，最终通过机身相对于镜头的方向余弦矩阵或镜头相对于机身的方向余弦矩阵得到机身相对于镜头的姿态角度，计算简便，精确性高。
本发明提供的可移动设备通过机身和镜头的惯性测量单元测量机身和镜头各自的加速度和角速度，姿态角度获取装置依据机身和镜头各自的加速度和角速度计算机身和镜头各自的对地的相对姿态的方向余弦矩阵，进而计算得到机身相对于镜头的方向余弦矩阵或镜头相对于机身的方向余弦矩阵，最终通过机身相对于镜头的方向余弦矩阵或镜头相对于机身的方向余弦矩阵得到机身与镜头相对的姿态角度，姿态角度包括横滚角和俯仰角，将得到横滚角信息发送至横滚电机，将俯仰角信息发送至俯仰电机，以便于驱动横滚电机和俯仰电机转动。无需在电机上安装额外元件，也不需要提高电机的制作精度，减少电机占用空间的同时保证了计算的精确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明较佳实施例提供的可移动设备的云台与镜头的连接结构示意图。
图2是本发明较佳实施例提供的可移动设备的方框示意图。
图3是本发明较佳实施例提供的姿态角度获取装置的功能模块示意图。
图4是本发明较佳实施例提供的姿态角度获取方法的流程图。
图标：10-可移动设备；100-云台；101-航向电机；11-载体；12-镜头；13-俯仰电机；14-横滚电机；15-惯性测量单元；16-存储器；17-控制器；18-存储控制器；19-姿态角度获取装置；191-获取模块；192-接收模块；193-机身姿态信息计算模块；194-镜头姿态信息计算模块；195-相对姿态信息计算模块；196-姿态角度计算模块；197-发送模块；20-外设接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
本实施例提供的姿态角度获取方法及装置应用于可移动设备，该可移动设备可以为无人机或者手持拍照设备，在可移动设备上设置有云台，该云台用于搭载镜头并连接可移动设备的机身。可移动设备的机身设置有惯性测量单元（imu，inertialmeasurementunit），以采集机身的加速度和角速度，手持拍照设备的机身即为手柄。
请参照图1，是本发明实施例提供的可移动设备的云台100与镜头12的连接结构示意图。云台100包括载体11、航向电机101、俯仰电机13和横滚电机14。载体11用于与可移动设备的机身固定连接，惯性测量单元测量得到的机身的加速度和角速度亦为载体11的加速度和角速度。航向电机101、俯仰电机13和横滚电机14相互连接，通过航向电机101、俯仰电机13和横滚电机14的转动改变镜头12的拍摄角度，使得镜头12可以在三轴空间坐标系（x轴，y轴，z轴）中沿三个坐标轴转动，定义镜头12绕z轴转动的姿态角为航向角（yaw），绕x轴转动的姿态角为俯仰角（pitch），绕y轴转动的姿态角为横滚角（roll）。通过航向电机101的转动可以改变镜头12的航向角，通过俯仰电机13的转动可以改变镜头12的俯仰角，通过横滚电机14的转动可以改变镜头12的横滚角。镜头12上设置有惯性测量单元以采集镜头12的加速度和角速度。
请参照图2，本发明实施例提供的可移动设备10还包括存储器16、存储控制器18、控制器17、外设接口20、以及姿态角度获取装置19。
存储器16、控制器17、存储控制器18、外设接口20各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。姿态角度获取装置19包括至少一个可以软件或固件（firmware）的形式存储于存储器16中或固化在无人机10的操作系统（operatingsystem，os）中的软件功能模块。姿态角度获取装置19安装于存储器16中，控制器17用于执行存储器16中存储的可执行模块，例如姿态角度获取装置19所包括的软件功能模块及计算机程序等。
其中，存储器16可以是，但不限于，随机存取存储器（randomaccessmemory，ram），只读存储器（readonlymemory，rom），可编程只读存储器（programmableread-onlymemory，prom），可擦除只读存储器（erasableprogrammableread-onlymemory，eprom），电可擦除只读存储器（electricerasableprogrammableread-onlymemory，eeprom）等。其中，存储器16用于存储程序，控制器17在接收到执行指令后，执行所述程序。控制器17以及其他可能的组件对存储器16的访问可在存储控制器18的控制下进行。
控制器17可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的控制器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器（dsp)）、专用集成电路（asic）、现成可编程门阵列（fpga）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。外设接口20将各种输入/输出装置（例如惯性测量单元15）耦合至控制器17以及存储器16。在一些实施例中，外设接口20，控制器17以及存储控制器18可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。
在本实施例中，姿态角度获取装置19通过惯性测量单元15测量的机身（载体11）和镜头12的加速度和角速度计算镜头12与机身的相对姿态角度，该姿态角度为俯仰角和横滚角。将获得的俯仰角发送至俯仰电机13，将横滚角发送至横滚电机14，以便于俯仰电机13和横滚电机14根据接收到的角度调整转矩。
作为一种实施方式，当可移动设备10为无人机时，请参照图3，姿态角度获取装置19包括获取模块191、接收模块192、机身姿态信息计算模块193、镜头姿态信息计算模块194、相对姿态信息计算模块195以及姿态角度计算模块196。
其中，获取模块191用于从无人机的飞控中获取机身的欧拉角，该欧拉角为无人机的飞控通过惯性测量单元15测得的机身的加速度和角速度计算得到。
机身姿态信息计算模块193用于根据机身的欧拉角计算得到机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵。
接收模块192用于接收设置在镜头12上的惯性测量单元15发送的镜头12的加速度和角速度。
镜头姿态信息计算模块194用于计算镜头12对地的相对姿态的方向余弦矩阵。
相对姿态信息计算模块195用于通过机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵和镜头12对地的相对姿态的方向余弦矩阵计算得到机身相对于镜头12的方向余弦矩阵或镜头12相对于机身的方向余弦矩阵。
然后姿态角度计算模块196通过机身相对于镜头12的方向余弦矩阵或镜头12相对于机身的方向余弦矩阵得到机身与镜头12相对的姿态角度，即机身相对于镜头12的姿态角度或者镜头12相对于机身的姿态角度。该姿态角度包括俯仰角和横滚角，机身与镜头12相对的姿态角度代表镜头12绕俯仰电机轴和横滚电机轴旋转的角度。
得到机身与镜头12相对的姿态角度后，发送模块197将横滚角信息发送至横滚电机14，将俯仰角信息发送至俯仰电机13，横滚电机14和俯仰电机13通过等效转换得到俯仰电机13和横滚电机14的电角度，以便于对横滚电机14和俯仰电机13进行矢量控制，改变电机的转矩以改变镜头12的旋转角度。
作为另一种实施方式，当可移动设备10的为手持拍照设备时，接收模块192还用于接收设置于机身上的惯性测量单元15发送的机身的加速度和角速度，以便云台姿态信息计算模块193通过机身的加速度和角速度计算机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵，然后进行后续的计算。
本发明提供的可移动设备10通过机身和镜头12的惯性测量单元15测量机身和镜头12各自的加速度和角速度，姿态角度获取装置19依据机身和镜头12各自的加速度和角速度计算机身和镜头12各自的对地的相对姿态的方向余弦矩阵，进而计算得到机身相对于镜头12的方向余弦矩阵或镜头12相对于机身的方向余弦矩阵，最终通过机身相对于镜头12的方向余弦矩阵或镜头12相对于机身的方向余弦矩阵得到机身与镜头12相对的姿态角度。无需在电机上安装额外元件，也不需要提高电机的制作精度，减少电机占用空间的同时保证了计算的精确度。
本发明实施例还提供了一种姿态角度获取方法，应用于上述的可移动设备，请参照图4，该姿态角度获取方法包括以下步骤：
步骤s1，计算机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵。
在本实施例中，该步骤s1可以由机身姿态信息计算模块执行。通过惯性测量单元发送的机身的加速度和角速度计算机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵，或者从可移动设备的飞控中获取云台的欧拉角，其中欧拉角为飞控通过机身的加速度和角速度计算得到，然后将欧拉角转换为机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵。
步骤s2，计算镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵。
在本实施例中，该步骤s2可以由镜头姿态信息计算模块执行。通过惯性测量单元发送的镜头的加速度和角速度计算镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵。
步骤s3，通过机身对地的相对姿态的方向余弦矩阵和镜头对地的相对姿态的方向余弦矩阵计算得到机身相对于所述镜头的方向余弦矩阵或镜头相对于所述机身的方向余弦矩阵。
在本实施例中，该步骤s3可以由相对姿态信息计算模块执行。
步骤s4，通过机身相对于镜头的方向余弦矩阵或镜头相对于机身的方向余弦矩阵得到机身与镜头相对的姿态角度。
在本实施例中，该步骤s4可以通过姿态角度计算模块执行。
步骤s5，将横滚角信息发送至横滚电机，将俯仰角信息发送至俯仰电机，从而驱动所述横滚电机和俯仰电机转动。
在本实施例中，该步骤s5可以通过发送模块执行。
上述的步骤s1和步骤s2的执行先后顺序不做限定，例如可以并列执行或者按照相反的顺序执行。
综上所述，本发明实施例提供了一种姿态角度获取方法、装置及可移动设备。该姿态角度获取方法包括：计算机身和镜头各自的对地的相对姿态的方向余弦矩阵，进而计算得到机身相对于镜头的方向余弦矩阵或镜头相对于机身的方向余弦矩阵，最终通过机身相对于镜头的方向余弦矩阵或镜头相对于机身的方向余弦矩阵得到机身相对于镜头的姿态角度。计算简便，精确性高。可移动设备无需在各个电机上安装额外元件，也不需要提高电机的制作精度，减少电机占用空间的同时保证了计算的精确度。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-onlymemory）、随机存取存储器（ram，randomaccessmemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。