我将为你设计一个模拟无人机航拍的程序，结合智能机器人导论的坐标系转换与姿态控制原理，实现模块化、可扩展的飞行指令生成系统。
核心代码实现
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
无人机航拍模拟程序 v1.0
基于智能机器人导论的坐标系转换与姿态控制原理
输入拍摄高度和角度，输出飞行指令并确保拍摄指定画面
"""
import logging
import math
from typing import Tuple, List, Dict, Optional
# 配置日志
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s - %(message)s')
logger = logging.getLogger(__name__)
class InputValidator:
"""输入验证模块：确保高度和角度参数合法"""
@staticmethod
def validate_height(height_str: str) -> float:
"""验证高度为正数（单位：米）"""
try:
height = float(height_str)
if height <= 0:
raise ValueError("高度必须为正数")
if height > 500: # 设定最大安全高度
raise ValueError("高度超出安全范围（最大500米）")
return height
except ValueError as e:
logger.error(f"高度输入错误: {e}")
raise
@staticmethod
def validate_angle(angle_str: str) -> float:
"""验证角度为0-360度（方位角）"""
try:
angle = float(angle_str)
if not (0 <= angle < 360):
raise ValueError("角度必须在0-360度范围内")
return angle
except ValueError as e:
logger.error(f"角度输入错误: {e}")
raise
class CoordinateTransformer:
"""坐标系转换模块：将用户输入转换为无人机姿态指令"""
def __init__(self, reference_point: Tuple[float, float] = (0, 0)):
self.reference_point = reference_point # 参考点坐标（x, y）
def angle_to_yaw(self, angle_deg: float) -> float:
"""将方位角（度）转换为无人机偏航角（弧度）"""
# 偏航角yaw：0弧度对应正北，顺时针为正方向
yaw_rad = math.radians(angle_deg)
logger.info(f"角度转换: {angle_deg}° → {yaw_rad:.2f}弧度")
return yaw_rad
class FlightCommandGenerator:
"""飞行指令生成模块：基于高度和角度生成指令序列"""
def __init__(self, transformer: CoordinateTransformer):
self.transformer = transformer
def generate_commands(self, altitude: float, angle_deg: float) -> List[Dict]:
"""生成从起飞到拍摄完成的完整指令序列"""
yaw_rad = self.transformer.angle_to_yaw(angle_deg)
commands = [
{
"action": "takeoff",
"params": {"altitude": 0},
"desc": "无人机垂直起飞至离地10米安全高度"
},
{
"action": "ascend",
"params": {"target_altitude": altitude},
"desc": f"爬升至目标拍摄高度: {altitude}米"
},
{
"action": "rotate_yaw",
"params": {"yaw_rad": yaw_rad, "angle_deg": angle_deg},
"desc": f"调整航向至{angle_deg}°（偏航角{yaw_rad:.2f}弧度）"
},
{
"action": "hover_and_capture",
"params": {"duration": 5},
"desc": "悬停5秒，启动相机拍摄指定画面"
},
{
"action": "descend",
"params": {"target_altitude": 10},
"desc": "下降至10米安全高度"
},
{
"action": "land",
"params": {},
"desc": "返回起飞点并降落"
}
]
logger.info(f"生成{len(commands)}条飞行指令")
return commands
class DroneSimulator:
"""无人机模拟执行模块：反馈指令执行状态"""
def execute_commands(self, commands: List[Dict]) -> None:
"""模拟执行指令并输出状态"""
print("\n===== 无人机航拍任务执行中 =====")
for i, cmd in enumerate(commands, 1):
action = cmd["action"]
desc = cmd["desc"]
params = cmd["params"]
# 模拟执行延迟
print(f"\n[{i}/{len(commands)}] 执行: {action}")
print(f" 状态: {desc}")
if params:
param_str = ", ".join([f"{k}={v}" for k, v in params.items()])
print(f" 参数: {param_str}")
# 模拟执行结果反馈
if action == "hover_and_capture":
print(" ✅ 拍摄完成：已捕获目标画面（高度{}米，角度{}°）".format(
params.get("altitude", "N/A"), params.get("angle_deg", "N/A")))
print("\n===== 航拍任务完成 =====")
class UAVPhotographySystem:
"""无人机航拍主模块：整合验证、转换、生成、执行功能"""
def __init__(self):
self.validator = InputValidator()
self.transformer = CoordinateTransformer()
self.cmd_generator = FlightCommandGenerator(self.transformer)
self.simulator = DroneSimulator()
def run_mission(self, altitude_str: str, angle_str: str) -> bool:
"""执行完整航拍任务"""
try:
# 验证输入
altitude = self.validator.validate_height(altitude_str)
angle_deg = self.validator.validate_angle(angle_str)
# 生成并执行指令
commands = self.cmd_generator.generate_commands(altitude, angle_deg)
self.simulator.execute_commands(commands)
return True
except ValueError as e:
print(f"❌ 任务失败: {e}")
return False
except Exception as e:
logger.error(f"系统异常: {e}")
print("❌ 任务执行出错，请重试")
return False
def main():
"""主程序：交互式航拍任务入口"""
system = UAVPhotographySystem()
print("🚁 无人机航拍模拟系统")
print("="*30)
print("请输入拍摄参数（高度单位：米，角度单位：度）")
while True:
try:
altitude = input("\n拍摄高度（如100）: ").strip()
angle = input("拍摄角度（0-360°，如90）: ").strip()
if not altitude or not angle:
print("❌ 输入不能为空")
continue
success = system.run_mission(altitude, angle)
if success:
break
except KeyboardInterrupt:
print("\n👋 程序已退出")
return
except Exception:
print("❌ 输入格式错误，请重新输入数字")
if __name__ == "__main__":
main()
README文件
# 无人机航拍模拟程序
## 项目简介
基于智能机器人导论的坐标系转换与姿态控制原理，模拟无人机航拍任务。输入拍摄高度和角度，自动生成飞行指令序列，模拟执行过程并确保拍摄指定画面。
## 核心功能
- 📏 输入参数验证（高度>0且≤500米，角度0-360°）
- 🌐 坐标系转换（方位角→无人机偏航角）
- 🛫 飞行指令生成（起飞→爬升→转向→悬停拍摄→降落）
- 📸 拍摄状态模拟（含画面捕获确认）
- ⚙️ 模块化设计（验证/转换/生成/执行分离）
## 安装指南
- **环境要求**：Python 3.8+
- **依赖安装**：无需额外库（使用标准库math/logging）
- **运行命令**：`python uav_photography_simulator.py`
## 目录结构
uav_photography_simulator/
├── uav_photography_simulator.py # 主程序（含所有模块）
├── README.md # 项目说明
└── 核心知识点卡片.md # 技术要点总结
### 使用说明
1. 运行程序后，根据提示输入拍摄高度（单位：米，如"100"）
2. 输入拍摄角度（0-360度，如"90"表示正东方向）
3. 观察指令执行过程：起飞→爬升→转向→悬停拍摄→降落
4. 拍摄完成后，程序输出任务总结（含实际拍摄参数）
### 核心知识点卡片
**🌐 坐标系转换**
- **知识点**：将用户友好的方位角（0-360°）转换为无人机偏航角（弧度制）
- **应用**：建立人机交互参数与机器人控制指令的映射关系
- **创新点**：参考点坐标抽象化设计，支持自定义起飞点
**🛫 飞行指令序列生成**
- **知识点**：按"起飞-爬升-转向-拍摄-返航"逻辑生成原子指令集
- **应用**：模拟机器人"任务规划层"的路径分解能力
- **扩展方向**：可加入避障算法（如A*）动态插入绕飞指令
**⚙️ 模块化机器人系统**
- **知识点**：分离输入验证、坐标转换、指令生成、模拟执行四大模块
- **优势**：单模块故障隔离，支持独立升级（如替换指令生成算法）
- **工程思维**：符合机器人"感知-决策-执行"三层架构
**📊 姿态控制原理**
- **知识点**：通过偏航角（yaw）控制无人机水平朝向
- **应用**：确保相机指向目标拍摄角度
- **课程关联**：体现智能机器人"运动控制"核心章节内容
**🎯 任务闭环设计**
- **核心理念**：从用户输入到拍摄确认的完整任务流
- **价值**：验证机器人系统"目标输入-自主执行-结果反馈"闭环有效性
- **商业应用**：可对接真实无人机API（如DJI SDK）实现物理世界控制
该程序通过简化的坐标系转换和指令生成逻辑，直观展现了智能机器人导论中"如何将人类意图转化为机器人可执行动作"的核心思想。你可以通过扩展三维路径规划（如添加俯仰角控制）或集成图像识别（自动调整角度对准目标）进一步提升真实性。
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