CN106064378A - 一种无人机机械臂的控制方法和装置 - Google Patents

一种无人机机械臂的控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机机械臂的控制方法和装置，该方法包括：可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器，所述第一控制器对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器；所述终端的无线发射器发送所述控制指令至无人机，所述无人机的第二控制器对所述控制指令进行解码得到控制信息，所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动。本方案实现了对无人机机械臂的高精度远程实时同步控制，该方案稳定性强，控制方法简单且可完成复杂的操控动作以适应复杂环境的任务。

Description

一种无人机机械臂的控制方法和装置
技术领域
本发明实施例涉及硬件控制技术，尤其涉及一种无人机机械臂的控制方法和装置。
背景技术
随着科技的发展，人们逐渐开始使用机器人来协助人们的日常工作，针对一些复杂的任务，通常在机器人上设置有机械臂，通过机械臂来执行更加精细的操作。
现有的机器人多为地面机器人，其机械臂在进行远程任务中，应用环境存在一定的局限性，一般适用于陆地救援，事故处理等，对于远距离高空或者水面任务的情况并不适用，同时大量废墟等复杂条件地形，地面机器人机械臂也存在局限性。特别是对于水面环境或者水陆两栖环境，地面机器人机械臂存在明显的不足。另外，现有的地面机器人机械臂远程同步任务，一般使用遥控器控制机械臂或者摄像头来执行任务，这并不能很好的模拟人手臂同步执行任务的过程，特别是对于新用户，往往需要很长时间的操作训练，才能熟悉对地面机器人机械臂任务执行的控制。
发明内容
本发明提供一种无人机机械臂的控制方法和装置，以实现对无人机机械臂的高精度远程实时同步控制，该方案稳定性强，控制方法简单且可完成复杂的操控动作以适应复杂环境。
第一方面，本发明实施例提供了一种无人机机械臂的控制方法，包括：
可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器，所述第一控制器对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器；
所述终端的无线发射器发送所述控制指令至无人机，所述无人机的第二控制器对所述控制指令进行解码得到控制信息，所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动。
第二方面，本发明实施例还提供了一种无人机机械臂的控制装置，包括：
可穿戴传感设备，用于获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器；
所述第一控制器，用于对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器；
所述终端的无线发射器，用于发送所述控制指令至无人机；
第二控制器，用于对所述控制指令进行解码得到控制信息；
机械臂，用于根据所述控制信息进行运动，其中所述第二控制器和所述机械臂集成在无人机中。
本发明通过可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器，所述第一控制器对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器，所述终端的无线发射器发送所述控制指令至无人机，所述无人机的第二控制器对所述控制指令进行解码得到控制信息，所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动，解决现有的机器人在执行任务过程中在面临复杂环境无法有效、准确的执行任务的问题，实现了对无人机机械臂的高精度远程实时同步控制，该方案稳定性强，控制方法简单且可完成复杂的操控动作以适应复杂环境。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的无人机机械臂的控制方法的流程图；
图2为本发明实施例一提供的搭载机械臂的无人机示意图；
图3是本发明实施例二提供的无人机机械臂的控制方法的流程图；
图4是本发明实施例三提供的无人机机械臂的控制方法的流程图；
图5是本发明实施例四提供的无人机机械臂的控制装置的结构图；
图6是本发明实施例五提供的无人机机械臂的控制装置的结构示意图；
图7为本发明实施例五提供的机械臂模拟人体手臂运动的过程示意图；
图8为本发明实施例五提供的人体手臂和机械臂的对应关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的无人机机械臂的控制方法的流程图，本实施例可适用于需要在复杂环境下高精确性的执行任务的情况，该方法可以由无人机和使用端设备来执行，具体包括如下步骤：
步骤101、可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器，所述第一控制器对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器。
其中，可穿戴设备可直接穿戴在用户手臂上，其通过集成的硬件和软件可以完成强大的交互功能。示例性的，当用户手臂进行摆动时，可穿戴传感设备内部集成的传感器可感知、采集手臂的摆动方向、距离等参量。传感器获取手臂的运动信息后将该运动信息发送至第一控制器，可选的，传感器和第一控制器通过蓝牙4.0进行通信交互，所述控制器中的滤波单元首先对该运动信息进行滤波，去除噪声干扰后通过编码单元根据该滤波后的运动信息生成控制指令，再将该控制指令发送至终端的无线发射器。可选的，该控制器可集成在可穿戴传感设备上，可穿戴传感设备和终端通过串口有线连接。
步骤102、所述终端的无线发射器发送所述控制指令至无人机，所述无人机的第二控制器对所述控制指令进行解码得到控制信息，所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动。
其中，该终端可以是地面控制终端，其和无人机通过无线网络进行数据交互通信，终端的无线发射器发送控制指令至无人机，无人机接收到控制指令后，通过第二控制器对该控制指令进行解码得到控制信息，其中该控制信息为控制无人机机械臂具体的运动的信息。示例性的，图2为本发明实施例一提供的搭载机械臂的无人机示意图。如图所述，无人机01下方搭载有机械臂02。
本实施例的技术方案，可穿戴传感获取用户手臂的动作，无人机搭载的机械臂同步进行手臂动作模拟，解决现有的机器人在执行任务过程中在面临复杂环境无法有效、准确的同步执行任务的问题，实现了对无人机机械臂的高精度远程实时同步控制，该方案稳定性强，控制方法简单且可完成复杂的操控动作以适应复杂环境。
在上述技术方案的基础上，所述控制信息包括：至少一个节点的自由度的控制信息。其中，机械臂通常可包含一个或多个可旋转的节点，随着节点的增多，机械臂的灵活性也越高，可以采取越复杂动作进而完成更加复杂的任务。本方案中，控制信息根据用户手臂节点摆动的自由度确定，用于控制机械臂节点进行相应自由度的摆动以模拟用户手臂的动作，操作过程简便易行。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的无人机机械臂的控制方法的流程图，本实施例在上述各实施例的基础上，给出了一种具体的无人机执行任务的过程，该过程由两部分组成，首先指引无人机飞行到任务地点，在通过机械臂来完成任务执行，具体包括：
步骤201、无人机通过搭载的摄像头实时采集图像信息，并将所述图像信息发送至所述终端以在所述终端的显示屏上显示。
示例性的，本方案中的无人机采用多旋翼无人机，当无人机在飞行过程中，实时采集图像并传输到终端，终端通过显示屏显示无人机所处的周围环境。
步骤202、所述无人机根据所述终端的遥控器发出的飞行指令飞行。
其中，在无人机离任务现场较远时，用户根据终端显示屏显示的无人机所处的环境信息通过遥控器控制无人机的飞行到达指定现场。
步骤203、可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器，所述第一控制器对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器。
步骤204、所述终端的无线发射器发送所述控制指令至无人机，所述无人机的第二控制器对所述控制指令进行解码得到控制信息，所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动。
本实施例的技术方案，通过终端显示无人机的所处环境信息后，无人机根据遥控器的指令到达任务现场，用户通过可穿戴传感设备控制无人机挂载的机械臂执行手臂的相应动作以执行任务，解决现有的机器人在执行任务过程中在面临复杂环境无法有效、准确的执行任务的问题，实现了对无人机机械臂的高精度远程实时同步控制，该方案稳定性强，控制方法简单且可完成复杂的操控动作以适应复杂环境。
实施例三
图4是本发明实施例三提供的无人机机械臂的控制方法的流程图，本实施例在上述各实施例的基础上，给出了一种具体的机械臂的控制过程，本方案包括如下步骤。
步骤301、可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器，所述第一控制器对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器。
步骤302、所述终端的无线发射器发送所述控制指令至无人机，所述无人机的第二控制器对所述控制指令进行解码得到控制信息，所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动。
步骤303、所述第二控制器实时获取所述无人机的机械臂的运动状态信息，并根据所述运动状态信息和所述控制信息实时调整所述机械臂的运动。
示例性的，第二控制器采用PID控制算法形成闭环控制，将获取到的机械臂的运动状态信息和需要执行的控制信息进行比对，实时校准控制机械臂的运动，以使得机械臂高效、精准的模拟用户手臂的运动来执行任务。
本实施例的技术方案，解决现有的机器人在执行任务过程中在面临复杂环境无法有效、准确的执行任务的问题，实现了对无人机机械臂的高精度远程实时同步控制，该方案稳定性强，控制方法简单且可完成复杂的操控动作以适应复杂环境。
在上述各实施例的基础上，可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息包括：可穿戴传感设备通过集成的惯性单元获取用户手臂的运动信息。示例性的，惯性单元用于测量物体的轴姿态角(或角速率)以及加速度。可选的，以三个节点为例，该惯性单元包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计用于检测手臂坐标***独立三轴的加速度信号，陀螺用于检测手臂相对于导航坐标系的角速度信号，通过测量手臂在三维空间中的角速度和加速度以得到手臂的运动姿态。本方案中，通过可穿戴设备中的惯性单元来采集用户手臂的运动信息，采集精确度高，合理的模拟了用户手臂的运动姿态。
实施例四
图5是本发明实施例四提供的无人机机械臂的控制装置的结构图，如图所示，包括：
可穿戴传感设备41，用于获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器；
所述第一控制器42，用于对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器；
所述终端的无线发射器43，用于发送所述控制指令至无人机；
第二控制器44，用于对所述控制指令进行解码得到控制信息；
机械臂45，用于根据所述控制信息进行运动，其中所述第二控制器和所述机械臂集成在无人机中。
本实施例的技术方案，通过可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器，所述第一控制器对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器，所述终端的无线发射器发送所述控制指令至无人机，所述无人机的第二控制器对所述控制指令进行解码得到控制信息，所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动，解决现有的机器人在执行任务过程中在面临复杂环境无法有效、准确的执行任务的问题，实现了对无人机机械臂的高精度远程实时同步控制，该方案稳定性强，控制方法简单且可完成复杂的操控动作以适应复杂环境。
在上述各个实施例的基础上，所述控制信息包括：至少一个节点的自由度的控制信息。
在上述各个实施例的基础上，还包括：摄像头，用于实时采集图像信息，所述摄像头安装在所述无人机上；所述第二控制器还用于：将所述摄像头采集的图像信息发送至所述终端，以显示在所述终端的显示屏上，并根据所述终端的遥控器发出的飞行指令控制所述无人机飞行。
在上述各个实施例的基础上，所述第二控制器还用于：实时获取所述无人机的机械臂的运动状态信息，并根据所述运动状态信息和所述控制信息实时调整所述机械臂的运动。
在上述各个实施例的基础上，所述可穿戴传感设备具体包括：惯性单元，用于获取用户手臂的运动信息。
上述产品可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例五
图6是本发明实施例五提供的无人机机械臂的控制装置的结构示意图。本实施例可以以上述实施例为基础，提供了一种优选实例。
如图所示，首先，无人机的摄像头11实时采集周围环境的影像信息，经过视频显示混合器12进行信息处理后通过无人机的无线视频发射器13采用无线方式将该影像信息发送至地面终端的无线视频接收器14，地面终端通过显示屏15显示该影像信息，反馈给用户16。当无人机还未到达任务现场时，用户16通过遥控器22经无线数传发射器23发射飞行指令至无人机的无线数传接收器24，无人机多旋翼25根据该飞行指令飞行。到达目的地后，用户16通过可穿戴传感设备中的人体手臂惯性传感单元21获取手臂的运动信息，该信息通过蓝牙4.0传输至控制器31，控制器31对该信息进行编码后通过无线数传发射器32发出，无人机的无线数传接收器33接收该信息后通过控制器34的解码得到控制信息，控制器34根据该控制信息通过机械臂电机驱动无人机机械臂26运动。与此同时，无人机机械臂26在运动过程中，通过机械臂惯性单元35实时获取运动信息并通过蓝牙4.0传输给控制器34用于实时校准无人机机械臂的运动。
具体的，通过人体手臂控制无人机机械臂运动的过程如图7所示，图7为本发明实施例五提供的机械臂模拟人体手臂运动的过程示意图。其中，人体手臂惯性传感单元21包括三部分，分别为惯性单元1、惯性单元2和惯性单元3，其中惯性单元1具备X1和Y1两个参量，惯性单元2具备X2一个参量，惯性单元3具备X3和Y3两个参量，惯性单元实时获取参量的参量值后，控制器31对该参量值进行编码，通过无线发射器32发送至无线数传接收器33，无人机控制器34对信息进行解码后分别驱动电机1至电机5以驱动无人机机械臂26。其中，机械臂惯性传感单元35同样包括三个惯性单元(惯性单元4、惯性单元5和惯性单元6)，其中，惯性单元4具备X11和Y11两个参量，惯性单元5具备X22一个参量，惯性单元6具备X33和Y33两个参量，每个参量将参量信息再反馈给控制器34。其中，X11和Y11参量对应于X1和Y1参量，X22参量对应于X2，X33和Y33参量对应于X3和Y3参量。具体的，如图8所示，图8为本发明实施例五提供的人体手臂和机械臂的对应关系示意图。其中，参量X1、Y1、X2、X3、Y3分别模拟了人体手臂三个关节节点的转动情况，示例性的，本方案还可以增加手指的惯性参量信息，如X4，其对应的机械臂上的参量为X44。
本实施例提供的技术方案，通过无人机机械臂模拟人体手臂的运动情况来执行相应任务，解决现有的机器人在执行任务过程中在面临复杂环境无法有效、准确的执行任务的问题，实现了对无人机机械臂的高精度远程实时同步控制，该方案稳定性强，控制方法简单且可完成复杂的操控动作以适应复杂环境。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种无人机机械臂的控制方法，其特征在于，包括：
可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器，所述第一控制器对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器；
所述终端的无线发射器发送所述控制指令至无人机，所述无人机的第二控制器对所述控制指令进行解码得到控制信息，所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制信息包括：
至少一个节点的自由度的控制信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
无人机通过搭载的摄像头实时采集图像信息，并将所述图像信息发送至所述终端以在所述终端的显示屏上显示；
所述无人机根据所述终端的遥控器发出的飞行指令飞行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述无人机的机械臂根据所述控制信息进行运动之后，还包括：
所述第二控制器实时获取所述无人机的机械臂的运动状态信息，并根据所述运动状态信息和所述控制信息实时调整所述机械臂的运动。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，可穿戴传感设备获取用户手臂的运动信息包括：
可穿戴传感设备通过集成的惯性单元获取用户手臂的运动信息。
6.一种无人机机械臂的控制装置，其特征在于，包括：
可穿戴传感设备，用于获取用户手臂的运动信息，并将所述运动信息发送至第一控制器；
所述第一控制器，用于对所述运动信息进行滤波和编码生成控制指令，并将所述控制指令发送至终端的无线发射器；
所述终端的无线发射器，用于发送所述控制指令至无人机；
第二控制器，用于对所述控制指令进行解码得到控制信息；
机械臂，用于根据所述控制信息进行运动，其中所述第二控制器和所述机械臂集成在无人机中。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制信息包括：
至少一个节点的自由度的控制信息。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
摄像头，用于实时采集图像信息，所述摄像头安装在所述无人机上；
所述第二控制器还用于：
将所述摄像头采集的图像信息发送至所述终端，以显示在所述终端的显示屏上，并根据所述终端的遥控器发出的飞行指令控制所述无人机飞行。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二控制器还用于：
实时获取所述无人机的机械臂的运动状态信息，并根据所述运动状态信息和所述控制信息实时调整所述机械臂的运动。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述可穿戴传感设备具体包括：
惯性单元，用于获取用户手臂的运动信息。
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