CN106155090B - 基于体感的可穿戴无人机控制设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于体感的可穿戴无人机控制设备，其包括：无人机、姿态传感器、地面端微处理器及机载端微处理器，所述无人机，用于执行控制信号，搭配不同的挂件完成不同的任务；所述姿态传感器位于地面端，用于采集体感的姿态信息；所述地面端微处理器与姿态传感器连接，用于对姿态传感器的姿态解算并通过体感识别代码将姿态信息转换成控制无人机的特殊指令，并将完成数据的发送给无人机以及接收无人机传回的反馈指令；所述机载端微处理器与地面端微处理器通过无线通信模块实现通信，其中，所述机载端微处理器接收地面端微处理器发送来的控制指令，并将指令转换成PWM或PPM信号发送给无人机；借此，使无人机的控制更加人性化、直观化。
Description
技术领域
本发明涉及航空飞行领域，特别涉及一种基于体感的可穿戴无人机控制设备。
背景技术
随着社会的进步，无人机渐渐的涌现出人们的眼球，无人机能够应用于航拍、森林防护、灾情勘察及农药喷洒等监控应用场合，目前，无人机广泛应用于民用、商用及军事领域，在民用领域，越来越多的极限运动爱好者使用无人机进行摄录，在商用领域，除搭载摄像设备对各项体育赛事进行跟踪航拍以外，无人机也已进入物流行业，可以将货物送往人力配送较难、较慢的偏远地区，因此，无人机有着广泛的应用范围及广阔的市场前景。
由于无人机在空中飞行时，容易受到环境和其他干扰的影响，因此，对操作者要求较高，传统的无人机飞行控制，主要是通过遥控器或移动控制终端操作，存在操作复杂，上手难度大的问题，而且对新手有一定的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种基于体感的可穿戴无人机控制设备，通过手的姿态变化使无人机的控制更加人性化、更加直观，降低了无人机的操作难度，增强了无人机的娱乐性。
为了达到上述目的，本发明提供的主要技术方案包括：
一种基于体感的可穿戴无人机控制设备，其包括：无人机、姿态传感器、地面端微处理器及机载端微处理器；
所述无人机，用于执行控制信号，搭配不同的挂件完成不同的任务；
所述姿态传感器，用于采集操作者体感的姿态信息；
所述地面端微处理器与姿态传感器连接，用于对姿态传感器的姿态解算并通过体感识别代码将姿态信息转换成控制无人机的特殊指令，并将完成数据的发送给无人机以及接收无人机传回的反馈指令；
所述机载端微处理器与地面端微处理器通过无线通信模块实现通信，其中，所述机载端微处理器接收地面端微处理器发送来的控制指令，并将指令转换成PWM或PPM信号发送给无人机。
进一步地，所述无人机为多旋翼无人机。
进一步地，所述多旋翼无人机包括飞行控制器、电机、电子调速器及GPS，其中，电机分别与飞行控制器、电子调速器及GPS电性连接。
进一步地，所述飞行控制器为APM飞行控制器、PIXHAUK飞行控制器或大疆飞行控制器。
进一步地，所述电子调速器为有刷电子调速器或无刷电子调速器。
进一步地，所述姿态传感器为惯性传感器。
进一步地，所述惯性传感器为加速度传感器、陀螺仪、磁场传感器或气压传感器。
进一步地，所述无线通信模块的频率为915MHZ、2.4GHZ或433MHZ。
进一步地，所述姿态信息包括手的偏转动作信息、手的方向信息及手的高度信息。
本发明的有益效果：
通过集成于可穿戴设备的地面端读取手部姿态，转换为控制指令以对无人机进行控制（例如最简单的使无人机镜像手部的动作，手往左偏无人机就朝左飞，往右偏无人机就朝右飞），使无人机的控制更加的人性化、更加直观，降低了无人机的操作难度，增强了无人机的娱乐性。
附图说明
图1为本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备的结构示意图；
图2为本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备的无人机解锁算法的流程图；
图3为本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备的无人机起飞算法的流程图；
图4为本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备的无人机整体算法的流程图。
附图标记说明
10：无人机
20：姿态传感器
30：地面端微处理器
40：机载端微处理器
50：无线通信模块
60：飞行控制器。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图通过具体实施例对本发明作详细说明 。
图1为本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备的结构示意图，如图所示，本发明提供一种基于体感的可穿戴无人机控制设备，其包括：无人机10、姿态传感器20、地面端微处理器30及机载端微处理器40；
所述无人机10，用于执行控制信号，搭配不同的挂件完成不同的任务；
所述姿态传感器20位于地面端，用于采集体感的姿态信息；
体感技术是指操作者可以很直接地使用肢体动作，与周边的装置或环境互动，便可让操作者身临其境地与内容作互动。
所述地面端微处理器30与姿态传感器20连接，用于对姿态传感器20的姿态解算并通过体感识别代码将姿态信息转换成控制无人机10的特殊指令，并将完成数据的发送以及接收无人机10传回的反馈指令；
所述机载端微处理器40与地面端微处理器30通过无线通信模块50实现通信，其中，所述机载端微处理器40接收地面端微处理器发送来的控制指令，并将指令转换成PWM或PPM信号发送给无人机10。
具体实施时，所述无人机10可为多旋翼无人机，且所述多旋翼无人机包括飞行控制器60、电子调速器、电机及GPS，所述电机分别与飞行控制器、电子调速器及GPS电性连接。
具体实施时，所述飞行控制器60可为APM飞行控制器、PIXHAUK飞行控制器或大疆飞行控制器。
具体实施时，所述电子调速器可为有刷电子调速器或无刷电子调速器。
具体实施时，所述姿态传感器20可为惯性传感器，且所述惯性传感器可为加速度传感器、陀螺仪、磁场传感器或气压传感器。
具体实施时，所述无线通信模块50的频率可为915MHZ、2.4GHZ或433MHZ。
具体实施时，所述姿态信息包括手的偏转动作信息、手的方向信息及手的高度信息。
本发明提供的基于体感的可穿戴无人机控制设备，具体操作时，可通过下述方法控制其工作：
S1：地面端微处理器采集姿态传感器的数据；
S2：对采集到的数据进行进一步处理，获得手的动作信息；
S3：将手的动作信息通过算法进行手的姿态的判断与识别；
S4：将识别到的手的姿态信息转换成控制指令；
S5：将控制指令通过无线通信模块发送给机载端微处理器；
S6：机载端微处理器将控制指令编码成PPM或PWM信号，发送到飞行控制器的输入接口以输入飞行控制器；
S7：飞行控制器根据PPM或PWM信号控制无人机的电机作出对应的响应。
具体实施时，所述步骤S2中，动作信息包括手的偏转动作信息、手的方向信息及手的高度信息，其中，手的偏转动作信息用于提供无人机是否解锁的信号，手的高度信息用于提供无人机的升降信号。
具体实施时，所述步骤S2中，对数据的进一步处理包括滤波和/或多个传感器数据的融合。
具体实施时，所述步骤S3中，所述算法包括解锁算法、起飞算法以及升降移动算法，其中，解锁算法用于判断是否解锁无人机，起飞算法用于判断是否起飞无人机，升降移动算法用于判断无人机在飞行过程中的升降、前后左右移动的动作。
其中，所述解锁算法包括：
S31：对基于体感的可穿戴无人机控制设备进行滤波，以保证数据的合理性与准确性；
S32：设置一个预定频率的循环，如果在第一预定时间内检测到第一预定次数的第一手部预定状态，则进入阶段1，否则，重新回到步骤S1；
S33：如果在第二预定时间内检测到第二预定次数的第二手部预定状态，则进入阶段2，否则，重新回到步骤S1；
S34：如过在第三预定时间内检测到第三预定次数的第三手部预定状态，则调用解锁函数开启解锁，否则，重新回到步骤S1。
具体实施时，所述步骤S32中，预定频率为50hz，第一预定时间为1s，，第一预定次数为10次，第一手部预定状态为手背平放向上状态；
具体实施时，所述步骤S33中，第二预定时间为1s，第二预定次数为10次，第二手部预定状态为手掌平放向上状态；
具体实施时，所述步骤S34中，第三预定时间为1s，第三预定次数为10次，第三手部预定状态为手背平放向上状态。
其中，所述起飞算法包括：
S35：将无人机的飞行模式设定为普通模式；
S36：使用发送模块的函数向无人机发送油门通道参数指令；
S37：设定一个预定起飞阈值的循环，判断油门通道参数是否达到起飞阈值，如果达到起飞阈值就进入下一步，否则，延时第四预定时间后后返回S36；
S38：延时第五预定时间后，将无人机的飞行模式调为GPS模式，完成起飞。
具体实施时，所述步骤S37中，第四预定时间为300ms；
具体实施时，所述步骤S38中，第五预定时间为2s。
其中，所述升降算法包括：
S39：判断体感装置下降距离是否达到第一预定距离，如果没达到进入步骤S310，如果达到则进入步骤S311；
S310：进行无人机的飞行高度调节；
S311：进行无人机的降落。
具体实施时，所述步骤S39中，第一预定距离为40cm。
其中，所述方向算法包括：
S312：判断体感装置与坐标轴之间的夹角是否大于第一预定角度，如果大于进入步骤S313，如果不大于则进入步骤S314；
S313：通过调节无人机ROLL.PITCH通道参数来控制无人机的飞行方向；
S314：将不会控制无人机无人机的飞行方向。
具体实施时，所述步骤S312中，第一预定角度为10度。
请参见图2所示，为本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备的无人机解锁算法的流程图，其中，通过手势解锁算法确认是否解锁无人机，通过姿态传感器获取可穿戴式体感设备静止的数据，首先对可穿戴式体感设备静止的数据进行滤波以保证数据的合理性与准确性，一阶低通互补滤波算法公式为Yn=a*Xn+（1-a）*Yn-1，其中，0<a<1，Xn为本次采样值，Yn-1为上次的滤波输出值，a为滤波系数，Yn为本次滤波输出值；然后，设置一个频率为50HZ的循环，如果在1s内检测到10次以上手掌平放向上的状态，此时，由阶段0进入阶段1，然后，手翻转后1s内检测到10次以上手掌平放向上的状态，此时，由阶段1进入阶段2，完成后，再将手翻转，如果1s内检测到10次以上手背平放向上的状态，此时，由阶段2进入阶段3，借此，便可以调用解锁函数开启解锁；如果在1s内没有检测到10次以上手背平放向上状态，延时20ms后，将会进入循环状态，直到1s内能够检测到10次以上手背平放向上的状态。
当然，本发明在具体实施时，也可以变换手部动作，例如，也可设为在1秒内手背平放向上的状态达到十次时进入第一阶段，在1秒内手背平放向上的状态再次达到十次时进入第二阶段，在1秒内手掌平放向上的状态达到十次时解锁；或者，在1秒内手背平放向上的状态达到十次时进入第一阶段，在1秒内手掌平放向上的状态再次达到十次时进入第二阶段，在1秒内手掌平放向上的状态达到十次时解锁；都可以实现本发明的解锁算法；甚至本发明在具体实施时，也可以增加阶段数，例如在经过三个或四个阶段后再进入解锁状态，只要其作用思路一致，本发明不加以限制。
请参见图3所示，为本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备的无人机起飞算法流程图，完成无人机解锁后，就启动起飞模块，首先，将无人机的飞行模式设定为普通模式，使用发送模块的函数向无人机传送油门通道参数指令，无人机的油门通道参数需要达到一个阈值以提供无人机足够的升力，此阈值为无人机的起飞阈值，此过程中，首先判断无人机的油门通道参数是否已经达到起飞阈值，如果已经达到起飞阈值，延时2s后，将无人机的飞行模式调为GPS模式，然后，无人机会直接起飞；如果无人机的油门通道参数未达到起飞阈值，延时300ms后，将循环调用发送模块的函数来增加无人机的油门通道参数，直到无人机的油门通道参数达到起飞阈值；当然，在本实施例中所涉及的时间，如2s、300ms，不做限制，只要其作用思路一致，均为本发明的保护范围。
请参见图4所示，为本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备的无人机整体算法的流程图，其中算法包括解锁算法、起飞算法、升降算法以及方向算法，首先判断无人机是否解锁，如果没有解锁，就先去完成解锁和起飞，无人机的解锁算法及起飞算法如上所述，在此不再赘述，无人机完成起飞后，将数据发送给机载端微处理器，以便于进行下一步的循环控制；如果已经解锁，则通过姿态传感器读取手部的姿态信息，姿态信息包括手的翻转动作信息、手的方向动作信息及手的高度动作信息，再通过一阶低通互补滤波算法求出本次滤波输出值，一阶低通互补滤波算法公式为Yn=a*Xn+（1-a）*Yn-1，其中，0<a<1，Xn为本次采样值，Yn-1为上次的滤波输出值，a为滤波系数，Yn为本次滤波输出值；然后检查手部是否有翻转动作，如果手部有翻转动作，则进入无人机的升降控制，检测体感设备下降距离是否达到40cm，如果体感设备下降的距离没有达到40cm，那么通过抬高体感控制设备的高度，姿态传感器会检测到体感设备的高度上升值，然后，在程序里将这个上升值乘以一个正系数累加到油门通道参数里，借此，完成对无人机高度上升的控制过程；通过降低体感设备的高度，姿态传感器会检测到体感设备的高度下降值，然后，在程序里将这个下降值乘以一个负系数累加到无人机的油门通道参数里，借此，完成对无人机高度下降的控制过程；如果体感设备的下降距离达到40cm，那么，无人机将会降落；当然，在本实施例中，所涉及的40cm可以为任意数值，在此不做限制。
如果手部没有翻转动作，则进入无人机的飞行方向控制，即对无人机实现前后左右方向的控制，具体的实现过程是通过姿态传感器来获得手部动作的对于各个轴的偏移量，通过对姿态传感器中原始数据的处理，得到偏移的角度，然后判断体感设备与坐标轴之间的偏移角度是否大于10度，如果角度大于10度，就可以通过调节无人机ROLL.PITCH通道的参数来控制无人机的飞行方向，比如，要使无人机向左飞行，可以将体感设备向左倾斜；要使无人机向右飞行，则可以将体感设备向右倾斜；如果体感设备与坐标轴之间的偏移角度小于或等于10度时，将不能控制无人机的飞行方向；当然，在本实施例中，所涉及的10度可以为任意数值，在此不做限制。
上述所有算法完成后，最终的数据要发送给机载端微处理器，以便于进行下一轮的循环控制，所述无人机的算法控制为闭环控制，机载端微处理器将无线通信模块接收到的信息进行处理，并且将数据转换成多通道的PWM信号或PPM信号发送给飞行控制器，达到控制无人机飞行的目的，这一数据传递方式使得该控制设备能够适配市面上的大部分飞行控制器，如APM飞行控制器、PIXHAUK飞行控制器及大疆飞行控制器等主流飞行控制器。
综合上述描述可知，本发明在具体实施时，可通过手部的动作，提供给无人机一系列控制指令，例如前后左右控制指令、上升下降控制指令、起飞降落控制指令以及解锁或非解锁控制指令。
本发明在具体实施时，在步骤S2中对数据进行进一步处理时，可采用滤波和/或多个传感器数据的融合的方法进行。
本发明在具体实施时，步骤S1中采用的姿态传感器可选择设置为惯性传感器，例如常见的加速度传感器、陀螺仪、磁场传感器或气压传感器等。
本发明在具体实施时，所选用的无线通信模块的频率可为915MHZ、2.4GZ或433MHZ。
通过机载端微处理器获取并处理可穿戴体感设备传来的控制信息，从而，调整无人机自身的飞行状态，实现体感操作无人机，体感无人机的特色是能够利用可穿戴式体感设备操控无人机进行飞行，无人机采用四旋翼结构，垂直起降，能够在空中进行悬停，飞行控制不受限制等特点，飞行控制器采用成品的APM飞行控制器，本发明的基于体感的可穿戴无人机控制设备，地面端集成于手表、体感手套或手环内，将手的姿态信息发送到机载端微处理器，机载端微处理器接收到手的姿态信息以后，转码成常用飞行控制器能够读取的PWM信号，从而，对无人机进行控制，操控设备的可穿戴性减少了人机交互的距离感，令人机一体，通过利用可穿戴式的操控设备处理手的姿态变化，然后，操控无人机进行合理的姿态变化。
本发明通过集成于可穿戴设备的地面端读取手部的姿态，转换为控制指令以对无人机进行控制（例如最简单的使无人机镜像手部的动作，手往左偏无人机就朝左飞，手往右偏无人机就往右飞），使无人机的控制更加的人性化、更加的直观，降低了无人机的操作难度，增强了无人机的娱乐性。
虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1.一种基于体感的可穿戴无人机控制设备，包括无人机、姿态传感器、地面端微处理器及机载端微处理器，其特征在于：
所述无人机，用于执行控制信号，搭配不同的挂件完成不同的任务；
所述姿态传感器，用于采集操作者体感的姿态信息；
所述地面端微处理器与姿态传感器连接，用于对姿态传感器的姿态解算并通过体感识别代码将姿态信息转换成控制无人机的特殊指令，并将完成的 数据- 发送给无人机以及接收无人机传回的反馈指令；
所述机载端微处理器与地面端微处理器通过无线通信模块实现通信，其中，所述机载端微处理器接收地面端微处理器发送来的控制指令，并将指令转换成PWM或PPM信号发送给无人机；
其中，通过手势解锁算法确认是否解锁无人机，通过姿态传感器获取可穿戴式体感设备静止的数据，首先对可穿戴式体感设备静止的数据进行滤波以保证数据的合理性与准确性；然后，设置一个频率为50HZ的循环，当在1s内检测到10次以上手掌平放向上的状态时，由阶段0进入阶段1，然后，当手翻转后1s内检测到10次以上手掌平放向上的状态时，由阶段1进入阶段2，完成后，再将手翻转，当1s内检测到10次以上手背平放向上的状态时，由阶段2进入阶段3，借此，便可以调用解锁函数开启解锁；当在1s内没有检测到10次以上手背平放向上状态时，延时20ms后，将会进入循环状态，直到1s内能够检测到10次以上手背平放向上的状态。
2.如权利要求1所述的基于体感的可穿戴无人机控制设备，其特征在于，所述无人机为多旋翼无人机。
3.如权利要求2所述的基于体感的可穿戴无人机控制设备，其特征在于，所述多旋翼无人机包括飞行控制器、电机、电子调速器及GPS，其中，电机分别与飞行控制器、电子调速器及GPS电性连接。
4.如权利要求3所述的基于体感的可穿戴无人机控制设备，其特征在于，所述飞行控制器为APM飞行控制器、PIXHAUK飞行控制器或大疆飞行控制器。
5.如权利要求3所述的基于体感的可穿戴无人机控制设备，其特征在于，所述电子调速器为有刷电子调速器或无刷电子调速器。
6.如权利要求1所述的基于体感的可穿戴无人机控制设备，其特征在于，所述姿态传感器为惯性传感器。
7.如权利要求6所述的基于体感的可穿戴无人机控制设备，其特征在于，所述惯性传感器为加速度传感器、陀螺仪、磁场传感器或气压传感器。
8.如权利要求1所述的基于体感的可穿戴无人机控制设备，其特征在于，所述无线通信模块的频率为915MHZ、2.4GHZ或433MHZ。
9.如权利要求1所述的基于体感的可穿戴无人机控制设备，其特征在于，所述姿态信息包括手的偏转动作信息、手的方向信息及手的高度信息。
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