基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利涉及无人飞行器控制领域，具体涉及一种利用手机控制的四旋翼无人 直升机。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的快速发展，人们对计算机的研宄也日趋深入；无论是其体积、重量 还是运算能力都取得了长足的进步。随着智能手机价格的降低，搭载着丰富、高精度传感器 的智能手机已成为人们工作、生活、娱乐重要的组成部分；其次，随着四旋翼控制技术的成 熟，四旋翼已应用在社会中的很多行业，并逐渐的走进普通人的生活。
[0003] 现有的四旋翼都是单独设计的专用飞控模块，主要以遥控航模四旋翼为主，功能 单一，搭载的传感器少，大多数都不具备航拍功能；外挂的航拍设备不仅价格高昂，而且重 量大，对四旋翼的载重也有较高的要求；同时，采用2. 4GHz无线遥控技术的遥控距离有限， 不适合超过Ikm的大范围飞行。这些都制约着四旋翼的推广应用。智能手机的发展与推广， 极大的丰富了人们的生活；同时，人们在社会生活中的使用实践，不断的赋予了智能手机更 多的功能，手机搭载的高精度姿态和位置传感器，使智能手机扩展飞行控制功能成为可能。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在提供一种基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍系统和方法；在 不改变智能手机结构的基础之上，设计的四旋翼飞行器（下文简称四旋翼）可沿指定路径 航拍，该四旋翼具有飞行半径大，航拍视屏能够实时下传的特点；同时，本发明扩大的智能 手机的应用领域，丰富了人们的业余生活。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍系统，其特征在于：
[0007] 包括智能手机，四旋翼以及电脑上位机；智能手机固定在四旋翼的机架上用于自 主导航与航拍；所述智能手机搭载GPS、气压计、陀螺仪、加速度计、磁强计、摄像头、3G或4G 无线网络，并与位于地面的电脑上位机之间无线通讯；
[0008] 所述四旋翼的机架上设置智能手机接入模块、驱动模块、动力模块、能源模块；其 中，动力模块包括四旋翼的电机与螺旋桨，各旋翼的螺旋桨均由一个独立的旋翼驱动电机 驱动；智能手机接入模块为四旋翼与智能手机之间的接口，用以固定智能手机到四旋翼的 机架上，并通过手机MicroUSB接口与所述驱动模块相连；所述驱动模块由单片机与电子调 速器组成，接收智能手机接入模块输出的控制数据，并通过电子调速器输出给旋翼驱动电 机；能源模块主要包括锂电池，用以给驱动模块及旋翼驱动电机供电；各模块采用统一接 口并能组合或拆卸；
[0009] 所述电脑上位机用于选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照 航点离出发点的距离由近及远的发往智能手机；在智能手机获得航拍视频后，电脑上位机 还用于接收航拍视频；
[0010] 所述智能手机用于实时获取四旋翼位置和姿态数据，并根据该位置和姿态数据进 行路径跟踪计算和飞行控制，驱动四旋翼平稳光滑的往目标点运动；同时，智能手机通过自 身高清摄像头实时采集该航拍路径上的图像信息，并通过无线网络实时下传航拍视频到电 脑上位机上。
[0011] 一种采用上述航拍系统的指定路径航拍方法，其特征在于主要包括如下步骤：
[0012] 通过电脑上位机选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照航点 离出发点的顺序由近及远地发往智能手机；之后启动四旋翼开始航拍；
[0013] 智能手机采用BackSt印ping路径跟踪算法，平滑的跟踪电脑上位机输出的航点； [0014]智能手机利用自带姿态传感器与位置传感器获取的位置和姿态数据，结合 BackStepping路径跟踪算法获得旋翼驱动电机需要的控制量，并通过单片机和电子调速器 控制4个旋翼驱动电机转速，驱动四旋翼平稳光滑的往目标点运动；同时，智能手机搭载的 高清摄像头实时采集该航拍路径上的图像信息，并通过无线网络实时下传航拍视频到电脑 上位机上，实现四旋翼按照指定路径航拍。
[0015] 上述技术方案中，具体包括如下步骤：
[0016] 步骤Sl :智能手机初始化、驱动模块初始化；
[0017] 步骤S2 :通过电脑上位机，选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航 点，按照航点离出发点的距离由近及远地通过无线网络发往智能手机；并在航点接受完毕 之后，由用户通过电脑上位机启动四旋翼开始航拍；
[0018] 步骤S3 :智能手机读取加速度计三个轴上的加速度值分别为：axb, ayb, azb，通过方 向余弦矩阵，估算出四旋翼的横滚角丫3和俯仰角Θ a;
[0019] 步骤S4 :智能手机读取磁强计三个轴上的磁力强度值分别为：mxb，myb，mzb，通过绕 X，y轴转动后的方向余弦矩阵，估算出四旋翼的航向角& ;
[0020] 步骤S5:智能手机将四旋翼的横滚角Ya和俯仰角Θ a与航向角队，组成全姿 态角A，見，代,；利用姿态角到四元数的转化关系，将该组全姿态角转化为全姿态角四元数 Qa(QaO，Qal，Qa2，Qa3);
[0021] 步骤S6 :智能手机读取陀螺仪三个轴上的角速度值分别为：ωχ，《y，ωζ，根据四 元数的微分方程，求解当前四元数Qco (qcoo, qul, qc〇2, ;
[0022] 步骤S7 :设计kalman滤波器将以上两组四元数Qa(qaCI, qal, qa2, qa3)与 Qm (qM〇, qui，q<^，qd进行融合，估算精确四元数％ι，qi，％，％，从而求解精确的姿态角 θ,γ,φ;
[0023] 步骤S8 :智能手机读取GPS与气压计数据，作为四旋翼当前的位置坐标x，y，ζ ;
[0024] 步骤S9 :在获取位置和姿态数据后，智能手机自行启动目标追踪任务：建立四旋 翼的动力学模型，在该模型的基础之上，设计BackStepping控制器，平滑的跟踪电脑上位 机输出的航点并控制四旋翼运动实现按指定路径航拍；
[0025] 步骤SlO :通过无线网络，下传航拍视屏到智能手机上。
[0026] 上述技术方案中，步骤S9中在建立四旋翼的动力学模型后，在模型的基础之上推 导BackStep