ping控制率，并求解四旋翼运动到下一个航点所需各电机转速；其中，
[0027] 建立的四旋翼的动力学模型如下：
[0028]
【主权项】
1. 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： 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； 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； 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； 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。
2. -种采用权利要求1所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： 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； 智能手机采用BackStepping路径跟踪算法，平滑的跟踪电脑上位机输出的航点； 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。
3. 根据权利要求2所述的指定路径航拍方法，其特征在于：具体包括如下步骤： 步骤Si:智能手机初始化、驱动1?块初始化； 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； 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; 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A ; 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％,，组成全姿态 角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); 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，uy，ωζ，根据四元数 的微分方程，求解当前四元数Qco (qcoo, qul, qc〇2, ; 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·, 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 ; 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； 步骤SlO :通过无线网络，下传航拍视屏到智能手机上。
4.根据权利要求3所述的指定路径航拍方法，其特征在于：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BackStepping控制率，并求解四旋翼运动到下一个 航点所需各电机转速；其中， 建立的四旋翼的动力学模型如下：
式中，ω i (i = 1，2, 3, 4)为四个旋翼的角速度；Jx，Jy，上为四旋翼分别单独绕机体系三 坐标轴转动的转动惯量；分别为四旋翼的航向角，俯仰角与横滚角；b，d分别为旋翼 拉力系数与扭矩力系数；1，m分别为四旋翼的半轴长与总质量； 四旋翼在受到的合外力不为0的情况下，会沿着合外力的方向运动，在四旋翼的动力 学模型的基础上，将这个合运动分解到4个方向：上下U1、前后U2、左右U3、偏航U 4:
然后，根据BackSt印ping算法推导四旋翼沿导航坐标系三轴运动到达航拍路径目标 位置需要沿各方向运动的控制律； 之后，将需要的各方向的运动控制率转换成4个旋翼驱动电机的转速，将此转速输出 给4个旋翼驱动电机，驱动四旋翼往指定目标位置前进，最终完成指定路径航拍。
【专利摘要】本发明涉及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，智能手机固定在四旋翼飞行器的机架上；通过地面电脑上位机，选取待航拍路径上的若干具有代表性的航点，按照航点离出发点的远近顺序发往智能手机；采用BackStepping路径跟踪算法，平滑的跟踪电脑上位机输出的航点；利用智能手机自带的高清摄像头，采集指定路径上的图像信息，并通过3G无线网络实时下传航拍视频到电脑上位机，实现四旋翼按照指定路径航拍。
【IPC分类】H04M1-725, B64D47-00
【公开号】CN104648685
【申请号】CN201510076773
【发明人】吴怀宇, 滕雄, 钟锐, 陈洋, 余辉, 陈鹏震
【申请人】武汉科技大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月12日