一种可进行手势识别操作的四轴飞行器与方法
【专利摘要】本发明公开了一种可进行手势识别操作的四轴飞行器与方法；其控制系统包括MCU主控单元、测距模块、姿态传感器模块、无线通信模块和电子调速器等；MCU主控单元将从姿态传感器模得到的反馈信息经过运算处理后发送给无线通信模块，该无线通信模块通过无线通信的方式将信息传递给无线操作系统的无线通信模块，从而使操控者通过操作平台实现对四轴飞行器的无线操控。本四轴飞行器结合了姿态传感器模块和测距模块，可实时检测四轴飞行器的横滚角、俯仰角、航向角和距离地面高度，即得到四轴飞行器的实时姿态和高度，从而通过这些数据配合控制算法实现四轴飞行器的稳定飞行。
【专利说明】
一种可进行手势识别操作的四轴飞行器与方法
技术领域
[0001]本发明涉及飞行器及其控制，尤其涉及一种可进行手势识别操作的四轴飞行器与方法。
【背景技术】
[0002]随着遥控无人飞行器技术的发展，目前各种飞行器技术大量出现，应用也日益广泛。然而，现有的四轴飞行器需要通过一个手持的遥控器进行飞行控制，它需要严重依赖于飞行操作人员的眼睛来观察四轴飞行器的飞行情况，十分依赖飞行操作人员的操作经验和操作技术，并需要不断操作遥控器来稳定四轴飞行器的飞行高度。该缺陷使得四轴飞行器难以在室内进行飞行，并且对飞行操作人员技巧要求过高，从而大大限制了对四轴飞行器的推广和应用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、布局合理、操控方便的可进行手势识别操作的四轴飞行器与方法。
[0004]本发明通过下述技术方案实现:
[0005]—种可进行手势识别操作的四轴飞行器，包括飞行器主体机架、无线操作系统、由飞行器主体机架搭载的控制系统，以及给控制系统供电的电源模块;所述控制系统包括MCU主控单元、测距模块、姿态传感器模块、无刷电机6、无线通信模块一和电子调速器;无线操作系统包括无线通讯模块二和操作平台；
[0006]所述MCU主控单元分别连接无线通信模块一、电子调速器、测距模块、姿态传感器模块;所述无刷电机分别连接电子调速器、姿态传感器模块、测距模块；
[0007]所述姿态传感器模块、测距模块和电子调速器分别与MCU主控单元实现单向有线通信;姿态传感器模块和测距模块将反馈信息传递给M⑶主控单元，M⑶主控单元又将指令信息传递给电子调速器，从而控制无刷电机的运动；
[0008]M⑶主控单元与无线通信模块一实现双向有线通信，该无线通信模块一又与无线操作系统上的无线通信模块二实现双向无线通信;MCU主控单元将从姿态传感器模得到的反馈信息经过运算处理后发送给无线通信模块一，该无线通信模块一通过无线通信的方式将信息传递给无线操作系统的无线通信模块二，从而使操控者通过操作平台实现对四轴飞行器的无线操控。
[0009]所述飞行器主体机架包括呈十字形分布在机身I侧的四个机械轴3、分别安装在四个机械轴3尾部的无刷电机6、安装在无刷电机6上的螺旋桨2、安装在机身I上方的天线板5、安装在机身I下方的用于搭载航拍系统的支架4。
[0010]所述机身I为架空结构;所述MCU主控单元和姿态传感器模块安装在机身I的上侧；电源模块安装在机身I架空结构内；测距模块安装在机身I的下侧;无线通信模块一安装在天线板5内。
[0011]所述四个机械轴3内部为空心结构，电子调速器安放在其内，并分别与尾端的无刷电机6电连接。
[0012]所述姿态传感器模块包括陀螺仪、加速度计和电子罗盘;陀螺仪、加速度计和电子罗盘集成于一块PCB电路板上。
[0013]所述测距模块包括超声波测距模块和气压计;超声波测距模块和气压计集成于一块PCB电路板上。
[0014]所述航拍系统包括航拍摄像头7，及用于将航拍摄像头7拍摄的数据传输给地面接收设备的无线图传模块。
[0015]所述电源模块包括电池及其电压监视模块，电池电压监视模块在电池电压不足时以发出声响的形式进行报警。
[0016]所述操作平台包括个人电脑、OPENCV系统和上位机操作系统;个人电脑自带摄像头。
[0017]上述可进行手势识别操作的四轴飞行器的控制方法如下:通过姿态传感器模块获取四轴飞行器的实时姿态，并通过测距模块获取四轴飞行器与地面的实时距离，通过无线通信模块一和无线通信模块二实现四轴飞行器与个人电脑的双向通信，通过OPENCV系统和上位机操作系统对操控者手势指令进行分析并将指令传送至无线通信模块一和无线通信模块二，从而在MCU主控单元的调度处理下实现四轴飞行器的稳定飞行和使用者的手势识别操作。
[0018]本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果:
[0019]I)本发明结合了姿态传感器模块和测距模块，可实时检测四轴飞行器的横滚角、俯仰角、航向角和距离地面高度，即得到四轴飞行器的实时姿态和高度，从而通过这些数据配合控制算法实现四轴飞行器的稳定飞行。
[0020]2)本发明结合了无线通信模块，可实现四轴飞行器与电脑操作平台的无线通信。
[0021]3)本发明结合了无线图传模块，可实现四轴飞行器周边的图像的实时传输。
[0022]4)本发明结合了包括个人电脑、OPENCV系统和上位机操作系统的操作平台，实现通过使用手势指令控制四轴飞行器飞行的功能，简化了四轴飞行器的操作，也使四轴飞行器的操作的趣味性大大增强，显著地提高了四轴飞行器操作的用户体验。
[0023]5)本发明可实现自主悬浮模式和手势指令控制模式两种不同的运行模式，可根据实际需要进行模式切换。
【附图说明】
[0024]图1为本发明可进行手势识别操作的四轴飞行器的控制系统示意图。
[0025]图2为本发明可进行手势识别操作的四轴飞行器的立体结构示意图。
[0026]图3为图2局部不意图一。
[0027]图4为图2局部示意图二。
[0028]图5为图2局部示意图三。
【具体实施方式】
[0029]下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0030]实施例
[0031]如图1至5所示。本发明公开了一种可进行手势识别操作的四轴飞行器，包括飞行器主体机架、无线操作系统、由飞行器主体机架搭载的控制系统，以及给控制系统供电的电源模块;所述控制系统包括MCU主控单元、测距模块、姿态传感器模块、无刷电机6、无线通信模块一和电子调速器;无线操作系统包括无线通讯模块二和操作平台；MCU主控单元的MCU芯片型号为stm32f407。
[0032]所述MCU主控单元分别连接无线通信模块一、电子调速器、测距模块、姿态传感器模块;所述无刷电机分别连接电子调速器、姿态传感器模块、测距模块；
[0033]所述姿态传感器模块、测距模块和电子调速器分别与MCU主控单元实现单向有线通信;姿态传感器模块和测距模块将反馈信息传递给M⑶主控单元，M⑶主控单元又将指令信息传递给电子调速器，从而控制无刷电机的运动；
[0034]M⑶主控单元与无线通信模块一实现双向有线通信，该无线通信模块一又与无线操作系统上的无线通信模块二实现双向无线通信;MCU主控单元将从姿态传感器模得到的反馈信息经过运算处理后发送给无线通信模块一，该无线通信模块一通过无线通信的方式将信息传递给无线操作系统的无线通信模块二，从而使操控者通过操作平台实现对四轴飞行器的无线操控。
[0035]所述飞行器主体机架包括呈十字形分布在机身I侧的四个机械轴3、分别安装在四个机械轴3尾部的无刷电机6、安装在无刷电机6上的螺旋桨2、安装在机身I上方的天线板5、安装在机身I下方的用于搭载航拍系统的支架4。
[0036]所述机身I为架空结构;所述MCU主控单元和姿态传感器模块安装在机身I的上侧；电源模块安装在机身I架空结构内；测距模块安装在机身I的下侧;无线通信模块一安装在天线板5内。机身I采用碳纤材质。
[0037]所述四个机械轴3内部为空心结构，电子调速器安放在其内，并分别与尾端的无刷电机6电连接。
[0038]所述姿态传感器模块包括陀螺仪、加速度计和电子罗盘;陀螺仪、加速度计和电子罗盘集成于一块PCB电路板上。电子罗盘BMP180;陀螺仪和加速度计型号为MPU6050。
[0039]所述测距模块包括超声波测距模块和气压计;超声波测距模块和气压计集成于一块PCB电路板上。超声波测距模块型号为US-100;气压计型号为MS5611。
[0040]所述航拍系统包括航拍摄像头7，及用于将航拍摄像头7拍摄的数据传输给地面接收设备的无线图传模块。
[0041]所述电源模块包括电池及其电压监视模块，电池电压监视模块在电池电压不足时以发出声响的形式进行报警。
[0042]所述操作平台包括个人电脑、OPENCV系统和上位机操作系统;个人电脑自带摄像头。
[0043]本发明四轴飞行器，根据其运动的自主程度，分为自主悬浮模式和手势指令控制模式。使用者可以通过上位机操作系统自主选择四轴飞行器的模式。
[0044]自主悬浮模式:四轴飞行器通过姿态传感器模块和测距模块得到实时的俯仰角、横滚角、偏航角和高度信息，通过对这些信息进行运算处理，得到一定的指令信息，从而控制四轴飞行器的飞行参数的稳定，从而实现自主悬浮。与此同时，四轴飞行器会将实时的姿态和高度信息传递到上位机操作软件上，同时将实时拍摄到的图像传递到上位机操作软件上，方便使用者观察四轴飞行器的周边环境。
[0045]手势指令控制模式:四轴飞行器被赋予“调整高度”、“调整航向角”、“向指定方向飞行”等指令，同时上位机操作系统上具备多个经过OPENCV平台的手势识别方法，可识别多个不同的手势。通过上位机操作系统，使用者可以将该手势与对应的指令配对，从而通过该手势，即可通过无线通信模块使飞行中的四轴飞行器得到对应的指令，四轴飞行器就会执行该指令。
[0046]因此，通过操控者的手势，就可以操作四轴飞行器完成所需飞行动作。与此同时，四轴飞行器会将实时的姿态和高度信息传递到上位机操作系统上，同时将实时拍摄到的图像传递到上位机操作系统上，方便使用者观察四轴飞行器的周边环境。此外，操控者可以通过上位机操作系统修改手势与指令的配对，也可以通过OPENCV系统新增新的手势指令。
[0047]如上所述，便可较好地实现本发明。
[0048]本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种可进行手势识别操作的四轴飞行器，包括飞行器主体机架、无线操作系统、由飞行器主体机架搭载的控制系统，以及给控制系统供电的电源模块;其特征在于:所述控制系统包括MCU主控单元、测距模块、姿态传感器模块、无刷电机(6)、无线通信模块一和电子调速器;无线操作系统包括无线通讯模块二和操作平台； 所述MCU主控单元分别连接无线通信模块一、电子调速器、测距模块、姿态传感器模块；所述无刷电机分别连接电子调速器、姿态传感器模块、测距模块； 所述姿态传感器模块、测距模块和电子调速器分别与MCU主控单元实现单向有线通信；姿态传感器模块和测距模块将反馈信息传递给M⑶主控单元，MCU主控单元又将指令信息传递给电子调速器，从而控制无刷电机的运动； M⑶主控单元与无线通信模块一实现双向有线通信，该无线通信模块一又与无线操作系统上的无线通信模块二实现双向无线通信;MCU主控单元将从姿态传感器模得到的反馈信息经过运算处理后发送给无线通信模块一，该无线通信模块一通过无线通信的方式将信息传递给无线操作系统的无线通信模块二，从而使操控者通过操作平台实现对四轴飞行器的无线操控。2.根据权利要求1所述可进行手势识别操作的四轴飞行器，其特征在于:所述飞行器主体机架包括呈十字形分布在机身(I)侧的四个机械轴(3)、分别安装在四个机械轴(3)尾部的无刷电机(6)、安装在无刷电机(6)上的螺旋桨(2)、安装在机身(I)上方的天线板(5)、安装在机身(I)下方的用于搭载航拍系统的支架(4)。3.根据权利要求2所述可进行手势识别操作的四轴飞行器，其特征在于:所述机身(I)为架空结构； 所述MCU主控单元和姿态传感器模块安装在机身(I)的上侧； 电源模块安装在机身(I)架空结构内； 测距模块安装在机身(I)的下侧； 无线通信模块一安装在天线板(5)内。4.根据权利要求2所述可进行手势识别操作的四轴飞行器，其特征在于:所述四个机械轴(3)内部为空心结构，电子调速器安放在其内，并分别与尾端的无刷电机(6)电连接。5.根据权利要求2所述可进行手势识别操作的四轴飞行器，其特征在于:所述姿态传感器模块包括陀螺仪、加速度计和电子罗盘;陀螺仪、加速度计和电子罗盘集成于一块PCB电路板上。6.根据权利要求2所述可进行手势识别操作的四轴飞行器，其特征在于:所述测距模块包括超声波测距模块和气压计;超声波测距模块和气压计集成于一块PCB电路板上。7.根据权利要求2所述可进行手势识别操作的四轴飞行器，其特征在于:所述航拍系统包括航拍摄像头(7)，及用于将航拍摄像头(7)拍摄的数据传输给地面接收设备的无线图传丰旲块。8.根据权利要求2所述可进行手势识别操作的四轴飞行器，其特征在于:所述电源模块包括电池及其电压监视模块，电池电压监视模块在电池电压不足时以发出声响的形式进行报警。9.根据权利要求2所述可进行手势识别操作的四轴飞行器，其特征在于:所述操作平台包括个人电脑、OPENCV系统和上位机操作系统;个人电脑自带摄像头。10.权利要求1至9中任一项所述可进行手势识别操作的四轴飞行器的控制方法，其特征在于:通过姿态传感器模块获取四轴飞行器的实时姿态，并通过测距模块获取四轴飞行器与地面的实时距离，通过无线通信模块一和无线通信模块二实现四轴飞行器与个人电脑的双向通信，通过OPENCV系统和上位机操作系统对操控者手势指令进行分析并将指令传送至无线通信模块一和无线通信模块二，从而在M⑶主控单元的调度处理下实现四轴飞行器的稳定飞行和使用者的手势识别操作。
【文档编号】G05D1/08GK106054911SQ201610583570
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月22日 公开号201610583570.7, CN 106054911 A, CN 106054911A, CN 201610583570, CN-A-106054911, CN106054911 A, CN106054911A, CN201610583570, CN201610583570.7
【发明人】张东, 卢欢鹏, 魏伟和, 罗佩瑶, 邓嘉明, 唐英杰, 王桂鸿, 周梓鹏
【申请人】华南理工大学