专利名称：一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及视频监控、图像处理领域，具体涉及一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统。
背景技术：
随着摄像头制作成本的降低，摄像头应用越来越广泛。为了增大摄像头可视角度， 很多应用中均采用了云台实现对摄像头上下左右运动的控制。而目前摄像头云台操作大部分采用手动摇杆的方式，即通过摇杆来控制云台的运动，虽能实现基本运动控制功能，但操作灵活性相对较低，尤其对于机器人或航模上用到的FPV装置。
发明内容
本发明的目的是为云台摄像头的操作者提供一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统，通过配戴安装有体感检测传感器的视频眼镜，实现对云台的运动跟随控制，增加虚拟现实的沉浸感，给操作者带来视频、声音和运动的三维一体式操作体验。本发明采用如下的技术方案
一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统，包括视频显示与交互装置和随动视觉装置。视频显示与交互装置包括无线影音传输接收模块、视频眼镜显示模块、头部姿态检测传感器模块、控制器和通信模块。随动视觉装置包括具有音频采集功能的摄像头、无线影音传输发射模块、舵机云台装置、通信模块和控制器。视频显示与交互装置中，姿态检测传感器模块放置在视频眼镜内部，通过模式选择引脚连接至控制器I/O端口，姿态检测传感器模块的水平方向和垂直方向的电压输出连接至控制器I/O端口，电源电路输出端连接至控制器的电源端口，通信模块的输入端连接至控制器的通信端口，信号指示灯连接至控制器的通用端口。随动视觉装置中，水平舵机和垂直舵机分别连至云台控制器的两个接口，电源电路输出端连接至云台控制器的电源端口，通信模块的输入端连接至云台控制器的通信端口，信号指示灯连接至云台控制器的通用端口。本发明系统由摄像头采集实时的图像和声音信息，并输出模拟信号，模拟信号经过传输模块传输到视频眼镜显示模块，操作者即可通过视频眼镜观察到摄像头正前方的视野并可听到现场声音，其中传输模块采用无线或有线传输模块。头部姿态检测模块中的控制器将检测到的运动数据解析成对云台的位置控制指令，并通过通信模块将位置指令传输给云台控制模块，云台控制模块对云台进行控制，从而实现摄像头对人头部姿态的跟踪运动，即实现了摄像头与头部组成的二维随动系统，其中的通信模块可以是无线或有线方式。本发明系统工作流程如下
步骤一摄像头采集其正前方的图像信息，同时摄像头内置麦克采集周围的声音信息， 图像和声音信号经无线影音传输发射模块，以无线形式发送出去；步骤二无线影音传输接收模块接收到无线影音信号后，输出至视频眼镜，视频眼镜实时的将接收到的影音信号呈现给操作者；
步骤三安装在视频眼镜上的头部姿态检测传感器检测操作者的水平和垂直姿态，并以电压信号的形式输出；
步骤四视频显示与交互装置的控制器通过其内置的AD转换模块采集由头部姿态检测传感器输出的电压信号，并将其换算成云台舵机的控制指令，通过通信模块将控制指令数据包发送给随动视觉装置；
首先初始化控制器内部各功能模块，包括时钟、GPIO、AD、SPI等模块，然后初始化通信模块，进入循环状态，检测姿态检测传感器输出的电压信号，并根据公式1计算舵机控制 PWM信号在一个周期内的高电平时间，将计算得到的水平舵机和垂直舵机的时间组成的数组，作为云台的控制指令，通过通信模块将控制指令发送给云台控制装置，如果接收到应答信号，则进入新一轮循环，否则继续发送控制指令，直到接收到应答信号。Y=O. 606X+0. 5公式 1
其中，Y为舵机控制PWM信号在一个周期内的高电平时间，X为采集的MMA7620输出的电压值。AD转换的参考电压为3. 3V。步骤五随动视觉装置通过通信模块接收由视频显示交互装置发送的数据包，解析出云台的控制指令，根据控制指令控制云台执行相应的动作，从而实现摄像头对人头部的跟随运动。首先初始化控制器内部各功能模块，包括时钟、GPI0、AD、SPI等模块，然后初始化通信模块，进入命令接收等待状态，当接收到舵机的控制指令后，判断舵机控制PWM信号的高电平时间是否在0. 5ms 2. 5ms范围内，如果在其范围内，则控制舵机执行相应的控制动作，并发送应答控制信号(0x55)；如果接收到的控制指令的数据不在0. 5ms 2. 5ms范围内，则放弃该数据，并继续接收，直到接收到正确的控制指令。有益效果本发明提供了一种体感交互操作方式，操作者通过配戴一种特殊的视频眼镜装置，可实现摄像头对操作者头部的运动跟踪。该装置不仅实现了摄像头的视觉和麦克的声音复制给了操作者，而且实现了操作者就像利用头部运动控制自己眼睛视野一样控制摄像头的视野，就像操作者身临摄像头位置一样，使操纵者具有更好的“第一人称视角”，尤其适合遥控机器人视觉系统和航模的FPV视觉系统。
图1是本发明的系统结构图2是本发明实施例的视频显示与交互装置控制部分框图； 图3是本发明实施例的随动视觉装置控制部分的框图； 图4是本发明实施例LED指示灯电路和电源电路图； 图5是本发明实施例无线通信模块的接口电路图； 图6是本发明实施例头部姿态检测模块MMA7620电路图； 图7是本发明实施例舵机控制接口电路图；图8是本发明实施例姿态检测装置软件流程图； 图9是本发明实施例云台控制装置软件流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统，包括视频显示与交互装置和随动视觉装置。视频显示与交互装置包括无线影音传输接收模块、视频眼镜显示模块、头部姿态检测传感器模块、控制器和通信模块。随动视觉装置包括具有音频采集功能的摄像头、无线影音传输发射模块、舵机云台装置、通信模块和控制器。系统结构如图1所示。摄像头采集图像和声音，传输给发射模块，发射模块将影音传输给接收模块，接收模块再将信号传输给视频眼镜，从而使操作者能够感受到声音和图像信息。当操作者头部姿态发生变化时，姿态检测装置将变化的信息解析成位置控制命令，通过通信模块对云台进行控制，实现摄像头跟随人的头部运动。视频显示与交互装置控制部分随动视觉装置控制部分的框图分别如图2和图3所示。本发明系统控制器选用STM32或STC89C52RC，本例中选用STM32F103控制器，视频显示与交互装置中，姿态检测传感器采用了型号为MMA7620的MEMS倾角传感器，检测操作者的头部姿态，系统的通信模块可为有线通信模块或无线通信模块，本例中采用RF24L01 无线传输模块。姿态检测传感器检测操作者头部二维姿态数据，传输给STM32F103控制器， 控制器根据经验映射公式，解析出云台的位置控制指令，通过通信模块传输给云台控制器， 控制器及姿态检测传感器由电源模块提供3. 3V电源，并通过工作指示灯指示不同的工作状态。舵机云台装置选用舵机型号MD933，摄像头采用SONY的520线C⑶摄像头，摄像头内置声音采集模块，能够采集其周围的声音信息，并同视频信号一起通过无线影音传输发射模块将信号传输给无线影音传输接收模块，视频眼镜能够显示图像，并可播放声音，从而呈现给操作者。无线影音传输模块选用柏通1. 2G 800MW无线影音传输发射器，视频眼镜显示模块选用睿器X-MEN72视频眼镜。随动视觉装置中，控制器STM32F103通过无线通信模块RF24L01接收来自头部姿态检测装置的控制指令，根据控制指令，控制云台的水平舵机和垂直舵机，实现摄像头对操作者头部运动的跟随，其中控制器由电源模块提供3. 3V电源，并通过工作指示灯指示不同的工作状态，舵机电源直接由4节1. 5V五号电池提供。LED指示灯电路和电源电路如图4所示，其中的P3为电源输入接口，通过 LMl 117-3. 3稳压芯片，输出3. 3V稳定的直流电压。LED2为电源工作指示灯。RF24L01无线通信模块的接口电路如图5所示，MMA7620姿态检测传感器电路原理图如图6所示，MMA7620姿态检测传感器模块放置在视频眼镜内部，与人脸朝向水平垂直。 其中GU G2、SLEEP MODE为模式选择引脚，分别连接控制器的PCU PC2、PC3引脚。ADl和 AD2分别为水平方向和垂直方向的电压输出信号，分别连接控制器的PA6和PA7引脚。舵机的连接电路如图7所示，水平舵机Servol连接控制器PAO接口，垂直舵机 Servo2连接处理器PAl接口。本发明系统工作流程如下
步骤一摄像头采集其正前方的图像信息，同时摄像头内置麦克采集周围的声音信息，图像和声音信号经无线影音传输发射模块，以无线形式发送出去；
步骤二无线影音传输接收模块接收到无线影音信号后，输出至视频眼镜，视频眼镜实时的将接收到的影音信号呈现给操作者；
步骤三安装在视频眼镜上的头部姿态检测传感器将检测操作者的水平和垂直姿态， 并以电压信号的形式输出；
步骤四视频显示与交互装置的控制器通过其内置的AD转换模块采集由头部姿态检测传感器输出的电压信号，并将其换算成云台舵机的控制指令，通过通信模块将控制指令数据包发送给随动视觉装置；
如图8所示，首先初始化控制器内部各功能模块，包括时钟、GPI0、AD、SPI等模块，然后初始化通信模块，进入循环状态，检测姿态检测传感器输出的电压信号，并根据公式1计算舵机控制PWM信号在一个周期内的高电平时间，将计算得到的水平舵机和垂直舵机的时间组成的数组，作为云台的控制指令，通过通信模块将控制指令发送给云台控制装置，如果接收到应答信号，则进入新一轮循环，否则继续发送控制指令，直到接收到应答信号。Y=O. 606X+0. 5公式 1
其中，Y为舵机控制PWM信号在一个周期内的高电平时间，X为采集的MMA7620输出的电压值。AD转换的参考电压为3. 3V。步骤五随动视觉装置通过通信模块接收由视频显示交互装置发送的数据包，解析出云台的控制指令，根据控制指令控制云台执行相应的动作，从而实现摄像头对人头部的跟随运动。如图9所示，首先初始化控制器内部各功能模块，包括时钟、GPI0、AD、SPI等模块， 然后初始化通信模块，进入命令接收等待状态，当接收到舵机的控制指令后，判断舵机控制 PWM信号的高电平时间是否在0. 5ms 2. 5ms范围内，如果在其范围内，则控制舵机执行相应的控制动作，并发送应答控制信号(0x55)；如果接收到的控制指令的数据不在0. 5ms 2. 5ms范围内，则放弃该数据，并继续接收，直到接收到正确的控制指令。
权利要求
1.一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统，其特征在于包括视频显示与交互装置和随动视觉装置，视频显示与交互装置包括无线影音传输接收模块、视频眼镜显示模块、 头部姿态检测传感器模块、控制器和通信模块；随动视觉装置包括具有音频采集功能的摄像头、无线影音传输发射模块、舵机云台装置、通信模块和控制器；所述视频显示与交互装置中，姿态检测传感器模块放置在视频眼镜内部，并通过模式选择引脚连接至控制器I/O端口，姿态检测传感器模块的水平方向和垂直方向的电压输出连接至控制器I/O端口，电源电路输出端连接至控制器的电源端口，通信模块的输入端连接至控制器的通信端口，信号指示灯连接至控制器的通用端口 ；随动视觉装置中，水平舵机和垂直舵机分别连至云台控制器的两个接口，电源电路输出端连接至云台控制器的电源端口，通信模块的输入端连接至云台控制器的通信端口，信号指示灯连接至云台控制器的通用端口。
2.根据权利要求1所述的基于头部姿态控制的远程视觉系统，其特征在于系统工作流程如下步骤一摄像头采集其正前方的图像信息，同时摄像头内置麦克采集周围的声音信息， 图像和声音信号经无线影音传输发射模块，以无线形式发送出去；步骤二无线影音传输接收模块接收到无线影音信号后，输出至视频眼镜，视频眼镜实时的将接收到的影音信号呈现给操作者；步骤三安装在视频眼镜上的头部姿态检测传感器检测操作者的水平和垂直姿态，并以电压信号的形式输出；步骤四视频显示与交互装置的控制器通过其内置的AD转换模块采集由头部姿态检测传感器输出的电压信号，并将其换算成云台舵机的控制指令，通过通信模块将控制指令数据包发送给随动视觉装置；首先初始化控制器内部各功能模块，包括时钟、GPIO、AD、SPI等模块，然后初始化通信模块，进入循环状态，检测姿态检测传感器输出的电压信号，并根据公式1计算舵机控制 PWM信号在一个周期内的高电平时间，将计算得到的水平舵机和垂直舵机的时间组成的数组，作为云台的控制指令，通过通信模块将控制指令发送给云台控制装置，如果接收到应答信号，则进入新一轮循环，否则继续发送控制指令，直到接收到应答信号，Y=O. 606X+0. 5公式 1其中，Y为舵机控制PWM信号在一个周期内的高电平时间，X为采集的姿态检测传感器输出的电压值，AD转换的参考电压为3. 3V；步骤五随动视觉装置通过通信模块接收由视频显示交互装置发送的数据包，解析出云台的控制指令，根据控制指令控制云台执行相应的动作，从而实现摄像头对人头部的跟随运动；首先初始化控制器内部各功能模块，包括时钟、GPI0、AD、SPI等模块，然后初始化通信模块，进入命令接收等待状态，当接收到舵机的控制指令后，判断舵机控制PWM信号的高电平时间是否在0. 5ms 2. 5ms范围内，如果在其范围内，则控制舵机执行相应的控制动作， 并发送应答控制信号；如果接收到的控制指令的数据不在0. 5ms 2. 5ms范围内，则放弃该数据，并继续接收，直到接收到正确的控制指令。
全文摘要
本发明提供一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统，包括视频显示与交互装置和随动视觉装置，视频显示与交互装置包括无线影音传输接收模块、视频眼镜显示模块、头部姿态检测传感器模块、控制器和通信模块；随动视觉装置包括具有音频采集功能的摄像头、无线影音传输发射模块、舵机云台装置、通信模块和控制器。系统采用体感交互操作方式，通过配戴安装有体感检测传感器的视频眼镜，实现了摄像头的视觉和麦克的声音复制给了操作者，而且实现了操作者就像利用头部运动控制自己眼睛视野一样控制摄像头的视野，实现对云台的运动跟随控制，增加虚拟现实的沉浸感，给操作者带来视频、声音和运动的三维一体式操作体验。
文档编号H04N5/232GK102348068SQ201110222250
公开日2012年2月8日 申请日期2011年8月3日 优先权日2011年8月3日
发明者吴成东, 吴昊, 夏志佳, 张云洲, 腾贺, 韩泉城 申请人:东北大学