一种无线头部运动随动系统设计方法与流程

本发明涉及机电控制技术领域，具体涉及一种无线头部运动随动系统设计方法。

背景技术：

无人飞行器是一种由机上飞控计算机控制自主飞行或地面操控人员遥控飞行,携带多种设备,执行多种任务,并且能够重复使用的无人驾驶飞行器，也称为无人机。它具有成本低、机动性能好、应用广泛和续航时间长等优点。无人机最早用于军事领域，随着微电子技术、智能控制技术、传感技术、数字通信技术、虚拟现实技术等的发展，无人机的应用逐渐渗透到民用领域，代替人类进行信息的采集和监测任务。其中，地面操作控制更具有目标性和随意性，其研究也是目前的一个热点。

和航模FPV相似，地面操作的基本原理是在遥控航模或无人机上加装云台摄像头和图传设备，在地面看屏幕进行操控。它的特点是操控者可以身临其境的以飞机驾驶员的视角观察四周，操纵无人机，操作者头部的转动会被完全复现在飞机的摄像头上，给以各种飞行器为载体的具有云台的空中摄像系统中地面监控部分提供了一种新型监控方式，操控者只需转动头部就能轻松控制监控画面中核心内容的捕捉。

申请号为201510142383.0的发明公开了一种飞行员头盔随动演示仪，属于机电控制技术领域，包括：头盔，摄像头a和三轴陀螺仪模块，摄像头b，舵机，三自由度随动机构，单片机，三自由度机构拍摄软件界面和头盔拍摄软件界面；飞行员头部运动时，三轴陀螺仪模块测量出头部绕空间笛卡尔坐标系各轴的偏转角度，传输给单片机转换后，驱动三个舵机控制三自由度随动机构绕X轴，Y轴和Z轴做旋转运动，从而产生跟随动作；通过终端软件界面时时更新展示拍摄画面，对比得到的跟随效果。本发明的优点在于：用三轴陀螺仪可精确测量飞行员头部运动，在成本与性能之间取得平衡，结构简单，便于推广，既可用于理论研究，例如随动系统结构改进等，又可为实践教学提高硬件支持。

但是现有技术主要有以下两个方面的缺点：

1、现有技术对头部姿态的检测传感器检测板采用的是MMA7620，该传感器检测板是一款三向加速度传感器检测板，可以同时测量三个坐标轴的值，视频眼镜与交互装置控制部分如图1所示。但是在航模和无人机飞行监测过程中，姿态变化速度很快，三轴测量的精度远远达不到检测要求；

2、现有技术中采用的三向加速度传感器检测板存在着在短时间测量范围内误差较大的问题，但是没有提出相应的解决方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是提供一种无线头部运动随动系统设计方法，利用陀螺+地磁+加速度传感器的方法，以地面为参照物建立坐标系，灵活分析头部相对于地面的运动姿态。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种无线头部运动随动系统设计方法，包括如下步骤：

步骤一：飞机端设备上的摄像头首先采集无人机前方的图像信息和音频信息，并经过图传发射模块，以无线形式传送给用户头部设备；

步骤二：用户头部设备中的图传接收模块接收到无人机传输来的信号后，并输出到视频眼镜上，在视频眼镜将接收到的图像和声音信号呈现给操作者；

步骤三：操作者根据初始画面的位置，结合自身对图像的需求进行头部运动，用户头部设备上的传感器检测板板感应操作者头部运动姿态，利用九轴姿态检测模块采集信号并计算得到云台相应的角度，通过主控板进行信号处理和分析，并通过发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备；

步骤四：飞机端设备上的接收机接收用户头部设备中发射器发射来的控制信号，并通过内置的处理模块将头部运动姿态控制信号转换为控制云台舵机的控制角，输出到云台舵机，并驱动云台进行相应的运动，实现摄像头和操作者头部的随动运动；

步骤五：飞机端设备的摄像头将采集到的画面通过图传发射模块发送到操作者头部运动随动系统上，用户头部设备上的图传接收模块将图像反馈到视频眼镜中，这样操作者就可以看到自己想要看到的画面。

一种无线头部运动随动系统设计系统，包括用户头部设备和飞机端设备，所述用户头部设备包括视频眼镜、图传接收模块、主控板、发射器和传感器检测板，所述飞机端设备包括接收机、云台、图传发射模块和摄像头，所述摄像头、图传发射模块、图传接收模块和视频眼镜依次连接，所述传感器检测板、主控板、发射器、接收机和云台依次连接，所述摄像头设置在所述云台上。

进一步的，所述主控板包括单片机芯片。

进一步的，所述传感器检测板采用九轴姿态检测模块，该九轴姿态检测模块包括三轴陀螺仪、三轴数字加速度计和三轴磁阻传感器检测板。

进一步的，所述图传接收模块和图传发射模块采用欧姆威5.8GHz频率500MW图传套装。

进一步的，所述云台采用两轴云台，模拟人头的抬头和摇头两个方向的运动。

进一步的，所述发射器和接收机采用无线收发模块。

进一步的，所述用户头部设备在用户佩戴头追之后，传感器检测板测量用户头部运动姿态，通过主控板进行信号处理和分析，并通过发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备，图传接收模块把飞机端设备传过来的画面显示在视频眼镜上，所述飞机端设备的接收机接收发射器发射的控制信号，并驱动云台进行相应的运动，同时把摄像头的画面通过图传发射模块发送到用户头部设备的图传接收模块。

进一步的，所述主控板与所述传感器检测板之间设置磁场屏蔽板。

本发明采用MEMS惯性器件构成姿态检测系统，采用8位超低功耗AVR单片机ATmega328P组成的Arduino Nano作为主控板上的控制处理单元，传感器选用九轴姿态检测模块GY-85，它里面集成了三轴ITG3205陀螺仪、三轴ADXL345B数字加速度计和三轴HMC5883L磁阻传感器。整个系统由通过通信的加速度计芯片、陀螺仪芯片、磁力计芯片组成的传感器模块和微处理器模块组成。磁力计主要检测空间中的水平磁场来完成感应头部转动方向，以此实现累积误差。但是动态条件下的数据可靠性非常差，所以采用卡尔曼滤波算法可以实现检测数据的推算和融合，大幅度提高传感器对姿态测量的实时性和精准度。滤波开始之后，设定起始值，设置最佳增益矩阵并对更新进行估计，依次对协方阵误差进行多次修正，并将更新估计输出到最优估计输出和观测输入。

图传接收模块和图传发射模块采用欧姆威5.8GHz频率500MW图传套装，体积较小，功耗较低，不会对无人机的飞行造成影响。且通信通道较多，传输距离较远，采用大规模集成电路，可靠性高，集成微型风冷散热器，发热量小，工作效率高。发射器和接收机采用无线收发模块，可以采用JF24D，具有体积小传输速度高的优点。

云台使用的舵机采用国产9g舵机，价格便宜，力矩合适，重量轻，采用两轴云台就可以模拟人头的抬头和摇头两个方向的运动。这两个运动叠加起来，跟人头部正常所做的运动一致，因此能够准确的反映操作者头部的运动状态。

主控板与传感器检测板之间设置磁场屏蔽板，电磁屏蔽板可采用铝制或铁质的金属板，起到对磁场屏蔽的作用，磁力计是相当敏感的，即使附近有一个很小的电流，也会产生一定的磁场，从而对监测的准确性造成影响。电磁屏蔽板可采用双层，中间设置不导磁的中间板，防止磁短路的发生，通过该磁场屏蔽板可有效解决电磁影响的问题。

本发明的有益效果如下：

1.操作者可以通过佩戴该装置来实现对操作者头部运动姿态的分析，能精确分析操作者头部相对于地面的运动姿态，操作者可以通过佩戴头追装置实现操纵无人机或者航模的飞行和数据采集。

2.本发明操作方便，硬件结构简单，重量轻，价格低，操作员控制云台的难度也大大降低，能够有效降低用户在进行高强度、高精度监控任务时，还要分心操纵云台的负担，使其在执行精确跟踪任务时减少工作失误的发生。

3.本发明进行FPV娱乐时也会更加身临其境，由于摄像头拍摄的方向和动作始终与用户眼部动作一致，使操作者感觉自己就坐在飞机上拍摄，符合人的条件反射似的生理习惯，极大的提高了监控效果，使无人机能更好的完成各种娱乐监视任务。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1是本发明无线头部运动随动系统设计系统的系统结构图；

图2是本发明云台三维建模效果图；

图3是本发明程序流程图；

图4是本发明传感器调试上位机图；

图5是本发明实际测试飞行录像截图。

具体实施方式

下面结合图1至图5对本发明技术方案进一步展示，具体实施方式如下：

实施例一

本实施例提供了一种无线头部运动随动系统设计方法，包括如下步骤：

步骤一：飞机端设备上的摄像头首先采集无人机前方的图像信息和音频信息，并经过图传发射模块，以无线形式传送给用户头部设备；

步骤二：用户头部设备中的图传接收模块接收到无人机传输来的信号后，并输出到视频眼镜上，在视频眼镜将接收到的图像和声音信号呈现给操作者；

步骤三：操作者根据初始画面的位置，结合自身对图像的需求进行头部运动，用户头部设备上的传感器检测板板感应操作者头部运动姿态，利用九轴姿态检测模块采集信号并计算得到云台相应的角度，通过主控板进行信号处理和分析，并通过发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备；

步骤四：飞机端设备上的接收机接收用户头部设备中发射器发射来的控制信号，并通过内置的处理模块将头部运动姿态控制信号转换为控制云台舵机的控制角，输出到云台舵机，并驱动云台进行相应的运动，实现摄像头和操作者头部的随动运动；

步骤五：飞机端设备的摄像头将采集到的画面通过图传发射模块发送到操作者头部运动随动系统上，用户头部设备上的图传接收模块将图像反馈到视频眼镜中，这样操作者就可以看到自己想要看到的画面。

用户头部设备采用MEMS惯性器件构成姿态检测系统，采用8位超低功耗AVR单片机ATmega328P组成的Arduino Nano作为主控板上的控制处理单元，传感器选用九轴姿态检测模块GY-85，它里面集成了三轴ITG3205陀螺仪、三轴ADXL345B数字加速度计和三轴HMC5883L磁阻传感器。整个系统由通过通信的加速度计芯片、陀螺仪芯片、磁力计芯片组成的传感器模块和微处理器模块组成。主控板通过通信接口从传感器模块读取数据，利用卡尔曼滤波器对这些数据进行快速处理，计算出自身姿态。

当姿态检测部分检测出准确的头部姿态后，单片机将运动的变化转换成舵机的角度变化。舵机的角度信号是通过方波的高电平时间表示的，航模中常用的模拟舵机的控制信号是一个频率为50Hz方波信号，相对应的方波周期就是20ms，其中表示信号内容的高电平持续时间为1ms至2ms之间，相当于占空比为5~10%。本发明中云台采用两轴，将两路控制信号通过无线模块发射出去，也即将两路信号进行编码合成，通过一条信号线传送给发射模块。

实施例二

如图1至5所示：本实施例还提供了一种无线头部运动随动系统设计系统，包括用户头部设备和飞机端设备，所述用户头部设备包括视频眼镜、图传接收模块、主控板、发射器和传感器检测板，所述飞机端设备包括接收机、云台、图传发射模块和摄像头，所述摄像头、图传发射模块、图传接收模块和视频眼镜依次连接，所述传感器检测板、主控板、发射器、接收机和云台依次连接，所述摄像头设置在所述云台上。

所述主控板包括单片机芯片。

所述传感器检测板采用九轴姿态检测模块，该九轴姿态检测模块包括三轴陀螺仪、三轴数字加速度计和三轴磁阻传感器检测板。

所述图传接收模块和图传发射模块采用欧姆威5.8GHz频率500MW图传套装。

所述云台采用两轴云台，模拟人头的抬头和摇头两个方向的运动。

所述发射器和接收机采用无线收发模块。

所述用户头部设备在用户佩戴头追之后，传感器检测板测量用户头部运动姿态，通过主控板进行信号处理和分析，并通过发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备，图传接收模块把飞机端设备传过来的画面显示在视频眼镜上，所述飞机端设备的接收机接收发射器发射的控制信号，并驱动云台进行相应的运动，同时把摄像头的画面通过图传发射模块发送到用户头部设备的图传接收模块。

本发明总系统硬件连接方法如下：采用的Arduino Nano是Arduino 开发板系列产品中的微型版本，和其他产品对比来说其最大的不同在于：没有电源插座以直接是以Mini-B型插座进行供电；外形尺寸非常小，在面包板上使用起来很是方便；处理器ATmega328是Nano3.0版本的配置，该处理器具有的功能模块有：14路数字输入/输出口、其中6路可作为PWM输出、8路模拟输入、16MHz晶体振荡器、一个mini-B USB口、一个ICSP header、一个复位按钮。

主板和传感器的电路连接：主控板的A5管脚对应的SCL管脚，A4管脚对应的SDA管脚，为了尽量减小整个系统的体积，将主控板和GY-85对应的功能接口直接用排针焊接在一起。GND通过跳线和GY-85的GND接到对应位置。主控板与无线发射模块的连接只有三根线VCC、GND和PPM，供电的两根线接5V，通信信号要接在主控板的D9端。无线接收部分连接采用的接收模块能够输出四路舵机信号，接口是标准舵机接口，只用其中的第一通道和第二通道两路，按照标准接法将舵机接好，然后利用第三通道的电源和地给接收部分供电。

如图2所示：云台使用的舵机采用国产9g舵机，价格便宜，力矩合适，重量轻，采用两轴云台就可以模拟人头的抬头和摇头两个方向的运动。这两个运动叠加起来，跟人头部正常所做的运动一致，因此能够准确的反映操作者头部的运动状态。

如图3所示：本发明中的主程序负责与上位机的通信，对主控板的初始化，对各个关键变量的存储读取等；以Arduino的引脚设置开始，然后打开单片机功能的PWM中断，启动，获取保存在EEPROM的设置，初始化传感器，启动定时器中断后进入循环程序段利用按键状态判断是否进入暂停模式，利用串口和调参软件进行上下位机通信的程序，由于有很多参数需要通过图形界面显示、调整，包含通过串口通信配合调参软件校准磁场传感器的功能，然后保存所有有关的设置和参数到EEPROM，在每次上电使用时就能够直接读取。随后，通过逐个获取传感器的姿态数据，并将数据进行打包计算。通信包含写入函数和读出函数，根据三个传感器的不同地址进行处理，中间还需要考虑传感器校正时产生的偏置参数，最后能得到三个传感器分别测出的姿态信息，经过分别计算得出不同传感器判断出的角度信息。由于陀螺仪漂移随着工作时间延长更加严重，通过引入加速度计的数据进行分析来对其进行有效抑制，而负责感应头部转动方向的任务主要依靠磁力计检测空间中的水平磁场来完成。计算出结果后，编入数组进行下一步操作。

如图4所示：程序编写完成后可以利用传感器模块的上位机调参工具，首先观察传感器的输出波形，如果传感器静止时输出有震荡，则说明传感器被干扰，特别是磁力计很容易被干扰，使用时要远离发射电路及其它电子设备，避免周围的金属物品靠近。磁力计在使用前或受到稳定干扰时要进行校准，连接上位机校准时尽可能到空旷的室外去。调参工具还能对程序中的一些关键参数进行设置和调整，例如姿态与舵机运动角度的比例，舵机运动的大小范围等等，不仅能确保云台舵机消除机械误差，还能将运动特性调整的更接近头部习惯，让本设计工作的更完美、更协调。

当所有模块分析，设计和加工完成后进行测试。首先需要将头追连接电脑，将控制程序下载进单片机。操作无误后，打开调参软件并打开头追的串口，开始绘制头追的输出曲线。根据输出曲线，能够分析出头追检测出的姿态变化，每次按照一个轴的方向缓慢的转动模块，三次之后对头追的传感器数值进行分析，判断工作状态，有必要时还要对传感器进行校准，

如图5所示：本发明中所涉及的无线头部运动随动系统，以无人机为载体进行FPV娱乐测试。测试载机身长1.16米，翼展1.68米，最大起飞重量为2公斤。飞行测试场地为某市水上运动中心划船道北端，截图时飞行速度20Km/h，高度92m，坐标为北纬33.012237度，东经112.362057度，云台姿态为俯视20度。

实施例三

本实施例还提供了一种无线头部运动随动系统设计系统，与实施例二不同的是所述主控板与所述传感器检测板之间设置磁场屏蔽板。

电磁屏蔽板可采用铝制或铁质的金属板，起到对磁场屏蔽的作用，磁力计是相当敏感的，即使附近有一个很小的电流，也会产生一定的磁场，从而对监测的准确性造成影响。电磁屏蔽板可采用双层，中间设置不导磁的中间板，防止磁短路的发生，通过该磁场屏蔽板可有效解决电磁影响的问题，中间板可采用硬质塑料板。且采用双层结构能更好的吸收磁感线，减少内部磁场，提高了屏蔽性能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。