本发明属于多旋翼飞行器飞行与控制领域，具体的说是一种使四旋翼飞行器具有手势控制及自主避障的四旋翼飞行器的拓展装置及其控制方法。
背景技术：
四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最常见的一种飞行器，其采用十字形交叉结构分布四个螺旋桨，采用对角相对的螺旋桨转向相同，相邻螺旋桨转向相反的飞行方式，平衡旋翼对机身的反扭矩，故其飞行稳定，非常适合在静态或准静态飞行状态下飞行。相对于直升机，其稳定性好，灵活性好，但控制系统复杂。相对于固定翼飞行器，其具有适应环境能力强，可多种姿态飞行，如悬停、前飞、側飞和倒飞等。
近年来，随着传感器、驱动器、处理器及能源供给等技术方面有了突破的发展，四旋翼飞行的开发和研制也掀起了热潮，市面上出现了多种较为成熟的飞控系统板，都能对飞行器进行稳定的姿态控制，正是由于其技术的成熟，任何人只需配以电机、电调、机架及遥控等配件，即可利用许多现成飞控系统板进行四旋翼的组装和控制，使得四旋翼飞行器进入寻常百姓家。其已被广泛运用到勘测、航拍、货物运输等领域。
但是，虽然现有飞控系统可以实现对四旋翼飞行器姿态的稳定控制，其操作复杂性仍不可避免，且由人为控制出现的四旋翼失控撞上障碍物导致坠机引起的安全性问题一直是限制四旋翼发展的主要因素。为了解决飞行器的操控问题，著名的飞行器研发及制造公司大疆公司推出了可自主避障的四旋翼飞行器，其利用机身前部脚架上安置的两个摄像头，通过其捕捉到的画面，利用计算机处理后，预知前方的障碍物，并计算出相应路径。另一无人机研发及制造公司零度智控公司推出的探索者2代则采用的是360°旋转雷达测距。在无人机顶部安装有一个快速旋转的探头，不断发射电波扫描周围的障碍物。这两种方式避障都对飞行器操控性和可靠性有了很大的提高。但是，这两种技术均对飞行器控制芯片有很高的性能要求，成本高，未能从根本提高四旋翼操控的难度问题，且其集成于其成品飞行器，不具备在其他飞行器上推广的条件。
技术实现要素：
本发明的目的是针对市场现有开源四旋翼飞行器操控性不高，安全性不足的缺点，设计的一种使现有开源四旋翼飞行器具有手势控制及避障功能的四旋翼智能拓展装置。
本发明采用的技术方案实现上述目的。一种四旋翼智能拓展装置，包括飞行器、控制装置和手势识别装置，所述飞行器包括机架，机架由垂直交叉呈十字形的架杆构成且中心固定有安装板，机架架杆的外段连接有电机安装架，电机安装架的上面固定有电机，下面连接有起落架，电机的机轴装有桨叶，所述控制装置包括控制电路板和超声波模块，安装板装有控制电路板，机架架杆的端头装有超声波模块；
所述控制电路板由电源模块ⅱ、协处理器模块ⅱ、无线传输模块ⅱ和sd卡模块构成，且与超声波模块连通；电源模块ⅱ通过电源线分别与协处理器模块ⅱ、无线传输模块ⅱ和sd卡模块相连；无线传输模块ⅱ通过spi接口和协处理器模块ⅱ相连；sd卡模块通过sdio接口和协处理器模块ⅱ相连；超声波模块通过数据线和控制电路板连接；
所述手势识别装置由电源模块ⅰ、协处理器模块ⅰ、姿态传感器模块ⅰ和无线传输模块ⅰ构成；电源模块i通过电源线分别与协处理器模块i、姿态传感器模块i和无线传输模块i连接；
所述手势识别装置与所述控制装置信号连接；
所述电源模块i用于手势识别装置上设置的各模块供电；所述电源模块ⅱ用于控制电路板上设置的各模块供电；所述协处理器模块i和所述协处理器模块ⅱ负责对采集的数据进行处理运算；所述无线传输模块i和所述无线传输模块ⅱ负责控制电路板和手势识别装置间的无线通讯；所述sd卡模块负责储存飞行产生的各种数据；所述姿态传感器模块负责对手部的动作进行采集。
一种四旋翼智能拓展装置的控制方法，其控制过程如下：开机启动后，先进行是否开启手势控制的判断，若识别到开启了手势识别装置，则由手势识别装置进行手势识别并计算出控制量；若未开启手势识别装置，则直接使用遥控器计算控制量，再由超声波模块进行超声波测距判断障碍物距离，然后由协处理器模块ⅱ进行控制量和距离量的融合，最后将融合后的控制量输入飞行系统进行飞控系统控制，如此不断循环，完成手势控制并且避障的功能。
本发明采用上述装置，将其安装到任何现成的开源四旋翼飞行器中，使四旋翼具有手势控制及自动避障功能。协处理器模块采用遥控器接收机接口与原有飞控系统相连，无需为有飞控系统增加额外接口；采用飞控系统通用接受的遥控信号作为研究信号，使该拓展模块对不同飞控系统具有很强的兼容性，具有通用性；采用手势控制作为飞行器的控制方式，使飞行器操控性大大提高；采用加装协处理器的方式进行拓展，为后续如自动降落等拓展功能提供了可能性。可适用于大部分四旋翼飞行器。
附图说明
图1是本发明结构的俯视图；
图2是本发明结构的侧视图；
图3是本发明四旋翼智能拓展装置的控制系统框图；
图4是本发明中电源模块的电路图；
图5是本发明中的工作流程图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图5，一种四旋翼智能拓展装置，包括飞行器100、控制装置200和手势识别装置300，所述飞行器100包括机架1，机架1由垂直交叉呈十字形的架杆构成且中心固定有安装板3，机架1架杆的外段连接有电机安装架2，电机安装架2的上面固定有电机7，下面连接有起落架8，电机7的机轴装有桨叶4，所述控制装置200包括控制电路板5和超声波模块6，安装板3上装有控制电路板5，机架1架杆的端头装有超声波模块6；
所述控制电路板5由电源模块ⅱ501、协处理器模块ⅱ502、无线传输模块ⅱ503和sd卡模块504构成，且与超声波模块6联通；电源模块ⅱ501通过电源线分别与协处理器模块ⅱ502、无线传输模块ⅱ503和sd卡模块504相连；无线传输模块ⅱ503通过spi接口和协处理器模块ⅱ502相连；sd卡模块504通过sdio接口和协处理器模块ⅱ502相连；超声波模块6通过数据线和控制电路板5连接；
所述手势识别装置300由电源模块ⅰ301、协处理器模块ⅰ302、姿态传感器模块ⅰ303和无线传输模块ⅰ304构成；电源模块i301通过电源线分别与协处理器模块i302、姿态传感器模块i303和无线传输模块i304连接；
所述手势识别装置300与所述控制装置200信号连接；
所述电源模块i301用于手势识别装置300上设置的各模块供电；所述电源模块ⅱ501用于控制电路板5上设置的各模块供电；所述协处理器模块i302和所述协处理器模块ⅱ503负责对采集的数据进行处理运算；所述无线传输模块i304和所述无线传输模块ⅱ503负责控制电路板和手势识别装置间的无线通讯；所述sd卡模块504负责储存飞行产生的各种数据；所述姿态传感器模块303负责对手部的动作进行采集。
一种四旋翼智能拓展装置的控制方法（如图5所示），其控制过程如下：开机启动401后，先进行是否开启手势控制的判断402，若识别到开启了手势识别装置300，则由手势识别装置300进行手势识别并计算出控制量403；若未开启手势识别装置300，则直接使用遥控器计算控制量407，再由超声波模块6进行超声波测距404判断障碍物距离，然后由协处理器模块ⅱ502进行控制量和距离量的融合405，最后将融合后的控制量输入飞行系统进行飞控系统控制406，如此不断循环，完成手势控制并且避障的功能。
实施例：本发明具体的实施方式如下：
四旋翼智能拓展装置构成框图如图3所示，由控制装置200和手势识别装置300构成，控制装置200用于飞行器飞行的控制，手势识别装置300用于人体手部动作的识别。
手势识别装置300包括了电源模块i301、协处理器模块i302、姿态传感器模块303和无线传输模块i304。各模块功能如下：
电源模块i301（如图4所示）采用开关电源芯片aoz1282将电池电压稳压为直流5v电源，再将稳压后的5v直流电源用于输入mic5219稳压芯片，转换出3.3v的直流电源。3.3v直流电源通过电源线用于协处理模块i302、姿态传感模块303、无线传输模块i304供电。本电源模块的特征在于其采用了开关电源稳压芯片稳压，其能将航模电池的2s电池（7.2伏特）到6s电池（20伏特）的电压均转换为5v的直流电源，解决了一般线性稳压芯片难以对所有类型的航模电池兼容的问题，无论其接入电池vcc_2s-6s(附图5)为何种类型的航模电池，其输出电压均为0.8*（1+r2/r3），即为5v，同时其转换效率较线性稳压芯片提高了许多，可达到80%以上，十分适用于飞行器携带电源有限的情况。
姿态传感器模块303采用六轴传感芯片mpu6050，其具有三轴陀螺仪和三轴加速度计，足以用于对手部倾斜、旋转等手势进行识别，其可输出手部动作在xyz三个方向的线性加速度值和角速度值供协处理模块i302处理。
协处理器模块i302采用的是意法半导体公司的stm32f103zet6系列芯片，其具有72m的内部时钟频率和强大的外设，满足数据处理的需求。其通过ⅱc接口与姿态传感器模块303相连，其将采集到的手部动作的的角加速度值进行积分运算，再和线性加速度值进行卡尔曼数据滤波进行融合，得出手部在xyz三个方向的旋转角度，最后将数据传输给无线传输模块i304。
无线传输模块i304采用的是2.4g无线传输芯片nrf24l01，通过2.4g信号与同样型号的芯片进行通讯。通过spi接口和协处理器模块i302进行相连，其主要配置在于发送状态。在接收到了协处理器模块i302发出的手部角度信息后，通过无线信号传输的方式将数据发送给指定的地址。
四旋翼的控制装置200包括：超声波模块6和控制电路板5，控制电路板5则由电源模块ⅱ501、协处理器模块ⅱ502、无线传输模块ⅱ503和sd卡模块504组成，其功能如下：
电源模块ⅱ501采用于电源模块i301相同的设计（如图4所示），通过将电池电压稳压成5v直流电源和3.3v直流电源。其5v电源用于向超声波模块6供电；其3.3v电源用于向协处理器模块ⅱ502、无线传输模块ⅱ503和sd卡模块504供电。
超声波模块6（型号us100），通过串行接口与协处理器模块ⅱ502相连，利用声波遇到障碍物会反射的原理，来探测障碍物的距离，最大探测距离可达4米，且自带温度补偿电路，满足飞行中的障碍物探测需求。在探测到障碍物时，超声波模块6通过串行接口向协处理器模块ⅱ502输出障碍物的距离信息。在飞行器前后左右各安装一个超声波模块6，超声波模块6安装于与机杆末端（如图2所示），用于探测飞行器四个方向的障碍物。
sd卡模块504用于飞行过程中飞行数据的存储。
无线传输模块503采用2.4g的nrf24l01无线传输芯片，配置为接受模式，并且配置有与无线传输模块i304相同的地址，以接收到无线传输模块i304发送的手部动作的信息，然后通过spi接口传输给协处理器模块ⅱ502进行处理。
协处理器模块ⅱ502采用意法半导体公司的stm32f130zet6系列芯片，该芯片具有72m的主频和强大的外设，满足飞行器控制的需求。其接收无线传输模块ⅱ503传输过来的手部动作信息和遥控器的信号，同时和超声波模块6的障碍物信息相融合，进行计算后，得出飞行器的控制量，并且通过stm32f103zet6芯片自带的定时器芯片输出pwm的电机控制信号。输入到飞控系统内进行飞行器的控制。