一種基于卡爾曼濾波和ppm編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)，包括用戶頭部設(shè)備和飛機(jī)端設(shè)備，所述用戶頭部設(shè)備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發(fā)射器和傳感器板，所述飛機(jī)端設(shè)備包括接收機(jī)、云臺(tái)、圖傳發(fā)射和攝像頭。本發(fā)明采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠更加精確分析無人機(jī)姿態(tài)。采用相應(yīng)的卡爾曼濾波融合算法，解決了三向加速度計(jì)測量時(shí)誤差較大的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下物體姿態(tài)的正確檢測。采用的PPM編碼技術(shù)，和目前市場銷售的使用PPM通信的無線模塊能夠相互兼容，通用性較強(qiáng)，能夠?qū)⒂?jì)算出的兩通道舵機(jī)信號(hào)采用PPM編碼傳遞給發(fā)射模塊。
【專利說明】
一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及視頻監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線 頭追設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空模型運(yùn)動(dòng)是運(yùn)用航空知識(shí)，動(dòng)手制作模型飛機(jī)并用各種不同方式操縱飛機(jī)飛 行的運(yùn)動(dòng)，它不僅能培養(yǎng)人們對(duì)航空事業(yè)的興趣、普及航空知識(shí)和技術(shù)、培養(yǎng)航空人才，還 能發(fā)展青少年智力、增進(jìn)人們身體健康。隨著科技的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航模產(chǎn)品的價(jià) 格不斷降低，操作手法也越來越簡便，愛好航模的人群也不斷壯大，航模的玩法也花樣繁 多，其中體驗(yàn)最真實(shí)、最震憾的要數(shù)FPV了。FPV意為第一人稱視角，全稱是First Person View。它是一種在遙控航模上加裝云臺(tái)攝像頭和圖傳設(shè)備，在地面看屏幕操控模型的新玩 法。這種玩法的特點(diǎn)在于玩家可以身臨其境的以飛機(jī)駕駛員的視角觀察四周，操縱你的模 型飛機(jī)翱翔天空，操作者頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)被完全復(fù)現(xiàn)在飛機(jī)的攝像頭上。
[0003] 除此之外，F(xiàn)PV還可以擴(kuò)展到無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視工作上，給以各種飛行器為載體的具 有云臺(tái)的空中攝像系統(tǒng)中地面監(jiān)控部分提供了一種新型監(jiān)控方式，監(jiān)控人員只需轉(zhuǎn)動(dòng)頭部 就能輕松控制監(jiān)控畫面中核心內(nèi)容的捕捉，非常適合應(yīng)用在無人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)。
[0004] 但是現(xiàn)有技術(shù)中主要有以下兩個(gè)方面的缺點(diǎn)： 1、 現(xiàn)有技術(shù)對(duì)頭部姿態(tài)的檢測傳感器采用的是MMA7620，該傳感器是一款三向加速度 傳感器，可以同時(shí)測量三個(gè)坐標(biāo)軸的值，視頻眼鏡與交互裝置控制部分如圖1所示。但是在 航模和無人機(jī)飛行監(jiān)測過程中，姿態(tài)變化速度很快，三軸測量的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到檢測要求； 2、 現(xiàn)有技術(shù)中采用的三向加速度傳感器存在著在短時(shí)間測量范圍內(nèi)誤差較大的問題， 但是沒有提出相應(yīng)的解決方案。
[0005] 申請?zhí)枮?01110222250.6的發(fā)明提供一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動(dòng)遠(yuǎn)程視覺系 統(tǒng)，包括視頻顯示與交互裝置和隨動(dòng)視覺裝置，視頻顯示與交互裝置包括無線影音傳輸接 收模塊、視頻眼鏡顯示模塊、頭部姿態(tài)檢測傳感器模塊、控制器和通信模塊;隨動(dòng)視覺裝置 包括具有音頻采集功能的攝像頭、無線影音傳輸發(fā)射模塊、舵機(jī)云臺(tái)裝置、通信模塊和控制 器。系統(tǒng)采用體感交互操作方式，通過配戴安裝有體感檢測傳感器的視頻眼鏡，實(shí)現(xiàn)了攝像 頭的視覺和麥克的聲音復(fù)制給了操作者，而且實(shí)現(xiàn)了操作者就像利用頭部運(yùn)動(dòng)控制自己眼 睛視野一樣控制攝像頭的視野，實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)跟隨控制，增加虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感，給操 作者帶來視頻、聲音和運(yùn)動(dòng)的三維一體式操作體驗(yàn)。但是該發(fā)明采用MMA7620傳感器，精度 較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的問題是提供一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方 法，采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠更加精確分析 無人機(jī)姿態(tài)，且采用卡爾曼濾波融合算法，解決了三向加速度計(jì)測量時(shí)誤差較大的問題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為： 一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟： 步驟一:飛機(jī)端設(shè)備上的攝像頭首先采集無人機(jī)或航模前方的圖像信息和音頻信息， 并經(jīng)過圖傳發(fā)射，以無線形式傳送給用戶頭部設(shè)備； 步驟二：用戶頭部設(shè)備中的圖傳接收接收到無人機(jī)傳輸來的圖像信息和音頻信息后， 將信號(hào)輸出到視頻眼鏡上，視頻眼鏡將接收到的圖像和聲音信號(hào)呈現(xiàn)給操作者； 步驟三:操作者根據(jù)無人機(jī)或航模發(fā)送回來的初始畫面，結(jié)合檢測需求進(jìn)行頭部運(yùn)動(dòng)， 用戶頭部設(shè)備上的九軸姿態(tài)檢測模塊感應(yīng)操作者頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)； 步驟四：用戶頭部設(shè)備上的主控板通過i2g通信接口從九軸姿態(tài)檢測模塊讀取數(shù)據(jù)， 然后利用卡爾曼濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波； 步驟五:卡爾曼濾波結(jié)束后得到的角度就是頭部的姿態(tài)測量結(jié)果，并通過主控板進(jìn)行 信號(hào)處理和分析，即對(duì)姿態(tài)測量結(jié)果進(jìn)行PPM編碼； 步驟六:PPM編碼結(jié)束，用戶頭部設(shè)備上的發(fā)射器將頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制信號(hào)發(fā)射到飛機(jī) 端設(shè)備； 步驟七:飛機(jī)端設(shè)備上的接收機(jī)接收用戶頭部設(shè)備中發(fā)射器發(fā)射來的控制信號(hào)，通過 內(nèi)置的處理模塊將頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制云臺(tái)舵機(jī)的控制角，輸出到云臺(tái)舵 機(jī)，并驅(qū)動(dòng)云臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攝像頭和操作者頭部的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)； 步驟八:飛機(jī)端設(shè)備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發(fā)射發(fā)送到操作者頭部運(yùn)動(dòng)隨 動(dòng)系統(tǒng)上，用戶頭部設(shè)備上的圖傳接收將圖像反饋到視頻眼鏡中，這樣操作者就可以看到 自己想要看到的畫面。
[0008] 進(jìn)一步的，所述步驟三中，主控板通過I2G通信接口逐個(gè)獲取九軸姿態(tài)檢測模塊 的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括頭部姿態(tài)角速度、加速度和磁偏角的三個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)打包存入數(shù) 組開始計(jì)算，I 2G通信的寫入函數(shù)和讀出函數(shù)根據(jù)三個(gè)傳感器的不同地址進(jìn)行處理，同時(shí) 考慮傳感器校正時(shí)產(chǎn)生的偏置參數(shù)，最后得到三個(gè)傳感器分別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別 計(jì)算得出不同傳感器判斷出的角度信息，姿態(tài)檢測結(jié)束。
[0009] 進(jìn)一步的，所述步驟四中，卡爾曼濾波為首先設(shè)置一個(gè)起始值和最佳增益矩陣，并 進(jìn)行更新估計(jì)，得到最優(yōu)估計(jì)輸出、觀測輸入和修正誤差協(xié)方陣，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)再次進(jìn)行 修正直到得到期望的結(jié)果位置，濾波結(jié)束。
[0010] 進(jìn)一步的，所述步驟五中，PPM編碼開始時(shí)先進(jìn)行中斷初始化，然后PPM置高開始計(jì) 時(shí)，再將PPM置低，當(dāng)定時(shí)器時(shí)間達(dá)到云臺(tái)舵機(jī)1值，PPM置高再次開始計(jì)時(shí)，再將PPM置低，當(dāng) 定時(shí)器時(shí)間達(dá)到云臺(tái)舵機(jī)2值，PPM編碼結(jié)束，PPM置高并再次置低，并等待下一個(gè)周期的到 來。
[0011] -種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，包括用戶頭部設(shè)備和飛機(jī)端設(shè) 備，所述用戶頭部設(shè)備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發(fā)射器和傳感器板，所述飛機(jī)端設(shè) 備包括接收機(jī)、云臺(tái)、圖傳發(fā)射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳發(fā)射、圖傳接收和視頻眼鏡依次 連接，所述傳感器、主控板、發(fā)射器、接收機(jī)和云臺(tái)依次連接，所述攝像頭設(shè)置在所述云臺(tái) 上。
[0012] 進(jìn)一步的，所述主控板包括單片機(jī)芯片。
[0013] 進(jìn)一步的，所述傳感器板采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該九軸姿態(tài)檢測模塊包括三軸 陀螺儀、三軸數(shù)字加速度計(jì)和三軸磁阻傳感器。
[0014]進(jìn)一步的，所述圖傳接收和圖傳發(fā)射采用歐姆威5.8GHz頻率500MW圖傳套裝。
[0015]進(jìn)一步的，所述云臺(tái)采用兩軸云臺(tái)，模擬人頭的抬頭和搖頭兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。
[0016] 進(jìn)一步的，所述發(fā)射器和接收機(jī)采用無線收發(fā)模塊。
[0017] 進(jìn)一步的，所述用戶頭部設(shè)備在用戶佩戴頭追之后，傳感器板測量用戶頭部運(yùn)動(dòng) 姿態(tài)，通過主控板進(jìn)行信號(hào)處理和分析，并通過發(fā)射器將頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制信號(hào)發(fā)射到飛 機(jī)端設(shè)備，圖傳接收把飛機(jī)端設(shè)備傳過來的畫面顯示在視頻眼鏡上，所述飛機(jī)端設(shè)備的接 收機(jī)接收發(fā)射器發(fā)射的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)云臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)把攝像頭的畫面通過 圖傳發(fā)射發(fā)送到用戶頭部設(shè)備的圖傳接收。
[0018] 本發(fā)明采用MEMS慣性器件構(gòu)成姿態(tài)檢測系統(tǒng)，采用8位超低功耗AVR單片機(jī) ATmega328P組成的Arduino Nano作為主控板上的控制處理單元，傳感器選用九軸姿態(tài)檢測 模塊GY-85,它里面集成了三軸ITG3205陀螺儀、三軸ADXL345B數(shù)字加速度計(jì)和三軸 HMC5883L磁阻傳感器。整個(gè)系統(tǒng)由通過通信的加速度計(jì)芯片、陀螺儀芯片、磁力計(jì)芯片 組成的傳感器模塊和微處理器模塊組成。主控板通過I 2G通信接口從傳感器模塊讀取數(shù) 據(jù)，利用卡爾曼濾波器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，計(jì)算出自身姿態(tài)。
[0019] 姿態(tài)檢測程序主要通過i2g逐個(gè)獲取GY_85傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括角速度、加速 度和磁偏角的測量，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包存入數(shù)組開始計(jì)算。通信包含寫入函數(shù)和讀出函數(shù)， 根據(jù)三個(gè)傳感器的不同地址進(jìn)行處理，中間需要考慮傳感器校正時(shí)產(chǎn)生的偏置參數(shù)，最后 能得到三個(gè)傳感器分別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別計(jì)算得出不同傳感器判斷出的角度信 息。
[0020] 針對(duì)加速度計(jì)在測量過程中出現(xiàn)的短時(shí)間測量范圍內(nèi)誤差較大的問題，可以通過 九軸姿態(tài)檢測模塊GY-85內(nèi)置的陀螺儀來進(jìn)行有效抑制。磁力計(jì)主要檢測空間中的水平磁 場來完成感應(yīng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以此實(shí)現(xiàn)累積誤差。但是動(dòng)態(tài)條件下的數(shù)據(jù)可靠性非常差，所 以采用卡爾曼濾波算法可以實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的推算和融合，大幅度提高傳感器對(duì)姿態(tài)測量的 實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度。濾波開始之后，設(shè)定起始值，設(shè)置最佳增益矩陣并對(duì)更新進(jìn)行估計(jì)，依次 對(duì)協(xié)方陣誤差進(jìn)行多次修正，并將更新估計(jì)輸出到最優(yōu)估計(jì)輸出和觀測輸入。在計(jì)算出結(jié) 果后，編入數(shù)組進(jìn)行下一步操作。
[0021] 本發(fā)明中采用的PPM編碼技術(shù)是無線通信方式中的比例遙控器編碼方式。遙控器 的的兩個(gè)搖桿內(nèi)部連接著四個(gè)電位器，搖桿的運(yùn)動(dòng)會(huì)直接帶動(dòng)電位器一起旋轉(zhuǎn)，引起輸出 信號(hào)線電壓的改變，將變化信息送入遙控器內(nèi)部的單片機(jī)中進(jìn)行編碼，通道的信息會(huì)轉(zhuǎn)換 成一組脈沖編碼信號(hào)，再經(jīng)過遙控器上高頻頭部分的高頻調(diào)制電路調(diào)制后，最后通過功放 電路從天線發(fā)射出去。
[0022] 當(dāng)姿態(tài)檢測部分檢測出準(zhǔn)確的頭部姿態(tài)后，單片機(jī)將運(yùn)動(dòng)的變化轉(zhuǎn)換成舵機(jī)的角 度變化。舵機(jī)的角度信號(hào)是通過方波的高電平時(shí)間表示的，航模中常用的模擬舵機(jī)的控制 信號(hào)是一個(gè)頻率為50Hz方波信號(hào)，相對(duì)應(yīng)的方波周期就是20ms，其中表示信號(hào)內(nèi)容的高電 平持續(xù)時(shí)間為lms至2ms之間，相當(dāng)于占空比為5~10%。本發(fā)明中云臺(tái)采用兩軸，將兩路控制 信號(hào)通過無線模塊發(fā)射出去，也即將兩路信號(hào)進(jìn)行編碼合成，通過一條信號(hào)線傳送給發(fā)射 模塊。國際上常用的比例遙控器編碼方式PPM，即脈沖位置調(diào)制或脈位調(diào)制，它采用一個(gè)方 波信號(hào)的時(shí)間寬度來表達(dá)一個(gè)比例通道舵量的大小。兼容性更強(qiáng)的不帶保密的PPM編碼方 式適用于各個(gè)遙控器廠家設(shè)置的獨(dú)特的編碼方式，工作流程如圖6所示。
[0023]本發(fā)明還提供了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，主控板主要采 用單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的控制。傳感器采用的是九軸姿態(tài)檢測模塊GY-85,該傳感器集成了三軸 陀螺儀ITG3205、三軸數(shù)字加速度計(jì)ADXL345B和三軸磁阻傳感器HMC5883L，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體 姿態(tài)的完美檢測。攝像頭采用的是索尼700線3S供電攝像頭模塊，圖傳發(fā)射采用歐姆威 5.8GHz頻率500MW圖傳套裝。攝像頭輸出的信號(hào)是AV模擬信號(hào)，并將AV信號(hào)傳遞給圖傳。圖 傳接收將攝像頭輸出的模擬信號(hào)加載在無線電波上發(fā)射出去。圖傳接收采用歐姆威5.8GHz 頻率，接受3S供電，輸出AV模擬信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給視頻眼鏡，視頻眼鏡采用直流供電。云 臺(tái)采用的是兩軸云臺(tái)，只模擬人頭的抬頭和搖頭兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加起來，跟 人的頭部正常所做的運(yùn)動(dòng)基本一致。
[0024] 本發(fā)明采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠 更加精確分析無人機(jī)姿態(tài)。采用相應(yīng)的卡爾曼濾波融合算法，解決了三向加速度計(jì)測量時(shí) 誤差較大的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下物體姿態(tài)的正確檢測。采用的PPM編碼技 術(shù)，和目前市場銷售的使用PPM通信的無線模塊能夠相互兼容，通用性較強(qiáng)，能夠?qū)⒂?jì)算出 的兩通道舵機(jī)信號(hào)采用PPM編碼傳遞給發(fā)射模塊。
【附圖說明】
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述： 圖1是本發(fā)明基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明姿態(tài)檢測部分整體架構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明本發(fā)明中姿態(tài)檢測流程圖； 圖4是本發(fā)明中卡爾曼濾波軟件流程圖； 圖5是本發(fā)明中的PPM編碼流程圖； 圖6是本發(fā)明中的傳感器輸出曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合圖1至圖6對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)一步展示，【具體實(shí)施方式】如下： 實(shí)施例一 本實(shí)施例提供了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟： 步驟一:飛機(jī)端設(shè)備上的攝像頭首先采集無人機(jī)或航模前方的圖像信息和音頻信息， 并經(jīng)過圖傳發(fā)射，以無線形式傳送給用戶頭部設(shè)備； 步驟二：用戶頭部設(shè)備中的圖傳接收接收到無人機(jī)傳輸來的圖像信息和音頻信息后， 輸出到視頻眼鏡上，在視頻眼鏡將接收到的圖像和聲音信號(hào)呈現(xiàn)給操作者； 步驟三:操作者根據(jù)無人機(jī)或航模發(fā)送回來的初始畫面，結(jié)合檢測需求進(jìn)行頭部運(yùn)動(dòng)， 用戶頭部設(shè)備上的九軸姿態(tài)檢測模塊感應(yīng)操作者頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，主控板通過I2G通信接口 逐個(gè)獲取九軸姿態(tài)檢測模塊的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括頭部姿態(tài)角速度、加速度和磁偏角的三個(gè)數(shù) 據(jù)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)打包存入數(shù)組開始計(jì)算，I 2G通信的寫入函數(shù)和讀出函數(shù)根據(jù)三個(gè)傳感 器的不同地址進(jìn)行處理，同時(shí)考慮傳感器校正時(shí)產(chǎn)生的偏置參數(shù)，最后得到三個(gè)傳感器分 別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別計(jì)算得出不同傳感器判斷出的角度信息，姿態(tài)檢測結(jié)束； 步驟四：用戶頭部設(shè)備上的主控板通過I 2g通信接口從九軸姿態(tài)檢測模塊讀取數(shù)據(jù)后 利用卡爾曼濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，卡爾曼濾波為首先設(shè)置一個(gè)起始值和最佳增益矩陣， 并進(jìn)行更新估計(jì)，得到最優(yōu)估計(jì)輸出、觀測輸入和修正誤差協(xié)方陣，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)再次進(jìn) 行修正直到得到期望的結(jié)果位置，濾波結(jié)束； 步驟五:卡爾曼濾波結(jié)束后得到的角度就是頭部的姿態(tài)測量結(jié)果，并通過主控板進(jìn)行 信號(hào)處理和分析，即對(duì)姿態(tài)測量結(jié)果進(jìn)行PPM編碼，PPM編碼開始時(shí)先進(jìn)行中斷初始化，然后 PPM置高開始計(jì)時(shí)，再將PPM置低，當(dāng)定時(shí)器時(shí)間達(dá)到云臺(tái)舵機(jī)1值，PPM置高再次開始計(jì)時(shí)， 再將PPM置低，當(dāng)定時(shí)器時(shí)間達(dá)到云臺(tái)舵機(jī)2值，PPM編碼結(jié)束，PPM置高并再次置低，并等待 下一個(gè)周期的到來； 步驟六:PPM編碼結(jié)束，用戶頭部設(shè)備上的發(fā)射器將頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制信號(hào)發(fā)射到飛機(jī) 端設(shè)備； 步驟七:飛機(jī)端設(shè)備上的接收機(jī)接收用戶頭部設(shè)備中發(fā)射器發(fā)射來的控制信號(hào)，通過 內(nèi)置的處理模塊將頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制云臺(tái)舵機(jī)的控制角，輸出到云臺(tái)舵 機(jī)，并驅(qū)動(dòng)云臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攝像頭和操作者頭部的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)； 步驟八:飛機(jī)端設(shè)備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發(fā)射發(fā)送到操作者頭部運(yùn)動(dòng)隨 動(dòng)系統(tǒng)上，用戶頭部設(shè)備上的圖傳接收將圖像反饋到視頻眼鏡中，這樣操作者就可以看到 自己想要看到的畫面。
[0027] 如圖2所示:該發(fā)明采用MEMS慣性器件構(gòu)成姿態(tài)檢測系統(tǒng)，采用8位超低功耗AVR單 片機(jī)ATmega328P組成的Arduino Nano作為主控板上的控制處理單元，傳感器選用九軸姿態(tài) 檢測模塊GY-85,它里面集成了三軸ITG3205陀螺儀、三軸ADXL345B數(shù)字加速度計(jì)和三軸 HMC5883L磁阻傳感器。整個(gè)系統(tǒng)由通過12^通信的加速度計(jì)芯片、陀螺儀芯片、磁力計(jì)芯片 組成的傳感器模塊和微處理器模塊組成。主控板通過I 2G通信接口從傳感器模塊讀取數(shù) 據(jù)，利用卡爾曼濾波器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，計(jì)算出自身姿態(tài)。
[0028] 如圖3所示:姿態(tài)檢測程序主要通過逐個(gè)獲取GY-85傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括 角速度、加速度和磁偏角的測量，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包存入數(shù)組開始計(jì)算。通信包含寫入函數(shù) 和讀出函數(shù)，根據(jù)三個(gè)傳感器的不同地址進(jìn)行處理，中間需要考慮傳感器校正時(shí)產(chǎn)生的偏 置參數(shù)，最后能得到三個(gè)傳感器分別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別計(jì)算得出不同傳感器判斷 出的角度信息。
[0029] 如圖4所示:針對(duì)加速度計(jì)在測量過程中出現(xiàn)的短時(shí)間測量范圍內(nèi)誤差較大的問 題，可以通過九軸姿態(tài)檢測模塊GY-85內(nèi)置的陀螺儀來進(jìn)行有效抑制。磁力計(jì)主要檢測空間 中的水平磁場來完成感應(yīng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以此實(shí)現(xiàn)累積誤差。但是動(dòng)態(tài)條件下的數(shù)據(jù)可靠 性非常差，所以采用卡爾曼濾波算法可以實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的推算和融合，大幅度提高傳感器 對(duì)姿態(tài)測量的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度。濾波開始之后，設(shè)定起始值，設(shè)置最佳增益矩陣并對(duì)更新進(jìn) 行估計(jì)，依次對(duì)協(xié)方陣誤差進(jìn)行多次修正，并將更新估計(jì)輸出到最優(yōu)估計(jì)輸出和觀測輸入。 在計(jì)算出結(jié)果后，編入數(shù)組進(jìn)行下一步操作。
[0030] 本發(fā)明中采用的PPM編碼技術(shù)是無線通信方式中的比例遙控器編碼方式。遙控器 的的兩個(gè)搖桿內(nèi)部連接著四個(gè)電位器，搖桿的運(yùn)動(dòng)會(huì)直接帶動(dòng)電位器一起旋轉(zhuǎn)，引起輸出 信號(hào)線電壓的改變，將變化信息送入遙控器內(nèi)部的單片機(jī)中進(jìn)行編碼，通道的信息會(huì)轉(zhuǎn)換 成一組脈沖編碼信號(hào)，再經(jīng)過遙控器上高頻頭部分的高頻調(diào)制電路調(diào)制后，最后通過功放 電路從天線發(fā)射出去。
[0031]如圖5所示：當(dāng)姿態(tài)檢測部分檢測出準(zhǔn)確的頭部姿態(tài)后，單片機(jī)將運(yùn)動(dòng)的變化轉(zhuǎn)換 成舵機(jī)的角度變化。舵機(jī)的角度信號(hào)是通過方波的高電平時(shí)間表示的，航模中常用的模擬 舵機(jī)的控制信號(hào)是一個(gè)頻率為50Hz方波信號(hào)，相對(duì)應(yīng)的方波周期就是20ms，其中表示信號(hào) 內(nèi)容的高電平持續(xù)時(shí)間為lms至2ms之間，相當(dāng)于占空比為5~10%。本發(fā)明中云臺(tái)采用兩軸， 將兩路控制信號(hào)通過無線模塊發(fā)射出去，也即將兩路信號(hào)進(jìn)行編碼合成，通過一條信號(hào)線 傳送給發(fā)射模塊。國際上常用的比例遙控器編碼方式PPM，即脈沖位置調(diào)制或脈位調(diào)制，它 采用一個(gè)方波信號(hào)的時(shí)間寬度來表達(dá)一個(gè)比例通道舵量的大小。兼容性更強(qiáng)的不帶保密的 PPM編碼方式適用于各個(gè)遙控器廠家設(shè)置的獨(dú)特的編碼方式。
[0032] 實(shí)施例二 本實(shí)施例還提供了基于卡爾曼濾波器的姿態(tài)角推測算法，如下所示： 加速度計(jì)在靜態(tài)條件下測得的重力分量，根據(jù)式(1)和(2)可以計(jì)算出載體人頭部的滾 動(dòng)角和俯仰角：
當(dāng)滾動(dòng)角和俯仰角計(jì)算出來后，利用式(3)將磁阻傳感器的測量值做一次變換：
根據(jù)式(4)，利用變換后的磁阻傳感器的數(shù)據(jù)，便可以解算出偏航角：
(4) 但是在動(dòng)態(tài)條件下，其自身具有未知的加速運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)，這時(shí)，加速度計(jì)肯定受到非重 力加速度影響，倘若依舊按照上式解算姿態(tài)角，結(jié)果與真實(shí)值之間一定會(huì)有較大偏差。不過 陀螺對(duì)自身的振動(dòng)和加速運(yùn)動(dòng)并不敏感，為了解算出更為準(zhǔn)確的自身姿態(tài)角，在此增加了 一個(gè)卡爾曼濾波的算法，利用三個(gè)傳感器的綜合數(shù)據(jù)共同估計(jì)出一個(gè)更為準(zhǔn)確的姿態(tài)。從 傳感器自身的性能同時(shí)盡可能使?fàn)顟B(tài)空間模型變簡化的方向考慮，將單軸方向上的姿態(tài)角 和陀螺儀對(duì)應(yīng)該軸的漂移量組成一個(gè)二維向量，作為狀態(tài)變量選取的對(duì)象：
(5)
把由式（1)-式(4)解算出的結(jié)果當(dāng)作卡爾曼濾波器的觀測數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)的狀態(tài)方程如 下： (6) ' , v ^ ^ ^ (7) 再將這些狀態(tài)方程離散化，可得：
(8) (9) 令
式中：dt為系統(tǒng)的采樣周期，dotangle是指陀螺儀在采樣間隔內(nèi)輸出的角度值。
[0033]建立好系統(tǒng)的狀態(tài)模型以后，卡爾曼濾波器通過下面的公式，不停地循環(huán)迭代可 以得到。
濾波器初值的設(shè)置可以按照$=0,? = 可以取相對(duì)比較大的值。
[0035] 最后進(jìn)行試驗(yàn)。打開Arduino IDE，點(diǎn)擊工具-> 開發(fā)板，并且選擇"Arduino Nano"，然后點(diǎn)擊此項(xiàng)下面的處理器，選擇"Atmega328"，再點(diǎn)擊tools->Serial port-〉選擇 Arduino控制板的端口號(hào)，將程序編譯再下載進(jìn)去。操作無誤后，打開調(diào)參軟件并打開頭追 的串口，選擇"Start plot"功能，開始繪制頭追的輸出曲線。根據(jù)輸出曲線，能夠分析出頭 追檢測出的姿態(tài)變化。
[0036]如圖6所示：晃動(dòng)頭追，可以得到三個(gè)軸輸出的信號(hào)曲線，可以發(fā)現(xiàn)傳感器工作正 常，反應(yīng)很靈敏，跟隨很快，信號(hào)抖動(dòng)也不嚴(yán)重，采用的卡爾曼濾波算法起到了明顯的良好 作用，PPM通信良好。
[0037] 實(shí)施例三 如圖1和圖2所示:本實(shí)施例還提供了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)， 包括用戶頭部設(shè)備和飛機(jī)端設(shè)備，所述用戶頭部設(shè)備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發(fā) 射器和傳感器板，所述飛機(jī)端設(shè)備包括接收機(jī)、云臺(tái)、圖傳發(fā)射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳 發(fā)射、圖傳接收和視頻眼鏡依次連接，所述傳感器、主控板、發(fā)射器、接收機(jī)和云臺(tái)依次連 接，所述攝像頭設(shè)置在所述云臺(tái)上。
[0038]所述主控板包括單片機(jī)芯片。
[0039]所述傳感器板采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該九軸姿態(tài)檢測模塊包括三軸陀螺儀、三 軸數(shù)字加速度計(jì)和三軸磁阻傳感器。
[0040] 所述圖傳接收和圖傳發(fā)射采用歐姆威5.8GHz頻率500MW圖傳套裝。
[0041] 所述zsT臺(tái)米用兩軸zsT臺(tái)，1?擬人頭的抬頭和搖頭兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。
[0042] 所述發(fā)射器和接收機(jī)采用無線收發(fā)模塊。
[0043] 用戶頭部設(shè)備在用戶佩戴頭追之后，傳感器板測量用戶頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，通過主控 板進(jìn)行信號(hào)處理和分析，并通過發(fā)射器將頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制信號(hào)發(fā)射到飛機(jī)端設(shè)備，圖傳 接收把飛機(jī)端設(shè)備傳過來的畫面顯示在視頻眼鏡上，飛機(jī)端設(shè)備的接收機(jī)接收發(fā)射器發(fā)射 的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)云臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)把攝像頭的畫面通過圖傳發(fā)射發(fā)送到用戶 頭部設(shè)備的圖傳接收。
[0044]主控板主要采用單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的控制。傳感器采用的是九軸姿態(tài)檢測模塊GY-85,該傳感器集成了三軸陀螺儀ITG3205、三軸數(shù)字加速度計(jì)ADXL345B和三軸磁阻傳感器 HMC5883L，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體姿態(tài)的完美檢測。攝像頭采用的是索尼700線3S供電攝像頭模 塊，圖傳發(fā)射采用歐姆威5.8GHz頻率500MW圖傳套裝。攝像頭輸出的信號(hào)是AV模擬信號(hào)，并 將AV信號(hào)傳遞給圖傳。圖傳接收將攝像頭輸出的模擬信號(hào)加載在無線電波上發(fā)射出去。圖 傳接收采用歐姆威5.8GHz頻率，接受3S供電，輸出AV模擬信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給視頻眼鏡， 視頻眼鏡采用直流供電。云臺(tái)采用的是兩軸云臺(tái)，只模擬人頭的抬頭和搖頭兩個(gè)方向的運(yùn) 動(dòng)。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加起來，跟人的頭部正常所做的運(yùn)動(dòng)基本一致。
[0045]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案 的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟一：飛機(jī)端設(shè)備上的攝像頭首先采集無人機(jī)或航模前方的圖像信息和音頻信息， 并經(jīng)過圖傳發(fā)射，W無線形式傳送給用戶頭部設(shè)備； 步驟二：用戶頭部設(shè)備中的圖傳接收接收到無人機(jī)傳輸來的圖像信息和音頻信息后， 將信號(hào)輸出到視頻眼鏡上，視頻眼鏡將接收到的圖像和聲音信號(hào)呈現(xiàn)給操作者； 步驟Ξ:操作者根據(jù)無人機(jī)或航模發(fā)送回來的初始畫面，結(jié)合檢測需求進(jìn)行頭部運(yùn)動(dòng)， 用戶頭部設(shè)備上的九軸姿態(tài)檢測模塊感應(yīng)操作者頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)； 步驟四：用戶頭部設(shè)備上的主控板通過通信接口從九軸姿態(tài)檢測模塊讀取數(shù)據(jù)，然 后利用卡爾曼濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波； 步驟五:卡爾曼濾波結(jié)束后得到的角度就是頭部的姿態(tài)測量結(jié)果，并通過主控板進(jìn)行 信號(hào)處理和分析，即對(duì)姿態(tài)測量結(jié)果進(jìn)行PPM編碼； 步驟六:PPM編碼結(jié)束，用戶頭部設(shè)備上的發(fā)射器將頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制信號(hào)發(fā)射到飛機(jī) 端設(shè)備； 步驟屯：飛機(jī)端設(shè)備上的接收機(jī)接收用戶頭部設(shè)備中發(fā)射器發(fā)射來的控制信號(hào)，通過 內(nèi)置的處理模塊將頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制云臺(tái)艙機(jī)的控制角，輸出到云臺(tái)艙 機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)云臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攝像頭和操作者頭部的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)； 步驟八:飛機(jī)端設(shè)備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發(fā)射發(fā)送到操作者頭部運(yùn)動(dòng)隨 動(dòng)系統(tǒng)上，用戶頭部設(shè)備上的圖傳接收將圖像反饋到視頻眼鏡中，運(yùn)樣操作者就可W看到 自己想要看到的畫面。2. 如權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 所述步驟Ξ中，主控板通過通信接口逐個(gè)獲取九軸姿態(tài)檢測模塊的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括頭 部姿態(tài)角速度、加速度和磁偏角的Ξ個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)打包存入數(shù)組開始計(jì)算，I2C：通 信的寫入函數(shù)和讀出函數(shù)根據(jù)Ξ個(gè)傳感器的不同地址進(jìn)行處理，同時(shí)考慮傳感器校正時(shí)產(chǎn) 生的偏置參數(shù)，最后得到Ξ個(gè)傳感器分別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別計(jì)算得出不同傳感器 判斷出的角度信息，姿態(tài)檢測結(jié)束。3. 如權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 所述步驟四中，卡爾曼濾波為首先設(shè)置一個(gè)起始值和最佳增益矩陣，并進(jìn)行更新估計(jì)，得到 最優(yōu)估計(jì)輸出、觀測輸入和修正誤差協(xié)方陣，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)再次進(jìn)行修正直到得到期望 的結(jié)果位置，濾波結(jié)束。4. 如權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 所述步驟五中，PPM編碼開始時(shí)先進(jìn)行中斷初始化，然后PPM置高開始計(jì)時(shí)，再將PPM置低，當(dāng) 定時(shí)器時(shí)間達(dá)到云臺(tái)艙機(jī)1值，PPM置高再次開始計(jì)時(shí)，再將PPM置低，當(dāng)定時(shí)器時(shí)間達(dá)到云 臺(tái)艙機(jī)2值，PPM編碼結(jié)束，PPM置高并再次置低，并等待下一個(gè)周期的到來。5. -種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:包括用戶頭部設(shè)備和 飛機(jī)端設(shè)備，所述用戶頭部設(shè)備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發(fā)射器和傳感器板，所述 飛機(jī)端設(shè)備包括接收機(jī)、云臺(tái)、圖傳發(fā)射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳發(fā)射、圖傳接收和視頻 眼鏡依次連接，所述傳感器、主控板、發(fā)射器、接收機(jī)和云臺(tái)依次連接，所述攝像頭設(shè)置在所 述云臺(tái)上。6. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 主控板包括單片機(jī)忍片。7. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 傳感器板采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該九軸姿態(tài)檢測模塊包括Ξ軸巧螺儀、Ξ軸數(shù)字加速度 計(jì)和Ξ軸磁阻傳感器。8. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 圖傳接收和圖傳發(fā)射采用歐姆威5.8G化頻率500MW圖傳套裝。9. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 云臺(tái)采用兩軸云臺(tái)，模擬人頭的抬頭和搖頭兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。10. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 發(fā)射器和接收機(jī)采用無線收發(fā)模塊。
【文檔編號(hào)】H04N7/18GK105974948SQ201610578469
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】鄭揚(yáng)冰, 薛曉, 陳怡翔, 楊磊, 周學(xué)建, 劉昊然, 金學(xué)明, 黃橋
【申請人】南陽師范學(xué)院