CN105974948A - 一种基于卡尔曼滤波和ppm编码的无线头追设计方法 - Google Patents
一种基于卡尔曼滤波和ppm编码的无线头追设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105974948A CN105974948A CN201610578469.2A CN201610578469A CN105974948A CN 105974948 A CN105974948 A CN 105974948A CN 201610578469 A CN201610578469 A CN 201610578469A CN 105974948 A CN105974948 A CN 105974948A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ppm
- head
- attitude
- kalman filtering
- user
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000001914 filtration Methods 0.000 title claims description 27
- 238000013461 design Methods 0.000 title abstract description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 47
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 44
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 34
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 10
- 230000004886 head movement Effects 0.000 claims description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 239000011324 bead Substances 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000004927 fusion Effects 0.000 abstract description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000003238 somatosensory effect Effects 0.000 description 2
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 2
- 206010034719 Personality change Diseases 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D3/00—Control of position or direction
- G05D3/12—Control of position or direction using feedback
- G05D3/20—Control of position or direction using feedback using a digital comparing device
- G05D3/203—Control of position or direction using feedback using a digital comparing device using fine or coarse devices
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N7/00—Television systems
- H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast
- H04N7/183—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast for receiving images from a single remote source
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法和系统，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、主控板、发射器和传感器板，所述飞机端设备包括接收机、云台、图传发射和摄像头。本发明采用九轴姿态检测模块，该模块具有体积小，重量轻，精度高等优点，能够更加精确分析无人机姿态。采用相应的卡尔曼滤波融合算法，解决了三向加速度计测量时误差较大的问题，能够实现在静态和动态条件下物体姿态的正确检测。采用的PPM编码技术，和目前市场销售的使用PPM通信的无线模块能够相互兼容，通用性较强，能够将计算出的两通道舵机信号采用PPM编码传递给发射模块。
Description
技术领域
本发明涉及视频监控技术领域，具体涉及一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法。
背景技术
航空模型运动是运用航空知识，动手制作模型飞机并用各种不同方式操纵飞机飞行的运动，它不仅能培养人们对航空事业的兴趣、普及航空知识和技术、培养航空人才，还能发展青少年智力、增进人们身体健康。随着科技的不断进步和经济的发展，航模产品的价格不断降低，操作手法也越来越简便，爱好航模的人群也不断壮大，航模的玩法也花样繁多，其中体验最真实、最震憾的要数FPV了。FPV意为第一人称视角，全称是First PersonView。它是一种在遥控航模上加装云台摄像头和图传设备，在地面看屏幕操控模型的新玩法。这种玩法的特点在于玩家可以身临其境的以飞机驾驶员的视角观察四周，操纵你的模型飞机翱翔天空，操作者头部的转动会被完全复现在飞机的摄像头上。
除此之外，FPV还可以扩展到无人机实时监视工作上，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，监控人员只需转动头部就能轻松控制监控画面中核心内容的捕捉，非常适合应用在无人机地面监控系统。
但是现有技术中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采用的是MMA7620，该传感器是一款三向加速度传感器，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。
申请号为201110222250.6的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。但是该发明采用MMA7620传感器，精度较差。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，采用九轴姿态检测模块，该模块具有体积小，重量轻，精度高等优点，能够更加精确分析无人机姿态，且采用卡尔曼滤波融合算法，解决了三向加速度计测量时误差较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，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或航模前方的图像信息和音频信息，并经过图传发射，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接收到无人机传输来的图像信息和音频信息后，将信号输出到视频眼镜上，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：操作者根据无人机或航模发送回来的初始画面，结合检测需求进行头部运动，用户头部设备上的九轴姿态检测模块感应操作者头部运动姿态；
步骤四：用户头部设备上的主控板通过 通信接口从九轴姿态检测模块读取数据，然后利用卡尔曼滤波器对数据进行滤波；
步骤五：卡尔曼滤波结束后得到的角度就是头部的姿态测量结果，并通过主控板进行信号处理和分析，即对姿态测量结果进行PPM编码；
步骤六：PPM编码结束，用户头部设备上的发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备；
步骤七：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，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；
步骤八：飞机端设备的摄像头将采集到的画面通过图传发射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。
进一步的，所述步骤三中，主控板通过通信接口逐个获取九轴姿态检测模块的姿态数据，包括头部姿态角速度、加速度和磁偏角的三个数据监测，并将数据打包存入数组开始计算，通信的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，同时考虑传感器校正时产生的偏置参数，最后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，姿态检测结束。
进一步的，所述步骤四中，卡尔曼滤波为首先设置一个起始值和最佳增益矩阵，并进行更新估计，得到最优估计输出、观测输入和修正误差协方阵，并根据仿真数据再次进行修正直到得到期望的结果位置，滤波结束。
进一步的，所述步骤五中，PPM编码开始时先进行中断初始化，然后PPM置高开始计时，再将PPM置低，当定时器时间达到云台舵机1值，PPM置高再次开始计时，再将PPM置低，当定时器时间达到云台舵机2值，PPM编码结束，PPM置高并再次置低，并等待下一个周期的到来。
一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，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、主控板、发射器和传感器板，所述飞机端设备包括接收机、云台、图传发射和摄像头，所述摄像头、图传发射、图传接收和视频眼镜依次连接，所述传感器、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。
进一步的，所述图传接收和图传发射采用欧姆威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发送到用户头部设备的图传接收。
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。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。
姿态检测程序主要通过逐个获取GY-85传感器的姿态数据，包括角速度、加速度和磁偏角的测量，并将数据进行打包存入数组开始计算。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。
针对加速度计在测量过程中出现的短时间测量范围内误差较大的问题，可以通过九轴姿态检测模块GY-85内置的陀螺仪来进行有效抑制。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。在计算出结果后，编入数组进行下一步操作。
本发明中采用的PPM编码技术是无线通信方式中的比例遥控器编码方式。遥控器的的两个摇杆内部连接着四个电位器，摇杆的运动会直接带动电位器一起旋转，引起输出信号线电压的改变，将变化信息送入遥控器内部的单片机中进行编码，通道的信息会转换成一组脉冲编码信号，再经过遥控器上高频头部分的高频调制电路调制后，最后通过功放电路从天线发射出去。
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。国际上常用的比例遥控器编码方式PPM，即脉冲位置调制或脉位调制，它采用一个方波信号的时间宽度来表达一个比例通道舵量的大小。兼容性更强的不带保密的PPM编码方式适用于各个遥控器厂家设置的独特的编码方式，工作流程如图6所示。
本发明还提供了一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，主控板主要采用单片机进行信号的控制。传感器采用的是九轴姿态检测模块GY-85，该传感器集成了三轴陀螺仪ITG3205、三轴数字加速度计ADXL345B和三轴磁阻传感器HMC5883L，能够实现对物体姿态的完美检测。摄像头采用的是索尼700线3S供电摄像头模块，图传发射采用欧姆威5.8GHz频率500MW图传套装。摄像头输出的信号是AV模拟信号，并将AV信号传递给图传。图传接收将摄像头输出的模拟信号加载在无线电波上发射出去。图传接收采用欧姆威5.8GHz频率，接受3S供电，输出AV模拟信号，并将信号传递给视频眼镜，视频眼镜采用直流供电。云台采用的是两轴云台，只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，跟人的头部正常所做的运动基本一致。
本发明采用九轴姿态检测模块，该模块具有体积小，重量轻，精度高等优点，能够更加精确分析无人机姿态。采用相应的卡尔曼滤波融合算法，解决了三向加速度计测量时误差较大的问题，能够实现在静态和动态条件下物体姿态的正确检测。采用的PPM编码技术，和目前市场销售的使用PPM通信的无线模块能够相互兼容，通用性较强，能够将计算出的两通道舵机信号采用PPM编码传递给发射模块。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述：
图1是本发明基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计系统的系统结构图；
图2是本发明姿态检测部分整体架构图；
图3是本发明本发明中姿态检测流程图；
图4是本发明中卡尔曼滤波软件流程图；
图5是本发明中的PPM编码流程图；
图6是本发明中的传感器输出曲线。
具体实施方式
下面结合图1至图6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基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，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或航模前方的图像信息和音频信息，并经过图传发射，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接收到无人机传输来的图像信息和音频信息后，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：操作者根据无人机或航模发送回来的初始画面，结合检测需求进行头部运动，用户头部设备上的九轴姿态检测模块感应操作者头部运动姿态，主控板通过通信接口逐个获取九轴姿态检测模块的姿态数据，包括头部姿态角速度、加速度和磁偏角的三个数据监测，并将数据打包存入数组开始计算，通信的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，同时考虑传感器校正时产生的偏置参数，最后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，姿态检测结束；
步骤四：用户头部设备上的主控板通过通信接口从九轴姿态检测模块读取数据后利用卡尔曼滤波器对数据进行滤波，卡尔曼滤波为首先设置一个起始值和最佳增益矩阵，并进行更新估计，得到最优估计输出、观测输入和修正误差协方阵，并根据仿真数据再次进行修正直到得到期望的结果位置，滤波结束；
步骤五：卡尔曼滤波结束后得到的角度就是头部的姿态测量结果，并通过主控板进行信号处理和分析，即对姿态测量结果进行PPM编码，PPM编码开始时先进行中断初始化，然后PPM置高开始计时，再将PPM置低，当定时器时间达到云台舵机1值，PPM置高再次开始计时，再将PPM置低，当定时器时间达到云台舵机2值，PPM编码结束，PPM置高并再次置低，并等待下一个周期的到来；
步骤六：PPM编码结束，用户头部设备上的发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备；
步骤七：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，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；
步骤八：飞机端设备的摄像头将采集到的画面通过图传发射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。
如图2所示：该发明采用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。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。
如图3所示：姿态检测程序主要通过逐个获取GY-85传感器的姿态数据，包括角速度、加速度和磁偏角的测量，并将数据进行打包存入数组开始计算。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。
如图4所示：针对加速度计在测量过程中出现的短时间测量范围内误差较大的问题，可以通过九轴姿态检测模块GY-85内置的陀螺仪来进行有效抑制。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。在计算出结果后，编入数组进行下一步操作。
本发明中采用的PPM编码技术是无线通信方式中的比例遥控器编码方式。遥控器的的两个摇杆内部连接着四个电位器，摇杆的运动会直接带动电位器一起旋转，引起输出信号线电压的改变，将变化信息送入遥控器内部的单片机中进行编码，通道的信息会转换成一组脉冲编码信号，再经过遥控器上高频头部分的高频调制电路调制后，最后通过功放电路从天线发射出去。
如图5所示：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。国际上常用的比例遥控器编码方式PPM，即脉冲位置调制或脉位调制，它采用一个方波信号的时间宽度来表达一个比例通道舵量的大小。兼容性更强的不带保密的PPM编码方式适用于各个遥控器厂家设置的独特的编码方式。
实施例二
本实施例还提供了基于卡尔曼滤波器的姿态角推测算法，如下所示：
加速度计在静态条件下测得的重力分量，根据式(1)和(2)可以计算出载体人头部的滚动角和俯仰角：
（1）
（2）
当滚动角和俯仰角计算出来后，利用式(3)将磁阻传感器的测量值做一次变换：
（3）
根据式(4)，利用变换后的磁阻传感器的数据，便可以解算出偏航角：
（4）
但是在动态条件下，其自身具有未知的加速运动和振动，这时，加速度计肯定受到非重力加速度影响，倘若依旧按照上式解算姿态角，结果与真实值之间一定会有较大偏差。不过陀螺对自身的振动和加速运动并不敏感，为了解算出更为准确的自身姿态角，在此增加了一个卡尔曼滤波的算法，利用三个传感器的综合数据共同估计出一个更为准确的姿态。从传感器自身的性能同时尽可能使状态空间模型变简化的方向考虑，将单轴方向上的姿态角和陀螺仪对应该轴的漂移量组成一个二维向量，作为状态变量选取的对象：
（5）
把由式(1)-式(4)解算出的结果当作卡尔曼滤波器的观测数据，此系统的状态方程如下：
（6）
（7）
再将这些状态方程离散化，可得：
（8）
（9）
令
（10）
（11）
（12）
式中：dt为系统的采样周期，dotangle是指陀螺仪在采样间隔内输出的角度值。
建立好系统的状态模型以后，卡尔曼滤波器通过下面的公式，不停地循环迭代可以得到。
（13）
（14）
（15）
（16）
（17）
滤波器初值的设置可以按照,，可以取相对比较大的值。
最后进行试验。打开Arduino IDE，点击工具-> 开发板，并且选择“ArduinoNano”，然后点击此项下面的处理器，选择“Atmega328”，再点击tools->Serial port->选择Arduino控制板的端口号，将程序编译再下载进去。操作无误后，打开调参软件并打开头追的串口，选择“Start plot”功能，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。
如图6所示：晃动头追，可以得到三个轴输出的信号曲线，可以发现传感器工作正常，反应很灵敏，跟随很快，信号抖动也不严重，采用的卡尔曼滤波算法起到了明显的良好作用，PPM通信良好。
实施例三
如图1和图2所示:本实施例还提供了一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，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、主控板、发射器和传感器板，所述飞机端设备包括接收机、云台、图传发射和摄像头，所述摄像头、图传发射、图传接收和视频眼镜依次连接，所述传感器、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。
所述图传接收和图传发射采用欧姆威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。
用户头部设备在用户佩戴头追之后，传感器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，图传接收把飞机端设备传过来的画面显示在视频眼镜上，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发送到用户头部设备的图传接收。
主控板主要采用单片机进行信号的控制。传感器采用的是九轴姿态检测模块GY-85，该传感器集成了三轴陀螺仪ITG3205、三轴数字加速度计ADXL345B和三轴磁阻传感器HMC5883L，能够实现对物体姿态的完美检测。摄像头采用的是索尼700线3S供电摄像头模块，图传发射采用欧姆威5.8GHz频率500MW图传套装。摄像头输出的信号是AV模拟信号，并将AV信号传递给图传。图传接收将摄像头输出的模拟信号加载在无线电波上发射出去。图传接收采用欧姆威5.8GHz频率，接受3S供电，输出AV模拟信号，并将信号传递给视频眼镜，视频眼镜采用直流供电。云台采用的是两轴云台，只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，跟人的头部正常所做的运动基本一致。
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。
Claims (10)
1.一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，其特征在于：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或航模前方的图像信息和音频信息，并经过图传发射，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接收到无人机传输来的图像信息和音频信息后，将信号输出到视频眼镜上，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：操作者根据无人机或航模发送回来的初始画面，结合检测需求进行头部运动，用户头部设备上的九轴姿态检测模块感应操作者头部运动姿态；
步骤四：用户头部设备上的主控板通过通信接口从九轴姿态检测模块读取数据，然后利用卡尔曼滤波器对数据进行滤波；
步骤五：卡尔曼滤波结束后得到的角度就是头部的姿态测量结果，并通过主控板进行信号处理和分析，即对姿态测量结果进行PPM编码；
步骤六：PPM编码结束，用户头部设备上的发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备；
步骤七：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，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，从而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；
步骤八：飞机端设备的摄像头将采集到的画面通过图传发射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。
2.如权利要求1所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，其特征在于：所述步骤三中，主控板通过通信接口逐个获取九轴姿态检测模块的姿态数据，包括头部姿态角速度、加速度和磁偏角的三个数据监测，并将数据打包存入数组开始计算，通信的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，同时考虑传感器校正时产生的偏置参数，最后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，姿态检测结束。
3.如权利要求1所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，其特征在于：所述步骤四中，卡尔曼滤波为首先设置一个起始值和最佳增益矩阵，并进行更新估计，得到最优估计输出、观测输入和修正误差协方阵，并根据仿真数据再次进行修正直到得到期望的结果位置，滤波结束。
4.如权利要求1所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，其特征在于：所述步骤五中，PPM编码开始时先进行中断初始化，然后PPM置高开始计时，再将PPM置低，当定时器时间达到云台舵机1值，PPM置高再次开始计时，再将PPM置低，当定时器时间达到云台舵机2值，PPM编码结束，PPM置高并再次置低，并等待下一个周期的到来。
5.一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，其特征在于：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、主控板、发射器和传感器板，所述飞机端设备包括接收机、云台、图传发射和摄像头，所述摄像头、图传发射、图传接收和视频眼镜依次连接，所述传感器、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。
6.如权利要求5所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，其特征在于：所述主控板包括单片机芯片。
7.如权利要求5所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，其特征在于：所述传感器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。
8.如权利要求5所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，其特征在于：所述图传接收和图传发射采用欧姆威5.8GHz频率500MW图传套装。
9.如权利要求5所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，其特征在于：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。
10.如权利要求5所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，其特征在于：所述发射器和接收机采用无线收发模块。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610578469.2A CN105974948A (zh) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 一种基于卡尔曼滤波和ppm编码的无线头追设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610578469.2A CN105974948A (zh) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 一种基于卡尔曼滤波和ppm编码的无线头追设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105974948A true CN105974948A (zh) | 2016-09-28 |
Family
ID=56953100
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610578469.2A Pending CN105974948A (zh) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 一种基于卡尔曼滤波和ppm编码的无线头追设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105974948A (zh) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106527720A (zh) * | 2016-11-09 | 2017-03-22 | 福建工程学院 | 一种沉浸式交互控制方法与系统 |
| CN107757795A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-03-06 | 南阳师范学院 | 一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法 |
| CN108538130A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-09-14 | 国网河南省电力公司漯河供电公司 | 用电信息采集系统综合故障排查实训室 |
| CN108572602A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-09-25 | 上海海得控制系统股份有限公司 | 一种压片机的控制装置 |
| CN109194912A (zh) * | 2018-08-06 | 2019-01-11 | 陈彦楠 | 一种实时头部行为追踪监控系统及其控制方法 |
| CN115190287A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-10-14 | 秦皇岛希睿智能科技有限公司 | 一种应用于远程教学的立体视觉随动系统 |
| CN115357053A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-11-18 | 北京亮亮视野科技有限公司 | 基于ar眼镜的无人机操控系统及方法 |
| CN115953766A (zh) * | 2023-01-09 | 2023-04-11 | 北京茵沃汽车科技有限公司 | 从驾驶员监控系统中获取头部姿态真值的方法 |
| CN116614592A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-08-18 | 苏州帧格映画文化传媒有限公司 | 基于fpv的影视拍摄方法及影视拍摄装置 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102348068A (zh) * | 2011-08-03 | 2012-02-08 | 东北大学 | 一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统 |
| CN103136912A (zh) * | 2013-03-05 | 2013-06-05 | 广西师范大学 | 运动姿态捕捉系统 |
| CN203759869U (zh) * | 2014-03-20 | 2014-08-06 | 西南科技大学 | 一种手势感应型飞行器遥控器 |
| CN204066477U (zh) * | 2014-07-31 | 2014-12-31 | 西安科技大学 | 一种教学用实验小车 |
| WO2015013979A1 (zh) * | 2013-07-31 | 2015-02-05 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 遥控方法及终端 |
| CN104515519A (zh) * | 2013-09-28 | 2015-04-15 | 南京专创知识产权服务有限公司 | 加速度、陀螺仪和磁场九轴传感器的空间轨迹定位系统 |
| CN104898826A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-09-09 | 杭州豚鼠科技有限公司 | 体感控制装置 |
| CN105046906A (zh) * | 2015-06-04 | 2015-11-11 | 段然 | 一种九轴传感器与蓝牙模块结合使用的数据采集系统 |
| CN204855937U (zh) * | 2015-04-10 | 2015-12-09 | 上海旗娱网络科技有限公司 | 一种具有虚拟现实和增强现实功能的头戴式显示器 |
| CN204883391U (zh) * | 2015-08-20 | 2015-12-16 | 桂林飞宇电子科技有限公司 | 一种用于控制云台的体感遥控器 |
| CN205017461U (zh) * | 2015-09-30 | 2016-02-03 | 石磊 | 远程第一视角视频监控控制系统 |
-
2016
- 2016-07-22 CN CN201610578469.2A patent/CN105974948A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102348068A (zh) * | 2011-08-03 | 2012-02-08 | 东北大学 | 一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统 |
| CN103136912A (zh) * | 2013-03-05 | 2013-06-05 | 广西师范大学 | 运动姿态捕捉系统 |
| WO2015013979A1 (zh) * | 2013-07-31 | 2015-02-05 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 遥控方法及终端 |
| CN104515519A (zh) * | 2013-09-28 | 2015-04-15 | 南京专创知识产权服务有限公司 | 加速度、陀螺仪和磁场九轴传感器的空间轨迹定位系统 |
| CN203759869U (zh) * | 2014-03-20 | 2014-08-06 | 西南科技大学 | 一种手势感应型飞行器遥控器 |
| CN204066477U (zh) * | 2014-07-31 | 2014-12-31 | 西安科技大学 | 一种教学用实验小车 |
| CN204855937U (zh) * | 2015-04-10 | 2015-12-09 | 上海旗娱网络科技有限公司 | 一种具有虚拟现实和增强现实功能的头戴式显示器 |
| CN104898826A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-09-09 | 杭州豚鼠科技有限公司 | 体感控制装置 |
| CN105046906A (zh) * | 2015-06-04 | 2015-11-11 | 段然 | 一种九轴传感器与蓝牙模块结合使用的数据采集系统 |
| CN204883391U (zh) * | 2015-08-20 | 2015-12-16 | 桂林飞宇电子科技有限公司 | 一种用于控制云台的体感遥控器 |
| CN205017461U (zh) * | 2015-09-30 | 2016-02-03 | 石磊 | 远程第一视角视频监控控制系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 徐梓皓 等: "基于卡尔曼滤波器的姿态角测量系统设计", 《电子测量技术》 * |
| 胡小平主编: "《导航技术基础》", 31 July 2015, 国防工业出版社 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106527720A (zh) * | 2016-11-09 | 2017-03-22 | 福建工程学院 | 一种沉浸式交互控制方法与系统 |
| CN107757795A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-03-06 | 南阳师范学院 | 一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法 |
| CN108538130A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-09-14 | 国网河南省电力公司漯河供电公司 | 用电信息采集系统综合故障排查实训室 |
| CN108572602A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-09-25 | 上海海得控制系统股份有限公司 | 一种压片机的控制装置 |
| CN108572602B (zh) * | 2018-07-23 | 2024-03-15 | 上海海得控制系统股份有限公司 | 一种压片机的控制装置 |
| CN109194912A (zh) * | 2018-08-06 | 2019-01-11 | 陈彦楠 | 一种实时头部行为追踪监控系统及其控制方法 |
| CN115190287A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-10-14 | 秦皇岛希睿智能科技有限公司 | 一种应用于远程教学的立体视觉随动系统 |
| CN115357053A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-11-18 | 北京亮亮视野科技有限公司 | 基于ar眼镜的无人机操控系统及方法 |
| CN115953766A (zh) * | 2023-01-09 | 2023-04-11 | 北京茵沃汽车科技有限公司 | 从驾驶员监控系统中获取头部姿态真值的方法 |
| CN116614592A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-08-18 | 苏州帧格映画文化传媒有限公司 | 基于fpv的影视拍摄方法及影视拍摄装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105974948A (zh) | 一种基于卡尔曼滤波和ppm编码的无线头追设计方法 | |
| US11460837B2 (en) | Self-propelled device with actively engaged drive system | |
| CN106125769A (zh) | 一种无线头部运动随动系统设计方法 | |
| US10202189B2 (en) | Unmanned aerial vehicle, wearable apparatus including unmanned aerial vehicle, wristwatch including wearable apparatus, method of operating unmanned aerial vehicle, and apparatus for operating unmanned aerial vehicle | |
| CN103424115B (zh) | 微小型飞行器地面试验姿态记录仪 | |
| US20200001188A1 (en) | System and method for integrated real and virtual game play for multiple remotely-controlled aircraft | |
| CN104769496B (zh) | 具有用于定位和交互的绳组件的飞行摄像机 | |
| CN102348068B (zh) | 一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统 | |
| KR102670994B1 (ko) | 무인 비행체 및 그 제어 방법 | |
| CN102591346A (zh) | 一种手持式小型无人机地面监控系统 | |
| CN103093658B (zh) | 一种面向儿童实物交互的故事创建方法和系统 | |
| US20140008496A1 (en) | Using handheld device to control flying object | |
| CN105222761A (zh) | 借助虚拟现实及双目视觉技术实现的第一人称沉浸式无人机驾驶系统及驾驶方法 | |
| JP2013144539A (ja) | 遠隔制御装置によって無人機を直観的に操縦するための方法 | |
| JP2017524958A (ja) | ジンバル及びジンバルシミュレーションシステム | |
| WO2021259252A1 (zh) | 飞行模拟方法、装置、电子设备及无人机 | |
| CN102566441A (zh) | 用于无人机的可视仿真试验系统 | |
| CN113448343A (zh) | 用于设定飞行器的目标飞行路径的方法、系统和程序 | |
| CN107918397A (zh) | 带目标跟踪和拍摄角保持的无人机移动图像自主拍摄系统 | |
| KR102267840B1 (ko) | 드론 모니터링 시스템 | |
| CN108366208A (zh) | 一种应用于灾区搜索的无人机立体视觉随动系统 | |
| CN106970705A (zh) | 动作捕捉方法、装置和电子设备 | |
| US20180216959A1 (en) | A Combined Motion Capture System | |
| CN205891231U (zh) | 无人机及穿戴设备 | |
| CN106292335A (zh) | 一种沿索道飞行器装置控制系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160928 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |