CN104648685B - 基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍系统和方法，智能手机固定在四旋翼飞行器的机架上；通过地面电脑上位机，选取待航拍路径上的若干具有代表性的航点，按照航点离出发点的远近顺序发往智能手机；采用BackStepping路径跟踪算法，平滑的跟踪电脑上位机输出的航点；利用智能手机自带的高清摄像头，采集指定路径上的图像信息，并通过3G无线网络实时下传航拍视频到电脑上位机，实现四旋翼按照指定路径航拍。

Description

基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍系统和方法

技术领域

本发明专利涉及无人飞行器控制领域，具体涉及一种利用手机控制的四旋翼无人直升机。

背景技术

随着科学技术的快速发展，人们对计算机的研究也日趋深入；无论是其体积、重量还是运算能力都取得了长足的进步。随着智能手机价格的降低，搭载着丰富、高精度传感器的智能手机已成为人们工作、生活、娱乐重要的组成部分；其次，随着四旋翼控制技术的成熟，四旋翼已应用在社会中的很多行业，并逐渐的走进普通人的生活。

现有的四旋翼都是单独设计的专用飞控模块，主要以遥控航模四旋翼为主，功能单一，搭载的传感器少，大多数都不具备航拍功能；外挂的航拍设备不仅价格高昂，而且重量大，对四旋翼的载重也有较高的要求；同时，采用2.4GHz无线遥控技术的遥控距离有限，不适合超过1km的大范围飞行。这些都制约着四旋翼的推广应用。智能手机的发展与推广，极大的丰富了人们的生活；同时，人们在社会生活中的使用实践，不断的赋予了智能手机更多的功能，手机搭载的高精度姿态和位置传感器，使智能手机扩展飞行控制功能成为可能。

发明内容

本发明旨在提供一种基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍系统和方法；在不改变智能手机结构的基础之上，设计的四旋翼飞行器(下文简称四旋翼)可沿指定路径航拍，该四旋翼具有飞行半径大，航拍视屏能够实时下传的特点；同时，本发明扩大的智能手机的应用领域，丰富了人们的业余生活。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍系统，其特征在于：

包括智能手机，四旋翼以及电脑上位机；智能手机固定在四旋翼的机架上用于自主导航与航拍；所述智能手机搭载GPS、气压计、陀螺仪、加速度计、磁强计、摄像头、3G或4G无线网络，并与位于地面的电脑上位机之间无线通讯；

所述四旋翼的机架上设置智能手机接入模块、驱动模块、动力模块、能源模块；其中，动力模块包括四旋翼的电机与螺旋桨，各旋翼的螺旋桨均由一个独立的旋翼驱动电机驱动；智能手机接入模块为四旋翼与智能手机之间的接口，用以固定智能手机到四旋翼的机架上，并通过手机MicroUSB接口与所述驱动模块相连；所述驱动模块由单片机与电子调速器组成，接收智能手机接入模块输出的控制数据，并通过电子调速器输出给旋翼驱动电机；能源模块主要包括锂电池，用以给驱动模块及旋翼驱动电机供电；各模块采用统一接口并能组合或拆卸；

所述电脑上位机用于选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照航点离出发点的距离由近及远的发往智能手机；在智能手机获得航拍视频后，电脑上位机还用于接收航拍视频；

所述智能手机用于实时获取四旋翼位置和姿态数据，并根据该位置和姿态数据进行路径跟踪计算和飞行控制，驱动四旋翼平稳光滑的往目标点运动；同时，智能手机通过自身高清摄像头实时采集该航拍路径上的图像信息，并通过无线网络实时下传航拍视频到电脑上位机上。

一种采用上述航拍系统的指定路径航拍方法，其特征在于主要包括如下步骤：

通过电脑上位机选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照航点离出发点的顺序由近及远地发往智能手机；之后启动四旋翼开始航拍；

智能手机采用BackStepping路径跟踪算法，平滑的跟踪电脑上位机输出的航点；

智能手机利用自带姿态传感器与位置传感器获取的位置和姿态数据，结合BackStepping路径跟踪算法获得旋翼驱动电机需要的控制量，并通过单片机和电子调速器控制4个旋翼驱动电机转速，驱动四旋翼平稳光滑的往目标点运动；同时，智能手机搭载的高清摄像头实时采集该航拍路径上的图像信息，并通过无线网络实时下传航拍视频到电脑上位机上，实现四旋翼按照指定路径航拍。

上述技术方案中，具体包括如下步骤：

步骤S1：智能手机初始化、驱动模块初始化；

步骤S2：通过电脑上位机，选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照航点离出发点的距离由近及远地通过无线网络发往智能手机；并在航点接受完毕之后，由用户通过电脑上位机启动四旋翼开始航拍；

步骤S3：智能手机读取加速度计三个轴上的加速度值分别为：a_xb,a_yb,a_zb，通过方向余弦矩阵，估算出四旋翼的横滚角γ_a和俯仰角θ_a；

步骤S4：智能手机读取磁强计三个轴上的磁力强度值分别为：m_xb,m_yb,m_zb，通过绕x,y轴转动后的方向余弦矩阵，估算出四旋翼的航向角

步骤S5：智能手机将四旋翼的横滚角γ_a和俯仰角θ_a与航向角组成全姿态角利用姿态角到四元数的转化关系，将该组全姿态角转化为全姿态角四元数Q_a(q_a0,q_a1,q_a2,q_a3)；

步骤S6：智能手机读取陀螺仪三个轴上的角速度值分别为：ω_x,ω_y,ω_z，根据四元数的微分方程，求解当前四元数Q_ω(q_ω0,q_ω1,q_ω2,q_ω3)；

步骤S7：设计kalman滤波器将以上两组四元数Q_a(q_a0,q_a1,q_a2,q_a3)与Q_ω(q_ω0,q_ω1,q_ω2,q_ω3)进行融合，估算精确四元数q₀,q₁,q₂,q₃，从而求解精确的姿态角

步骤S8：智能手机读取GPS与气压计数据，作为四旋翼当前的位置坐标x,y,z；

步骤S9：在获取位置和姿态数据后，智能手机自行启动目标追踪任务：建立四旋翼的动力学模型，在该模型的基础之上，设计BackStepping控制器，平滑的跟踪电脑上位机输出的航点并控制四旋翼运动实现按指定路径航拍；

步骤S10：通过无线网络，下传航拍视屏到智能手机上。

上述技术方案中，步骤S9中在建立四旋翼的动力学模型后，在模型的基础之上推导BackStepping控制率，并求解四旋翼运动到下一个航点所需各电机转速；其中，

建立的四旋翼的动力学模型如下：

式中，ω_i(i＝1,2,3,4)为四个旋翼的角速度；J_x,J_y,J_z为四旋翼分别单独绕机体系三坐标轴转动的转动惯量；分别为四旋翼的航向角，俯仰角与横滚角；b,d分别为旋翼拉力系数与扭矩力系数；l,m分别为四旋翼的半轴长与总质量；

四旋翼在受到的合外力不为0的情况下，会沿着合外力的方向运动，在四旋翼的动力学模型的基础上，将这个合运动分解到4个方向：上下U₁、前后U₂、左右U₃、偏航U₄：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=b({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_3^2+{\mathrm{\ω}}_4^2)\\ U_2=b({\mathrm{\ω}}_1^2-{\mathrm{\ω}}_3^2)\\ U_3=b({\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_4^2)\\ U_4=d({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\ω}}_3^2-{\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_4^2)\end{array}\right.$

然后，根据BackStepping算法推导四旋翼沿导航坐标系三轴运动到达航拍路径目标位置需要沿各方向运动的控制律；

之后，将需要的各方向的运动控制率转换成4个旋翼驱动电机的转速，将此转速输出给4个旋翼驱动电机，驱动四旋翼往指定目标位置前进，最终完成指定路径航拍。

相对于现有的四旋翼控制器，本发明使用智能手机替代专用四旋翼飞行控制器，在不改变智能手机结构的基础之上，将智能手机与四旋翼加固在一起，设计了一种可沿指定路径航拍的四旋翼航拍系统，该四旋翼航拍系统具有飞行半径大，航拍视屏能够实时下传的特点，能够便捷快速地实现实时远距离的下传航拍视频与控制四旋翼运动；同时由于系统各模块能够实现方便的组合与拆卸，使得四旋翼具有成本低廉、软件硬件易于升级、扩展能力强。同时，本发明扩大了智能手机的应用领域，丰富了人们的业余生活。

附图说明

图1是本发明基于智能手机的四旋翼指定路径航拍系统结构框图；

图2是本发明基于智能手机的四旋翼指定路径航拍方法流程图；

图3是本发明动力学模型推导中的四旋翼模型；

图4是四旋翼按照指定路径航拍示意图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术方案，对照附图对本发明进行详细的说明。

图1所示为本发明基于智能手机的四旋翼指定路径航拍系统结构框图。该基于智能手机的四旋翼指定路径航拍系统，包括智能手机(具有高速多核或单核的CPU处理器)，四旋翼以及电脑上位机；所述智能手机搭载GPS、气压计、陀螺仪、加速度计、磁强计、摄像头、无线网络，并与所述电脑上位机之间无线通讯；所述四旋翼的机架上设置智能手机接入模块、驱动模块、动力模块、能源模块；动力模块包括四旋翼的电动机与螺旋桨，各旋翼均由一个独立的旋翼驱动电机驱动(图1为无刷电机)；智能手机接入模块为四旋翼与智能手机之间的接口，用以固定智能手机到四旋翼的机架上，并通过手机MicroUSB接口与外围驱动模块相连。所有的算法实现均在智能手机上完成，然后将计算出来的四旋翼电机的控制量发送给驱动模块；同时还下传航拍视频到电脑上位机；所述驱动模块由单片机(图1为51单片机)与电子调速器组成，接收智能手机接入模块输出的控制数据，并通过电子调速器输出给旋翼驱动电机；能源模块为四旋翼的电力供应设备，主要包括锂电池，用以给驱动模块及四旋翼无刷电机供电；各模块采用统一接口并能组合或拆卸。

本发明中，智能手机搭载的GPS和气压计可以为四旋翼提供位置信息；陀螺仪、加速度计和磁强计能为四旋翼提供姿态信息；摄像头可以用来航拍或者是感知周围环境、识别未知目标；无线网络(一般为3G或4G网络)和互联网能实时远距离的下传航拍视频与控制四旋翼运动。

四旋翼的机架上设置的各模块能够实现方便的组合与拆卸，各模块之间具有低耦合度，模块内部具有高内聚性，各模块采用统一接口，从而使得四旋翼具有成本低廉、软件硬件易于升级、扩展能力强，并通过路径跟踪算法，实现四旋翼沿指定路径航拍；同时，通过3G或4G网络和互联网能实时远距离的下传航拍视频与控制四旋翼运动。

图2为本发明基于智能手机的四旋翼指定路径航拍方法流程图，主要包括以下步骤：

步骤S1：智能手机初始化，主要包括时钟初始化、陀螺仪初始化、加速度计初始化、磁强计初始化、气压计初始化、GPS初始化、摄像头初始化、3G网络初始化；驱动模块初始化，主要包括单片机初始化。

步骤S2：通过电脑上位机，选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照航点离出发点的距离由近及远的通过无线网络(本实施例为3G网络)发往智能手机；并在航点接受完毕之后，由用户通过电脑上位机启动四旋翼(下文均简称为四旋翼)开始航拍；

步骤S3：智能手机读取加速度计三个轴上的加速度值分别为：a_xb,a_yb,a_zb，通过方向余弦矩阵，估算出四旋翼的横滚角γ_a和俯仰角θ_a；

步骤S31：建立如图4所示的四旋翼的导航坐标系O_eX_eY_eZ_e；O_bX_bY_bZ_b为四旋翼的机体坐标系，在四旋翼起飞之前这两个坐标系重合在一起；定义四旋翼绕Z_b轴转过的角度为航向角；绕Y_b轴转过的角度γ为横滚角；绕X_b轴转过的角度θ为俯仰角；假设四旋翼依次经过下面三次转动从导航坐标系运动到机体坐标系：先绕Z_b转过角度；再绕Y_b轴转过γ角度；最后绕X_b轴转过θ角度，描述这个转动的方向余弦矩阵如下：

步骤S32：将四旋翼导航系的重力分量通过式(1)转换到四旋翼机体系，并估算四旋翼当前的横滚角γ_a和俯仰角θ_a：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{xb}}\\ a_{\mathrm{yb}}\\ a_{\mathrm{zb}}\end{array}\right]=C_e^b\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -g\end{array}\right]\\ \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_a=\arcsin \frac{a_{\mathrm{xb}}}{g}\\ {\mathrm{\θ}}_a=\arctan \frac{a_{\mathrm{yb}}}{a_{\mathrm{zb}}}\end{array}\right.\end{array}---\left(2\right)$

步骤S4：智能手机读取磁强计三个轴上的磁力强度值分别为：m_xb,m_yb,m_zb，通过绕x,y轴转动后的方向余弦转置矩阵，估算出四旋翼的航向角

步骤S41：四旋翼绕X_b轴转过θ角，绕Y_b轴转过γ角，使四旋翼回到水平位置，然后通过三角函数估算得到四旋翼当前的航向角，如下式：

$\left[\begin{array}{c}{m}_{\mathrm{Nx}}\\ m_{\mathrm{Ny}}\\ m_{\mathrm{Nz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& \sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{m}_{\mathrm{xb}}\\ m_{\mathrm{yb}}\\ m_{\mathrm{zb}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

步骤S5：智能手机将加速度计估算到的横滚角γ_a和俯仰角θ_a，与磁强计估算到的航向角组成全姿态角利用姿态角到四元数的转化关系，将该组姿态角转化为四元数Q_a(q_a0,q_a1,q_a2,q_a3)。

步骤S51：欧拉角与四元数是两种描述刚体转动的不同方法，这两种描述方法之间可以相互转化。将上面加速度计与磁强计估算得到的姿态角转化为四元数，如下：

步骤S6：智能手机读取陀螺仪三个轴上的角速度值分别为：ω_x,ω_y,ω_z，根据四元数的微分方程，求解当前的四元数Q_ω(q_ω0,q_ω1,q_ω2,q_ω3)。

步骤S61：机体三坐标轴上的角速度ω_x,ω_y,ω_z与四元数的转化关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{q_{\mathrm{\ω}0}}^{\′}\\ {q_{\mathrm{\ω}1}}^{\′}\\ {q_{\mathrm{\ω}2}}^{\′}\\ {q_{\mathrm{\ω}3}}^{\′}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}0& -{\mathrm{\ω}}_x& -{\mathrm{\ω}}_y& -{\mathrm{\ω}}_z\\ {\mathrm{\ω}}_x& 0& {\mathrm{\ω}}_z& -{\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_y& -{\mathrm{\ω}}_x& 0& {\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_z& {\mathrm{\ω}}_y& -{\mathrm{\ω}}_x& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{\ω}0}\\ q_{\mathrm{\ω}1}\\ q_{\mathrm{\ω}2}\\ q_{\mathrm{\ω}3}\end{array}\right]---\left(5\right)$

步骤S62：利用一阶Runge-Kutta法求解式(5)，得到陀螺仪估算的姿态角如下：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{\ω}0}=q_{\mathrm{\ω}0}+\frac{T}{2}(-{\mathrm{\ω}}_x{q}_{\mathrm{\ω}1}-{\mathrm{\ω}}_y{q}_{\mathrm{\ω}2}-{\mathrm{\ω}}_z{q}_{\mathrm{\ω}3})\\ q_{\mathrm{\ω}1}=q_{\mathrm{\ω}1}+\frac{T}{2}({\mathrm{\ω}}_x{q}_{\mathrm{\ω}0}+{\mathrm{\ω}}_z{q}_{\mathrm{\ω}1}-{\mathrm{\ω}}_y{q}_{\mathrm{\ω}3})\\ q_{\mathrm{\ω}2}=q_{\mathrm{\ω}2}+\frac{T}{2}({\mathrm{\ω}}_y{q}_{\mathrm{\ω}0}-{\mathrm{\ω}}_z{q}_{\mathrm{\ω}1}+{\mathrm{\ω}}_x{q}_{\mathrm{\ω}3})\\ q_{\mathrm{\ω}3}=q_{\mathrm{\ω}3}+\frac{T}{2}({\mathrm{\ω}}_z{q}_{\mathrm{\ω}0}+{\mathrm{\ω}}_y{q}_{\mathrm{\ω}1}-{\mathrm{\ω}}_x{q}_{\mathrm{\ω}2})\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤S7：设计kalman滤波器将以上两组四元数Q_a(q_a0,q_a1,q_a2,q_a3)与Q_ω(q_ω0,q_ω1,q_ω2,q_ω3)进行融合，估算相对精确的四元数Q(q₀,q₁,q₂,q₃)，从而求解相对精确的姿态角

在步骤S6中，主要是设计kalman滤波器，将加速度计和磁强计估算得到的四元数Q_a(q_a0,q_a1,q_a2,q_a3)与陀螺仪估算得到的四元数Q_ω(q_ω0,q_ω1,q_ω2,q_ω3)融合，得到相对精确的四元数Q(q₀,q₁,q₂,q₃)，从而得到真实的姿态角，具体实现方法包含以下步骤：

步骤S71：根据陀螺仪测量的(k-1)时刻角速度更新四旋翼k时刻的状态四元数，如下：

$\hat{x}\left(k\right|k-1)=A(k-1)\hat{x}(k-1|k-1)---\left(7\right)$

步骤S72：四旋翼状态向前推算误差协方差更新，如下：

P(k|k-1)＝A(k-1)P(k-1|k-1)A^T(k-1)+Q (8)

步骤S73：滤波器增益系数的求解，如下：

K(k)＝P(k|k-1)[P(k|k-1)+R]^-1 (9)

步骤S74：根据加速度计与磁强计得到观测更新方程，如下：

$\hat{x}\left(k\right|k)=\hat{x}\left(k\right|k-1)+K\left(k\right)[Z\left(k\right)-\hat{x}\left(k\right|k-1)]---\left(10\right)$

步骤S75：更新系统误差，如下：

P(k|k)＝(I-K(k))P(k|k-1) (11)

经过以上kalman滤波，将陀螺仪数据与加速度计、磁强计数据融合为一组更加精确的姿态角。

步骤S8：智能手机读取GPS与气压计数据，作为四旋翼当前的位置坐标x,y,z。

步骤S81：智能手机读取GPS的纬度数据作为四旋翼当前的X轴位置坐标，经度数据作为四旋翼当前的Y轴坐；读取气压计的数据作为四旋翼当前的Z轴坐标，四旋翼当前的坐标值为P(x y z)。

步骤S9：建立四旋翼的动力学模型，在模型的基础之上，设计BackStepping控制器，实现四旋翼按指定路径航拍。

在步骤S9主要建立四旋翼的动力学模型，在模型的基础之上推导BackStepping控制率，求解四旋翼运动到下一个航点所需各旋翼驱动电机转速，具体实现方式如下：

步骤S91：图3是本发明动力学模型建立中的四旋翼模型，在该模型的基础之上，根据牛顿-欧拉公式，建立系统的动力学模型如下：

式中，ω_i(i＝1,2,3,4)为四个旋翼的角速度；J_x,J_y,J_z为四旋翼分别单独绕机体系三坐标轴x、y、z转动的转动惯量；分别为四旋翼的航向角，俯仰角与横滚角；b,d分别为旋翼拉力系数与扭矩力系数；l,m分别为四旋翼的半轴长与四旋翼总质量。

步骤S92：四旋翼在受到的合外力不为0的情况下，会沿着合外力的方向运动，将这个合运动按照图3分解到4个方向：上下(U₁)、前后(U₂)、左右(U₃)、偏航(U₄)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=b({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_3^2+{\mathrm{\ω}}_4^2)\\ U_2=b({\mathrm{\ω}}_1^2-{\mathrm{\ω}}_3^2)\\ U_3=b({\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_4^2)\\ U_4=d({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\ω}}_3^2-{\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_4^2)\end{array}\right.---\left(13\right)$

步骤S93：根据BackStepping算法推导到达目标位置需要沿各方向运动的控制律。

步骤S931：四旋翼沿导航坐标系轴Z_e运动到高度z的控制律如下：

$U_1=\frac{m}{\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}}\{z-z_d-g+c_{11}(z^{\′}-{z_d}^{\′})-{z_d}^{\′\′}\}---\left(14\right)$

步骤S932：四旋翼沿导航坐标系轴Y_e运动到位置y处的控制律如下：

步骤S933：四旋翼沿导航坐标系轴X_e运动到位置x处的控制律如下：

步骤S934：四旋翼绕导航坐标系轴Z_e转动到位置处的控制律如下：

式(14)(15)(16)(17)中，c_i(i＝1,2,3...11)为可调参数；J_x,J_y,J_z为四旋翼分别单独绕机体系三坐标轴转动的转动惯量；分别为四旋翼目标的航向角，俯仰角与横滚角；分别为四旋翼当前的航向角，俯仰角与横滚角；x,y,z为四旋翼目标航点坐标；x_d,y_d,z_d为四旋翼当前的位置坐标；l,m分别为四旋翼的半轴长与总质量。

步骤S94：将需要的各方向的运动控制率转换成4个旋翼驱动电机的转速，如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{dU}}_1+2{\mathrm{dU}}_2+{\mathrm{bU}}_4}{4\mathrm{bd}}}\\ {\mathrm{\ω}}_2=\sqrt{\frac{{\mathrm{dU}}_1+2{\mathrm{dU}}_3-{\mathrm{bU}}_4}{4\mathrm{bd}}}\\ {\mathrm{\ω}}_3=\sqrt{\frac{{\mathrm{dU}}_1-2{\mathrm{dU}}_2+{\mathrm{bU}}_4}{4\mathrm{bd}}}\\ {\mathrm{\ω}}_4=\sqrt{\frac{{\mathrm{dU}}_1-2{\mathrm{dU}}_3-{\mathrm{bU}}_4}{4\mathrm{bd}}}\end{array}\right.---\left(18\right)$

b,d分别为旋翼拉力系数与扭矩力系数。

将此转速通过驱动模块输出给4个旋翼驱动电机，驱动四旋翼往指定目标位置前进，最终完成指定路径航拍。

步骤S10：通过3G网络，下传航拍视屏到电脑上位机端。

综上，本发明能在不改变智能手机结构的基础之上，设计了一种可沿指定路径航拍的四旋翼，该四旋翼具有飞行半径大，航拍视屏能够实时下传的特点；同时，本发明专利扩大的智能手机的应用领域，丰富了人们的业余生活。

Claims (2)

1.一种基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍方法，

基于智能手机的四旋翼指定路径航拍系统包括智能手机，四旋翼以及电脑上位机；智能手机固定在四旋翼的机架上用于自主导航与航拍；所述智能手机搭载GPS、气压计、陀螺仪、加速度计、磁强计、摄像头、3G或4G无线网络，并与位于地面的电脑上位机之间无线通讯；

所述四旋翼的机架上设置智能手机接入模块、驱动模块、动力模块、能源模块；其中，动力模块包括四旋翼的电机与螺旋桨，各旋翼的螺旋桨均由一个独立的旋翼驱动电机驱动；智能手机接入模块为四旋翼与智能手机之间的接口，用以固定智能手机到四旋翼的机架上，并通过手机MicroUSB接口与所述驱动模块相连；所述驱动模块由单片机与电子调速器组成，接收智能手机接入模块输出的控制数据，并通过电子调速器输出给旋翼驱动电机；能源模块主要包括锂电池，用以给驱动模块及旋翼驱动电机供电；各模块采用统一接口并能组合或拆卸；

所述电脑上位机用于选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照航点离出发点的距离由近及远的发往智能手机；在智能手机获得航拍视频后，电脑上位机还用于接收航拍视频；

所述智能手机用于实时获取四旋翼位置和姿态数据，并根据该位置和姿态数据进行路径跟踪计算和飞行控制，驱动四旋翼平稳光滑的往目标点运动；同时，智能手机通过自身高清摄像头实时采集该航拍路径上的图像信息，并通过无线网络实时下传航拍视频到电脑上位机上；其特征在于：

基于智能手机的四旋翼飞行器指定路径航拍方法主要包括如下步骤：

首先，通过电脑上位机选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照航点离出发点的顺序由近及远地发往智能手机；之后启动四旋翼开始航拍，其中具体包括：

步骤S1：智能手机初始化、驱动模块初始化；

步骤S2：通过电脑上位机，选取或指定航拍路径并选择该航拍路径上的若干航点，按照航点离出发点的距离由近及远地通过无线网络发往智能手机；并在航点接受完毕之后，由用户通过电脑上位机启动四旋翼开始航拍；

然后，智能手机采用BackStepping路径跟踪算法，平滑的跟踪电脑上位机输出的航点；智能手机利用自带姿态传感器与位置传感器获取的位置和姿态数据，结合BackStepping路径跟踪算法获得旋翼驱动电机需要的控制量，并通过单片机和电子调速器控制4个旋翼驱动电机转速，驱动四旋翼平稳光滑的往目标点运动；同时，智能手机搭载的高清摄像头实时采集该航拍路径上的图像信息，并通过无线网络实时下传航拍视频到电脑上位机上，实现四旋翼按照指定路径航拍，其中具体包括：

步骤S3：智能手机读取加速度计三个轴上的加速度值分别为：a_xb,a_yb,a_zb，通过方向余弦矩阵，估算出四旋翼的横滚角γ_a和俯仰角θ_a；

步骤S4：智能手机读取磁强计三个轴上的磁力强度值分别为：m_xb,m_yb,m_zb，通过绕x,y轴转动后的方向余弦矩阵，估算出四旋翼的航向角

步骤S5：智能手机将四旋翼的横滚角γ_a和俯仰角θ_a与航向角组成全姿态角γ_a，θ_a，利用姿态角到四元数的转化关系，将该组全姿态角转化为全姿态角四元数Q_a(q_a0,q_a1,q_a2,q_a3)；

步骤S6：智能手机读取陀螺仪三个轴上的角速度值分别为：ω_x,ω_y,ω_z，根据四元数的微分方程，求解当前四元数Q_ω(q_ω0,q_ω1,q_ω2,q_ω3)；

步骤S7：设计kalman滤波器将以上两组四元数Q_a(q_a0,q_a1,q_a2,q_a3)与Q_ω(q_ω0,q_ω1,q_ω2,q_ω3)进行融合，估算精确四元数q₀,q₁,q₂,q₃，从而求解精确的姿态角θ，γ，

步骤S8：智能手机读取GPS与气压计数据，作为四旋翼当前的位置坐标x,y,z；

步骤S9：在获取位置和姿态数据后，智能手机自行启动目标追踪任务：建立四旋翼的动力学模型，在该模型的基础之上，设计BackStepping控制器，平滑的跟踪电脑上位机输出的航点并控制四旋翼运动实现按指定路径航拍；

步骤S10：通过无线网络，下传航拍视屏到智能手机上。

2.根据权利要求1所述的指定路径航拍方法，其特征在于：步骤S9中在建立四旋翼的动力学模型后，在模型的基础之上推导BackStepping控制率，并求解四旋翼运动到下一个航点所需各电机转速；其中，

建立的四旋翼的动力学模型如下：

式中，ω_i(i＝1,2,3,4)为四个旋翼的角速度；J_x,J_y,J_z为四旋翼分别单独绕机体系三坐标轴转动的转动惯量；θ，γ分别为四旋翼的航向角，俯仰角与横滚角；b,d分别为旋翼拉力系数与扭矩力系数；l,m分别为四旋翼的半轴长与总质量；

四旋翼在受到的合外力不为0的情况下，会沿着合外力的方向运动，在四旋翼的动力学模型的基础上，将这个合运动分解到4个方向：上下U₁、前后U₂、左右U₃、偏航U₄：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=b({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_3^2+{\mathrm{\ω}}_4^2)\\ U_2=b({\mathrm{\ω}}_1^2-{\mathrm{\ω}}_3^2)\\ U_3=b({\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_4^2)\\ U_4=d({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\ω}}_3^2-{\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_4^2)\end{array}\right.$

然后，根据BackStepping算法推导四旋翼沿导航坐标系三轴运动到达航拍路径目标位置需要沿各方向运动的控制律；

之后，将需要的各方向的运动控制率转换成4个旋翼驱动电机的转速，将此转速输出给4个旋翼驱动电机，驱动四旋翼往指定目标位置前进，最终完成指定路径航拍。