CN104898524B - 基于手势的无人机遥控系统 - Google Patents

基于手势的无人机遥控系统 Download PDF

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    • G05B19/042Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors

Abstract

本发明公开了一种基于手势的无人机遥控系统,包括一个佩带在操作人员身上的固定设备和一个安装在无人机上的飞行控制器。固定设备用于探测人手或人手上的设备的实时运动轨迹,并将人手或人手上的设备的实时运动轨迹进行处理后作为对无人机运动的遥控指令发送给无人机;飞行控制器用于接收固定设备发来的对无人机运动的遥控指令,根据遥控指令的内容实时驱动无人机进行与人手或人手上的设备的实时运动轨迹相一致的运动。本发明避免了视觉图像检测识别方式需要预先建立手势库、手势识别准确度低、算法繁杂、运算量大的缺点,所需的硬件设备投入和软件开发难度都大大降低,适合在无人机应用中推广普及。

Description

基于手势的无人机遥控系统
技术领域
[0001] 本发明涉及人机交互技术领域,更具体地,涉及一种通过手势操控无人机的系统。
背景技术
[0002] 近年来随着无人机技术的发展普及,遥控技术也日趋成熟,目前多数是通过专用 的遥控器对无人机进行操作,比如基本的方向控制,均是通过在遥控器上设置多个方向控 制实体按键或摇杆,或者在遥控器的触摸屏上设置多个方向控制的虚拟按键来实现无人机 前后左右上下的空间三维运动。
[0003] 但是这种实现方法具有很大的不足,一是对于操作人员的要求很高,一般需要经 过专门的培训才能掌握无人机的驾驶技巧,这类无人机驾驶员在业内被称为“飞手”,根据 我国2014年发布的《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》,无人机驾驶员必须持 证上岗,该门槛在很大程度上影响了无人机的普及。二是控制方式不直观、不精确,这种操 控方式是通过多个按键组合输出一个飞行指令,属于模糊控制,因此即使是有经验的无人 机驾驶员,对于一些特定工况下的无人机复杂运动操作,也会显得力不从心。例如在飞行通 道狭窄、以及飞行路线不规则的情况下,稍有操作失误就会导致任务失败导致是坠机事故。
[0004] 人的手势可以说是最自然、直观、易于学习的交流手段,更是人机交互中最好的输 入工具。手势控制作为一种新型的非接触操作方式为人们的生活和工作带来了极大的便 利。目前应用最为普遍的是基于视觉图像的手势识别技术,虽然具有操作便捷,人机交互自 然的优点,但受制于硬件成本和技术实现难度,远非完美的解决方案。
发明内容
[0005] 为解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供一种基于手势的无人机遥控系统 及遥控方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007] 一种基于手势的无人机遥控系统,包括如下组件:
[0008] 一个佩带在操作人员身上的固定设备,用于探测人手或人手上的设备的实时运动 轨迹,并将人手或人手上的设备的实时运动轨迹进行处理后作为对无人机运动的遥控指令 发送给无人机;
[0009] 一个安装在无人机上的飞行控制器,用于接收固定设备发来的对无人机运动的遥 控指令,根据遥控指令的内容实时驱动无人机进行与人手或人手上的设备的实时运动轨迹 相一致的运动;
[0010] 所述遥控系统预设有一组遥控开始指令和遥控结束指令;所述遥控系统以人手的 两种不同动作分别识别作为遥控开始指令、遥控结束指令,当人手进行第一动作时,所述遥 控系统开始工作,当人手进行第二动作时,所述遥控系统停止工作;或者,所述遥控系统设 置有一个按钮,将所述按钮按下、弹起的状态识别作为遥控开始指令、遥控结束指令,当所 述按钮按下时,所述遥控系统开始工作,当所述按钮弹起时,所述遥控系统停止工作;
[0011] 以一对遥控开始指令和遥控结束指令之间的系统运行作为一次遥控操作,通过一 次或多次遥控操作,直至完成整个遥控流程。
[0012] 其进一步的技术方案为:
[0013] 所述固定设备和所述飞行控制器内分别安装有位置侦测装置,用于获取在人手开 始动作之前无人机与固定设备之间的距离X1;
[0014] 所述固定设备内安装有运动侦测装置,用于获取在人手开始动作之前人手或人手 上的设备与固定设备之间的距离X,以及人手或人手上的设备的运动方向Az和运动距离y;
[0015] 所述固定设备内安装有处理装置,用于根据已知的xi、x、y以及公Sxi/x = yi/y计 算得到无人机的飞行距离yi;并根据已知的Az作为无人机的飞行方向AZ1^无人机的飞行 方向AZ1和飞行距离yi打包为遥控指令;
[0016] 所述固定设备和所述飞行控制器内分别安装有发射装置和接收装置;用于将处理 装置计算得到的包含无人机的飞行方向AZ1和飞行距离yi的遥控指令发送至无人机上的飞 行控制器并接收。
[0017] 其进一步的技术方案为:
[0018]第一种方案:所述固定设备为佩带在操作人员头部的智能眼镜,所述安装在固定 设备内的运动侦测装置为所述智能眼镜上安装的多个成像装置、三轴陀螺仪以及磁罗盘; 所述多个成像装置用于获取在人手开始动作之前人手与固定设备之间的距离x以及人手的 运动距离y;所述三轴陀螺仪和磁罗盘用于获取人手的运动方向Az。
[0019] 对于第一种方案:所述多个成像装置还将获取人手运动前后的起始朝向角度a和 结束朝向角度根据a和财十算得到人手朝向角度的改变量,以此作为对无人机机身朝向的 遥控指令。
[0020] 第二种方案:所述安装在固定设备内的运动侦测装置为GPS定位装置;此外还包括 一个由操作人员手持的手持设备,所述手持设备上设置有一个抓取按钮,并且所述手持设 备内同样安装有GPS定位装置;当所述抓取按钮处于按下状态时,固定设备和手持设备内的 两套GPS定位装置工作,分别获取在人手开始动作之前固定设备的三维坐标〇 (ai,h,Cl)以 及人手运动前后手持设备的起始三维坐标B (a3,b3,c3)和结束三维坐标C (a4,b4,C4);根据坐 标0 (ai,bi,Cl)和坐标B (a3,b3,C3)计算得到在人手开始运动之前手持设备与固定设备之间 的距离x,并根据坐标B (a3, b3, c3)和坐标C (a4, b4,C4)计算得到手持设备的运动方向Az和运 动距离y。
[0021]第三种方案:所述安装在固定设备内的运动侦测装置为由多个RFID天线组成的可 以辨别方向的RFID群组接收装置;此外还包括一个由操作人员手持的手持设备,所述手持 设备上设置有一个抓取按钮,并且所述手持设备内安装有RFID发射装置;当所述抓取按钮 处于按下状态时,固定设备和手持设备内的RFID群组接收装置和RFID发射装置工作,获取 在人手开始动作之前人手与固定设备之间的距离X、人手的运动距离y以及运动方向Az。 [0022]对于第二、第三种方案:所述手持设备内还设有三轴陀螺仪和磁罗盘,当所述抓取 按钮处于按下状态时,所述三轴陀螺仪和磁罗盘获取人手运动前后手持设备的起始朝向角 度a和结束朝向角度0;根据a和0计算得到手持设备朝向角度的改变量,以此作为对无人机 机身朝向的遥控指令。
[0023]此外,所述安装在固定设备和飞行控制器内的位置侦测装置为两套GPS定位装置; 所述两套GPS定位装置分别获取在人手开始动作之前固定设备的三维坐标〇(&1,比,C1)以及 无人机的三维坐标A (a2,h,〇2),并根据坐标0 (ai,bi,ci)和坐标A (a2,b2,C2)计算得到无人机 与固定设备之间的距离XI。
[0024]本发明的有益技术效果是:
[0025]本发明所公开的无人机遥控方法与现有基于视觉图像检测的遥远技术相比,原理 更简单且易于实现,避免了视觉图像检测技术中需要预先建i手势库、手势识别准确度低、 算法繁杂、运算量大的缺点,所需的硬件设备投入和软件开发难度都大大降低,并且遥远操 作十分简单,对手势指令的识别精确度也很优秀,有利于应用到无人机中,适合推广普及。
附图说明
[0026]图1是本发明实施例1控制方式的示意图。
[0027]图2是本发明实施例1控制方式的俯视示意图。
[0028]图3是本发明实施例2控制方式的示意图。
[0029]图4是本发明对无人机飞行控制距离按比例放大的示意图。
[0030]图5是本发明对无人机机身朝向控制的示意图。
[0031]图6是本发明对无人机的最低限制高度控制示意图。
[0032]图7是本发明对无人机的安全半径范围控制示意图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0034]【实施例1】
[0035]如图1、图2和图4所示,本实施例的无人机遥控系统,包括一个佩带在操作人员头 部的智能眼镜1 (即固定设备)和一个安装在无人机机身上的飞行控制器2。该智能眼镜1内 部至少需要配置一对多红外或热成像或可见光摄像头、一个三轴陀螺仪、一个磁罗盘、一个 处理装置以及一个发射装置。该飞行控制器2内部至少需要配置一个GPS定位装置和一个接 收装置。
[0036]参见图1、图2,利用上述系统进行无人机手势遥控的步骤如下:
[0037]首先,无人机驾驶员在头部佩带本发明的智能眼镜1。智能眼镜1内置锂电池,可以 保证长时间续航。
[0038]在遥控开始前,要对系统预设一个遥控开始指令和一个遥控结束指令,例如可以 将图1中所示的人手的抓取和放开动作识别作为遥控开始指令及遥控结束指令,当人手抓 握时开始遥控,人手松开时停止遥控;或者,可以在智能眼镜1上设置一个按钮,以该按钮的 状态作为遥控开始指令及遥控结束指令,当该按钮按下时开始遥控,当该按钮弹起时停止 遥控。
[0039]确定了无人机的遥控飞行方向及飞行距离后,手势遥控开始。系统收到遥控开始 指令后,智能眼镜1内的GPS定位装置工作,获取智能眼镜丨当前所在三维坐标0(ai,bl,Cl), 同时飞行控制器2内的GPS定位装置工作,获取无人机当前所在的三维坐标A (a2,b2,C2),根 据坐标0 (ai, bi,ci)和A (as,b2,c2)计算得到当前无人机与智能眼镜丨之间的距离X1。注:本发 明中所述的距离均指没有方向的绝对值距离。
[0040] 智能眼镜1内安装有成像装置,所述成像装置可以为红外摄像装置、热成像装置或 可见光成像装置。成像装置工作,通过红外、热成像或可见光成像获取当前人手与智能眼镜 1之间的距离x。然后人手像在空气中“作画”般,向无人机意图飞行的方向(可以是任何角 度)移动意图的距离(该距离不能超过人手臂伸展所能达到的最长距离)。在此过程中,人手 必须始终保持在操作人员的智能眼镜1的注视范围内(见图2)。智能眼镜1内的成像装置实 时获取运动过程中人手的运动距离y。智能眼镜1内的三轴陀螺仪和磁罗盘实时获取运动过 程中人手的运动方向Az。直至收到遥控结束指令后。
[0041] 在本发明中,由于人手臂长度有限,人手的运动距离和无人机的运动距离是按比 例放大的。本发明中,智能眼镜1内的处理装置根据己知的Xi、x、y,并根据放大比例公式X1/X =yi/y,计算得到无人机的飞行距离yi (见图4)。从上述公式可知,该放大比例是根据无人机 与驾驶员的距离以及人手与智能眼镜的距离不断变化的。例如当前无人机在驾驶员前方 lm,人手与智能眼镜距离10cm,此时人手向前移动距离50cm,则无人机向前飞行距离放大为 5m。上述控制后,无人机己在驾驶员前方6m,此时人手缩回到原位置后(缩回时松开抓取按 钮),人手再次向前移动距离50cm,则无人机向前飞行距离放大为30m。以此类推。因此对于 长距离的运动,就需要无人机驾驶员进行多次重复操作动作,即手持手柄甩臂划出多道指 令来完成遥控。
[0042] 同时,将已知的Az直接作为无人机的飞行方向Azi。
[0043] 处理装置实时地将上述无人机的飞行方向AZ1和飞行距离yi信息打包为实时的遥 控指令不间断的发送至无人机。
[0044]此外,由于有些无人机机身上安装有摄像装置,有时需要对摄像装置的朝向进行 调整,因此本发明的遥控系统还加入了对无人机机身朝向的遥控。是通过智能眼镜1的成像 装置检测人手腕转动状态来实现的(见图5)。智能眼镜1内的处理装置可以获取人手当前的 朝向角度a,无人机驾驶员转动,通过处理装置计算人手腕转动前后起始朝向角度a和结束 朝向角度0之间的差值,作为对无人机机身朝向的控制指令,打包入上述遥控指令。
[0045]与此同时,智能眼镜1将上述遥控指令通过发射装置实时发送到无人机上的飞行 控制器,由飞行控制器内的接收装置接收。飞行控制器根据实时的遥控指令驱动无人机的 动作机构-发动机作出改变,进行机身朝向自转,并向相应的飞行方向八21飞行相应的飞行 距离yi,该次遥控操作完成。
[0046]再次进行上述遥控操作。直至完成整个遥控流程。
[0047]注:飞行控制器对于遥控指令的响应从原理上来讲应该是实时的。在实际应用中 由于信号传输的延迟,飞行控制器对于遥控指令的响应也会有一定延时,该延时是可接受 的,不会产生太大的影响。
[0048]【实施例2】
[0049]如图3和图4所示,本实施例的无人机遥控系统,包括一个佩带在操作人员腰部或 胸部的固定设备1、一个安装在无人机机身上的飞行控制器2以及一个由操作人员手持的手 持设备3。所述固定设备1内部至少需要配置一个GPS定位装置、一个处理装置以及一个发射 装置。所述飞行控制器2内部至少需要配置一个GPS定位装置和一个接收装置。所述手持设 备3上至少设置有一个抓取按钮3-1、手持设备3内部至少需要配置一个GPS定位装置、一个 三轴陀螺仪以及一个磁罗盘。
[0050]参见图3和图4,利用上述系统进行无人机手势遥控的步骤如下:
[0051]首先,无人机驾驶员在腰部或胸部佩带本发明的固定设备1。固定设备1的体积很 小,可以放置在无人机驾驶员的上衣口袋里或者别在皮带上;其内置锂电池,可以保证长时 间续航。
[0052]确定了无人机的遥控飞行方向及飞行距离后,见图3,操作人员手持手持设备3,按 下抓取按钮3-1,手势遥控开始。固定设备1内的GPS定位装置工作,获取固定设备1当前所在 三维坐标0 (ai,h,Cl),同时飞行控制器2内的GPS定位装置工作,获取无人机当前所在的三 维坐标A (a2,b2,c2),根据坐标0 (ai,bi,ci)和A (a2,b2,C2)计算得到当前无人机与固定设备1 之间的距离X1。该过程与实施例1相同。
[0053]操作人员按下抓取按钮3-1的同时,固定设备1与手持设备3内的GPS定位装置同时 工作,分别获取固定设备1当前所在三维坐标0 (ai,h,C1)以及手持设备3当前所在三维坐标 B (a3,b3,C3),根据坐标0 (ai,bi,ci)和坐标B (a3,b3,C3)计算得到当前手持设备3与固定设备1 之间的距离X。
[0054] 保持手持设备3的抓取按钮3-1处于按下状态,然后像在空气中“作画”般,将手持 设备3沿无人机意图飞行的方向(可以是任何角度)移动意图的距离(该距离不能超过人手 臂伸展所能达到的最长距离),然后松开抓取按钮3-1,手势遥控结束。手持设备3内的GPS定 位装置获取手持设备3当前所在三维坐标C(a4,b4,C4)。
[0055] 根据手持设备3运动如后的坐标B (a3,b3,C3)和C (a4,b4,C4)计算得到手持设备3运 动方向Az和运动距离y。上述计算为常规计算。
[0056]见图4,与实施例1相同,固定设备1内的处理装置根据已知的xi、x、y,并根据放大 比例公式xi/x = yi/y,计算得到无人机的飞行距离yi。同时,已知的Az直接作为无人机的飞 行方向AZ1。然后,将上述无人机的飞行方向AZ1和飞行距离71信息打包为遥控指令。
[0057] 对无人机机身朝向的遥控,是通过人手腕转动配合手持设备3内置的三轴陀螺伩 和磁罗盘来实现的。见图5,当抓取按钮处于按下状态时,固定设备1内的处理装置可以获取 三轴陀螺仪和磁罗盘发来的手持设备3当前的朝向角度a,无人机驾驶员转动手腕,手持设 备3的朝向相应转动,通过处理装置计算手持设备在人手腕转动前后起始朝向角度a和结束 朝向角度P之间的差值,作为对无人机机身朝向的控制指令,打包入上述遥控指令。
[0058]与此同时,固定设备1将上述遥控指令通过发射装置实时发送到无人机上的飞行 控制器,由飞行控制器内的接收装置接收。飞行控制器根据遥控指令驱动无人机的动作机 构-发动机作出改变,进行机身朝向自转,并向相应的飞行方向AZ1飞行相应的飞行距离yi, 该次遥控操作完成。
[0059] 再次进行上述遥控操作。直至完成整个遥控流程。
[0060]【实施例3】
[0061]实施例3与实施例2基本相同,不同之处仅在于实施例3中安装在固定设备内的运 动侦测装置为由多个RFID天线组成的可以辨别方向的RFID群组接收装置;手持设备内安装 的是RFID发射装置。当所述抓取按钮处于按下状态时,固定设备和手持设备内的RFID群组 接收装置接收装置和RFID发射装置工作,通过RFID技术获取在人手开始动作之前人手与固 定设备之间的距离X、人手的运动距离y以及运动方向Az。
[0062] 此外,如图6和图7所示,在本发明中可以设定一个无人机飞行的最低限制高度(见 图6)和飞行的安全半径范围(见图7)。例如在图6中,当无人机已经飞行至最低高度时,对于 继续降低高度的遥控指令将不再作出反应;在图7中,当无人机己经飞行至安全半径范围的 边界时,对于继续向安全半径范围外飞行的遥控指令将不再作出反应。以此来保证无人机 的飞行安全。
[0063]综上所述,在本发明中,由于无人机的运动轨迹和人手的移动轨迹是一致的,且人 手是十分灵活性的,人手可以向任意方向运动,因此相应的可以实现无人机向任意方向的 运动,实现了无人机驾驶员的“所想” 8卩“所得”。
[0064]以上所述的仅是本发明的优选实施方式,本发明不限于以上实施例。可以理解,本 领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变 化,均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种基于手势的无人机遥控系统,其特征在于,包括如下组件: 一个佩带在操作人员身上的固定设备,用于探测人手或人手上的设备的实时运动轨 迹,并将人手或人手上的设备的实时运动轨迹进行处理后作为对无人机运动的遥控指令发 送给无人机; 一个安装在无人机上的飞行控制器,用于接收固定设备发来的对无人机运动的遥控指 令,根据遥控指令的内容实时驱动无人机进行与人手或人手上的设备的实时运动轨迹相一 致的运动; 所述遥控系统预设有一组遥控开始指令和遥控结束指令;所述遥控系统以人手的两种 不同动作分别识别作为遥控开始指令、遥控结束指令,当人手进行第一动作时,所述遥控系 统开始工作,当人手进行第二动作时,所述遥控系统停止工作;或者,所述遥控系统设置有 一个按钮,将所述按钮按下、弹起的状态识别作为遥控开始指令、遥控结束指令,当所述按 钮按下时,所述遥控系统开始工作,当所述按钮弹起时,所述遥控系统停止工作; 以一对遥控开始指令和遥控结束指令之间的系统运行作为一次遥控操作,通过一次或 多次遥控操作,直至完成整个遥控流程。
2. 根据权利要求1所述的基于手势的无人机遥控系统,其特征在于: 所述固定设备和所述飞行控制器内分别安装有位置侦测装置,用于获取在人手开始动 作之前无人机与固定设备之间的距离; 所述固定设备内安装有运动侦测装置,用于获取在人手开始动作之前人手或人手上的 设备与固定设备之间的距离X,以及人手或人手上的设备的运动方向Az和运动距离y; 所述固定设备内安装有处理装置,用于根据已知的x:i、x、y以及公式xi/xiyi/y计算得 到无人机的飞行距离y1;并根据已知的Az作为无人机的飞行方向Az1;将无人机的飞行方向 AZ1和飞行距离yi打包为遥控指令; 所述固定设备和所述飞行控制器内分别安装有发射装置和接收装置;用于将处理装置 计算得到的包含无人机的飞行方向AZ1和飞行距离遥控指令发送至无人机上的飞行控 制器并接收。
3. 根据权利要求2所述的基于手势的无人机遥控系统,其特征在于:所述固定设备为佩 带在操作人员头部的智能眼镜,所述安装在固定设备内的运动侦测装置为所述智能眼镜上 安装的多个成像装置、三轴陀螺仪以及磁罗盘;所述多个成像装置用于获取在人手开始动 作之前人手与固定设备之间的距离x以及人手的运动距离y;所述三轴陀螺仪和磁罗盘用于 获取人手的运动方向Az。
4. 根据权利要求3所述的基于手势的无人机遥控系统,其特征在于:所述多个成像装置 还将获取人手运动前后的起始朝向角度a和结束朝向角度P;根据a和拆十算得到人手朝向角 度的改变量,以此作为对无人机机身朝向的遥控指令。
5. 根据权利要求2所述的基于手势的无人机遥控系统,其特征在于:所述安装在固定设 备内的运动侦测装置为GPS定位装置;此外还包括一个由操作人员手持的手持设备,所述手 持设备上设置有一个抓取按钮,并且所述手持设备内同样安装有GPS定位装置;当所述抓取 按钮处于按下状态时,固定设备和手持设备内的两套GPS定位装置工作,分别获取在人手开 始动作之前固定设备的三维坐标〇 (ai,&〆:〇以及人手运动前后手持设备的起始三维坐标B (a3,b3,C3)和结束三维坐标C (a4,b4,C4);根据坐标〇 (ai,bi,ci)和坐标B (a3,b3,C3)计算得至IJ 在人手开始运动之前手持设备与固定设备之间的距离X,并根据坐标8(&3,1)3,〇3)和坐标0 (a4,b4,C4)计算得到手持设备的运动方向Az和运动距离y。
6. 根据权利要求2所述的基于手势的无人机遥控系统,其特征在于:所述安装在固定设 备内的运动侦测装置为由多个RFID天线组成的可以辨别方向的RFID群组接收装置;此外还 包括一个由操作人员手持的手持设备,所述手持设备上设置有一个抓取按钮,并且所述手 持设备内安装有RFID发射装置;当所述抓取按钮处于按下状态时,固定设备和手持设备内 的RFID群组接收装置和RFID发射装置工作,获取在人手开始动作之前人手与固定设备之间 的距离X、人手的运动距离y以及运动方向Az。
7. 根据权利要求5或6所述的基于手势的无人机遥控系统,其特征在于:所述手持设备 内还设有三轴陀螺仪和磁罗盘,当所述抓取按钮处于按下状态时,所述三轴陀螺仪和磁罗 盘获取人手运动前后手持设备的起始朝向角度a和结束朝向角度h根据a和M十算得到手持 设备朝向角度的改变量,以此作为对无人机机身朝向的遥控指令。
8. 根据权利要求2所述的基于手势的无人机遥控系统,其特征在于:所述安装在固定设 备和飞行控制器内的位置侦测装置为两套GPS定位装置;所述两套GPS定位装置分别获取在 人手开始动作之前固定设备的三维坐标〇(£11,出,(:1)以及无人机的三维坐标八(32,132'2),并 根据坐标〇 (ai,bi,ci)和坐标A (a2,b2,C2)计算得到无人机与固定设备之间的距呙X1。
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