CN105718032A - 隔空操控自拍飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用手势操控的自拍飞行器，作为一种远隔操作设备，远隔操作它进行拍摄。本发明包括可以佩戴在两手前臂的臂环，通过紧贴皮肤表面的两路肌肉电流传感器，检测手臂肌肉运动时产生的肌肉电流，并经过两级差分放大电路，精密整流电路，二阶滤波电路，模拟数字转换电路，以及实时数字信号算法处理，来定义飞行器拍照手势指令；结合运动传感器，依靠陀螺仪和加速度计来检测手臂的空间运动姿态，通过四元数姿态解算法实现对飞行器的飞行控制。本发明的优点是：更人性化和方便快捷，只需动动手臂就能完成各种拍照的需求，无论是位置需求或者是拍照方式的需求，也可以进行定位摄像和移动中摄像。

Description

隔空操控自拍飞行器

技术领域

本发明涉及一种新型的人机交互方式，更确切地说是涉及一种远隔操作设备，并远隔操作进行拍摄的隔空操控自拍飞行器。

背景技术

人类的肌肉由大量的神经元和肌肉纤维组成，骨骼肌由肌肉通过肌腱附着在骨骼上，运动是骨骼配合骨骼肌的收缩产生的，现代医学揭示运动的产生过程；当我们想运动或者做某个运动的时候，大脑通过神经系统向相应的运动神经元发送电信号，神经元接收到电信号后会向它周围的纤维肌肉传递电信号，而肌肉纤维在接收到电信号后会收缩并将维持一定的时间，我们的神经系统可以很快的调整和精确的定位电信号发射的目标，使得肌肉纤维可以被交替触发并收缩。当我们做不同动作时，不同的肌肉或者肌肉群会被触发。在肌肉收缩的过程中，这些交替或者叠加的电信号被称之为肌肉生物电流。

传统的拍照方式或者飞行器飞行方式都是通过按键或者是遥控操作实现的，很多情况下并不方便自拍者的使用或者是多人合拍时总得有人离开队伍去操控拍照设备或者是请求路人帮助。

在搭载设备的飞行器平台的技术上，目前我们已经能够使用遥控装置较成熟的控制飞行器，也可以让飞行器根据指令进行自主定位飞行，在此技术的基础上，我们可以把飞行器的控制指令和手势指令相结合，达到控制飞行器的目的。

通过监测多块肌肉的同步EMG信号，并根据通道间信号的频率、幅度、相位、能量等信息，在一定程度上可以提取各个动作的特征参数，并通过特征参数进行甄别。本发明采用非侵入性的、紧贴或者吸附在肌肉上方皮肤表面的电极来提取肌肉电流信号（EMG），但是该方法由于肌肉内的电流信号需要穿越人体组织到达皮肤表层，所以最终提取到的EMG信号比较微弱，同时混有一些干扰，所以后期信号处理的有较高的算法要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过手臂运动姿态的加速度和角度数据的分析判别，分别实现不同手臂运动姿态对应飞行器不同飞行姿态的隔空操控自拍飞行器。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种隔空操控自拍飞行器，包括用于检测手势的设备，可以穿戴在人左右手的前臂，所述的检测手势的设备主要包括EMGSensor肌电传感器、IMUAHRS运动传感器、Bluetooth无线传输设备、KinetisK60主控芯片。

所述的EMGSensor肌电传感器，内部集成了模拟信号放大电路，将肌肉电流信号进行第一级差分放大，形成放大后的肌肉电流信号，然后进行精密整流，进行滤波处理后放大输出电压信号，由单个信号通道独用的模拟数字转换器电路转换成数字信号，转换后的数字信号是一个连续的电压值，连续变化的信号成波动变化，通过定义这个信号的特征值为某一手势。

所述的IMUAHRS运动传感器，内部集合了三轴陀螺仪和三轴加速度计，包含了嵌入式的姿态数据解算单元，通过测量物体运动的轴向角速度和横向纵向的加速度，用卡尔曼滤波算法进行角速度和加速度的数据融合，来判定手臂在空间的运动姿态、即前后左右和上下。

所述的Bluetooth无线传输设备，数据发射端在手势操控设备上，数据接收端在飞行器上，能够在十公尺的距离内彼此相通，以此用来进行实时的数据传输。

所述的EMGSensor肌电传感器内处理之后的信号结合IMUAHRS运动传感器处理之后所得到的手臂运动姿态通过Bluetooth无线传输设备传输到KinetisK60主控芯片中进行数据处理运算，得到相应的手势信息，手势信息包含经由肌肉电流（EMG）检测出和识别到的手指、手腕的动作；以及IMUAHRS运动传感器采集处理判定后得到的手臂的运动姿态，即手臂运动的加速度，包括角加速度和横向加速度、纵向加速度，手势信息包括但不限于肌肉电流（EMG）信号的振幅，信号的包络，信号的频谱率，信号的能量分布，各个信号之间的相位差和一致性等；手势识别可能需要但不限于运动传感器检测到的加速度和角度信息，以进行更精确的手臂运动姿态的识别。

不同的手势会产生不同的信号，经过处理之后传输到主控芯片，经过主控芯片传输到拍照设备，实现手势指令控制拍照设备拍照的功能，根据不同的手势主控芯片会处理产生不同的指令传输给拍照设备，可分为单拍，多连拍，摄像开启，摄像关闭等指令。

结合IMUAHRS运动传感器，依靠陀螺仪和加速度计来检测手臂的运动姿态，通过测量物体运动的轴向角速度和横向纵向的加速度，用卡尔曼滤波算法进行角速度和加速度的数据融合，来判定手臂的运动姿态。经过主控芯片处理后映射成指令通过无线设备传输到航拍飞行器上，通过四元数姿态解算法实现对飞行器的飞行控制。达到通过手臂前后左右或者上下运动来控制飞行器姿态和位置。

本发明的工作原理是：

当有手势动作时，通过紧贴皮肤的表面电极，可以采集手指动作时引起的肌肉的电流信号（EMG），设备上的运动传感器用来判断手臂在空间的运动方向；经过主控芯片处理后映射成指令通过无线设备传输到航拍飞行器上，执行相应的拍摄和前后左右上下飞行功能。

本发明的有益效果是：

本发明更人性化和方便快捷，只需动动手臂就能完成各种拍照的需求，无论是位置需求或者是拍照方式的需求，也可以进行定位摄像和移动中摄像。

通过手臂运动姿态的加速度和角度数据的分析判别，分别实现不同手臂运动姿态对应飞行器不同飞行姿态的目的，具体可实现前后左后上下的运动，从而实现飞行器搭载拍照设备根据使用者的需求进行不同位置的移动和定位功能。

附图说明

基于手臂肌肉收缩和手势，肌肉收缩和肌肉电流信号（EMG）间的关系，可以通过观察并解析EMG信号获得手势动作的相应特征参数信息，并且进一步应用到手势识别技术上，下面通过附图，对本发明的技术方案作进一步详细描述；

图1为手势识别设备戴在手臂上的位置示意图；

图2为手势识别基本的算法流程；

图3为飞行器执行相关动作的手势图；

图4为手势控制设备操控飞行器的飞行姿态的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的阐述。

如图1、2、3、4所示，本发明公开了一种手势操控的自拍飞行器，作为一种远隔操作设备，并远隔操作进行拍摄，本发明包括检测手势的设备和飞行器，通过紧贴皮肤位置的多路肌肉表皮电流传感器，检测手臂肌肉运动时产生的肌肉电流，并经过三级放大电路，滤波电路，模拟数字转换电路，以及实时数字信号算法处理，来定义飞行器拍照手势指令；结合运动传感器，依靠陀螺仪和加速度计来检测手臂的运动姿态，通过四元数姿态解算法实现对飞行器的飞行控制。本发明的核心是解析手臂肌肉生物电流和手势之间的对应关系，通过EMGSensor肌电传感器、IMUAHRS运动传感器经过实时数据处理，实现手势识别，并将识别后的手势映射成各种控制指令，以实现以手势作为信息输入的方法，然后通过主控芯片对输入指令的接收处理，然后下达对拍照设备和飞行器设备的操作执行指令，达到运动拍照的功能。

以多旋翼飞行器为载体，搭载拍照设备等其他设备，通过手臂运动姿态控制飞行器的飞行定位，到达使用者拍照时拍照设备所要到达的位置，再通过手势操控进行拍照或者摄像，方便使用者的自拍或者多人合拍时的使用。

本发明在实现中的技术是如何从手臂微弱的肌肉生物电流信号中找出各个手势动作的特征参数信息，以此达到手势识别的目的，并且处理后的手势信息能够通过数据传输方式传输到主控芯片中，然后主控芯片多拍照设备和飞行器下达相应的动作指令。

图1是手势检测的设备佩戴在前臂处的位置。此位置集中了大部分的手臂肌肉，可以检测到比较强的表皮肌肉电流信号。通过在设备合适位置放置电极。但是按照不同的应用和成本，选样不同复杂度的算法，本设备可以被设计成包含限定或不限定佩戴位置。臂环可以在一定的位置放置一路或者多路电极，运动传感器，数字信号处理器或者中央处理器(CPU)或者专用集成芯片。

手势检测的设备主要构成部分：设备包括一路或者多路表皮EMG差分电极，用于从手臂皮肤检测出皮下肌肉的EMG信号。原则上，EMG通道越多，则后续手势识别精度越高，但是会带来系统成本、功耗、运算复杂度的上升。表皮EMG信号经差分电极后进入模拟信号放大电路。从表皮采集的EMG原始信号，其振幅通常只在+/-10mv以内，放大电路的作用是将信号扩展到后续模拟数字转换器的有效量程，到达更细分的分辨率。经过放大后的模拟信号，经滤波电路来滤除干扰信号和限制的频率范罔。例如环境中50/60Hz的交流电源干扰可通过设置陷波滤波器滤除。滤波电路电可以在数字化后由数字信号处理器(DSP)或者中央处理器(CPU)或专用集成芯片在数字域通过数字方式实现。放大器电路和滤波电路的次序在实现中可能可以调换。经过放大和滤波后的模拟信号，需要经由模拟数字转换器电路转换到数字领域，然后经数字信号处理器(DSP)或者中央处理器(CPU)或者专用集成芯片进行分析处理，解析提取特征参数，以实现手势识别，设备中包含运动传感器电路，用于检测手臂的运动。

图2示意的是本发明采用和设想的手势识别基本的算法流程。安置在设备上的电极将检测到的表皮肌肉电流信号通过模拟预处理电路进行放大、滤波、经过模拟数字转换器电路转换到数字域。数字化后的信号可通过数字预处理模块进行更精准的数字滤波、整流等处理。其后对信号进行包含了加窗和阈值判断电路等的分段算法。分段后的信号经过相关参数提取算法进行特征参数提取。提取出的特征参数信息通过线性判断分析，例如手势库模糊查寻算法，进行手势甄别，并最终得到最高概率的手势结果。

图3是自行定义的飞行器执行相关动作的手势图。在此示意图中，我们定义（A）打响指这个动作的一瞬间产生的肌肉电流，定义这样的信号特征执行启动飞行器起飞；定义(B)检测到手臂左右运动时运动传感器X轴的角速度，来执行飞行器的左右飞行；定义(C)检测到手臂前后运动时运动传感器Y轴的角速度，来执行飞行器的前进和后退飞行；定义(D)检测到手臂上下运动时运动传感器Z轴的角速度，来执行飞行器的上下运动；定义(E)握拳这个动作的一瞬间产生的肌肉电流，定义这样的信号特征执行启动飞行器降落；由于甩手这个动作一瞬间产生的肌肉电流信号特征值明显，故我们定义甩手这个动作来执行飞行器上的摄像头进行拍摄。

图4示意的是手势控制设备操控飞行器的飞行姿态。它可以替代遥控器或者自动驾驶仪等控制设备控制飞行器。

佩戴在使用者手臂上的检测手势的设备，具有实时检测和识别用户手势的能力，通过将手势映射成相应的控制指令，可以很好的满足这样的需求，这样的设备方便灵巧，可以让用户有更好的体验。

在技术上，当我们做某种手势的时候，相应的肌肉会产生微弱的生物电流，通过检测肌肉电流的微弱变化配合IMUAHRS运动传感器检测到的加速度数据和角度数据，经过实时数字信号算法处理，可以检测出手臂的运动姿态。一种可行的方案是通过EMGSensor肌电传感器，通过采集、放大特定肌肉上在运动过程中产生的微弱电流，经过实时运算和分析，提取特征参数，实现相应手势的甄别。

Claims (7)

1.一种隔空操控自拍飞行器，包括检测手势的设备和飞行器，检测手势的设备穿戴在人左右手的前臂，其特征在于：所述的检测手势的设备主要包括EMGSensor肌电传感器、IMUAHRS运动传感器、Bluetooth无线传输设备、KinetisK60主控芯片。

2.根据权利要求1所述的隔空操控自拍飞行器，其特征在于：所述的EMGSensor肌电传感器紧贴皮肤设置，内部集成了模拟信号放大电路、滤波电路和模拟数字转换器电路。

3.根据权利要求1所述的隔空操控自拍飞行器，其特征在于：所述的IMUAHRS运动传感器，内部集合了三轴陀螺仪和三轴加速度计，包含了嵌入式的姿态数据解算单元。

4.根据权利要求1所述的隔空操控自拍飞行器，其特征在于：所述的Bluetooth无线传输设备，数据发射端在检测手势的设备上，数据接收端在飞行器上。

5.根据权利要求2、3或4所述的隔空操控自拍飞行器，其特征在于：所述的EMGSensor肌电传感器内处理之后的信号结合IMUAHRS运动传感器处理之后所得到的手臂运动姿态通过Bluetooth无线传输设备传输到KinetisK60主控芯片中。

6.根据权利要求1或2所述的隔空操控自拍飞行器，其特征在于：所述的检测手势的设备根据不同的手势会产生不同的信号，经过处理之后传输到主控芯片，经过主控芯片处理后映射成指令通过无线传输设备传输到自拍飞行器上。

7.根据权利要求1或3所述的隔空操控自拍飞行器，其特征在于：检测手势的设备还包括陀螺仪和加速度计。