CN105786011A - 一种遥控飞行器的控制方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种遥控飞行器的控制方法及设备，属于无线遥控技术领域。该飞行器遥控设备由主遥控设备和从遥控设备两个设备组成，主/从遥控设备硬件模块都为：高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)、射频模块、电源模块、MCU模块、存储模块。软件功能模块分别为：主遥控设备：数据存储模块、信息采集模块、第一无线通信模块、第二无线通信模块、飞行控制模块；从遥控设备：数据存储模块、信息采集模块、无线通信模块。遥控飞行器的控制方法为：通过主/从遥控设备间的交互确定主/从遥控设备相互间的三维空间位置关系，从而控制飞行器的飞行状态。本发明在遥控飞行器的过程中，操作简便、直观、趣味性强，能够很好的满足客户的需求与体验。

Description

一种遥控飞行器的控制方法及设备
技术领域
本发明属于无线遥控技术领域，涉及一种遥控飞行器的控制方法及设备。
背景技术
目前，遥控飞行器的应用范围越来越广泛，传统的飞行器遥控设备，操纵上大多以推拉操作杆或点击固定飞行姿态按钮的方式，操纵趣味性、直观性弱，新手不易上手。若能把控制器的姿态变化直接映射到飞行器的飞行状态上，飞行器控制的趣味性与易操作性将大大提高。
因此，发明一种利用改变遥控器在物理三维空间的位置达到控制飞行器飞行状态的方法与设备，具有良好的实际意义和应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种遥控飞行器的控制方法及设备，通过主/从遥控设备间的交互确定主/从遥控设备相互间的三维空间位置关系，从而控制飞行器的飞行状态。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种遥控飞行器的控制设备，所述控制设备包括主遥控设备和从遥控设备，通过主遥控设备和从遥控设备间的交互确定主遥控设备和从遥控设备相互间的三维空间位置关系，从而控制飞行器的飞行状态。
进一步，所述主遥控设备包括高精度惯性导航模块、第一无线通信模块、第二无线通信模块、电源模块，MCU模块和存储模块；
所述从遥控设备包括高精度惯性导航模块、无线通信模块、电源模块，MCU模块和存储模块；
所述高精度惯性导航模块由陀螺仪、加速度传感器及地磁场传感器组成，高精度惯性导航模块实时输出三维空间加速度、角速度、方向偏移等物理参数，从遥控设备中的MCU模块将采集到的实时参数数据通过无线通信模块发送给主遥控设备的第一无线通信模块，从而主遥控设备实时获知主遥控设备和从遥控设备当前的三维空间位置物理参数；所述主遥控设备将接收到的三维空间位置物理参数转换为三维坐标，通过主/从遥控设备的坐标关系得到对飞行器的控制命令，并将飞行控制命令通过第二无线通信模块发送到飞行器。
进一步，所述主遥控设备和从遥控设备采用手套造型，但不限于此造型；操作者两手穿戴手套，通过控制两手间相对的三维空间位置关系对飞行器进行遥控。
本发明还提供了一种遥控飞行器的控制方法，在该方法中，采用主/从遥控设备实现对飞行器的飞行控制；通过主遥控设备和从遥控设备间的交互确定主遥控设备和从遥控设备相互间的三维空间位置关系，并通过主/从遥控设备的坐标关系得到对飞行器的控制命令，从而控制飞行器的飞行状态。
进一步，该方法包括以下步骤：
步骤一：主遥控设备和从遥控设备接触，完成初始化；
步骤二：主遥控设备和从遥控设备分离，主/从遥控设备上的高精度惯性导航模块输出三维空间加速度、角速度、方向偏移等物理参数，从遥控设备将实时参数数据通过射频模块发送给主遥控设备第一无线通信模块，主遥控设备实时获知主/从设备当前三维空间位置物理参数；
步骤三：主遥控设备对接收到的三维空间位置物理参数采用相关算法将其转换为三维坐标；
步骤四：主遥控设备上的飞行控制模块通过主/从遥控设备的三维坐标关系得到对飞行器的控制命令，并将飞行控制命令通过第二无线通信模块发送到飞行器，实现对飞行器的控制。
进一步，在所述步骤中，主/从遥控设备与飞行器处于不同的三维坐标系，但两个坐标系方向相同，坐标系原点可以不同，且Z轴方向与物理地面垂直；所述主遥控设备三维空间位置坐标为A(XA，YA，ZA)，从遥控设备三维空间位置坐标为B(XB，YB，ZB)，飞行器在三维空间的飞行速度V(Vx，Vy，Vz)。
进一步，在步骤四中，飞行器速度按三维方向分解后，某方向上的速度V与主/从设备在该方向上的距离ΔS关系满足V＝F(ΔS)，其中F(ΔS)函数满足ΔS越大函数值的绝对值越大的特性，且返回的速度值正负与ΔS一致；
设置垂直方向距离基准参数S′,飞行器垂直方向速度Vz＝F(|ZA-ZB|-S′)，|ZA-ZB|为主/从遥控器之间垂直方向距离差的绝对值，设置固定距离阈值Slimit，S′与Slimit关系满足
飞行器水平方向分解速度Vx＝F(XA-XB)，Vy＝F(YA-YB)。飞行器最终飞行速度为Vx、Vy、Vz、三方向速度合成。
进一步，飞行器起飞前，主/从遥控器接触，分离前最后一刻双方坐标相同，且设置为坐标系原点；主/从遥控器分离后，在垂直方向的距离绝对值|ZA-ZB|达到Slimit前，飞行器在垂直方向的速度方向始终向上；飞行器在飞行过程中，若主/从遥控器接触，则飞行器进入自动着陆流程，直到自动着陆完成，在着陆过程中，主/从遥控器位置变化不再对飞行器的控制产生影响。
本发明的有益效果在于：本发明在遥控飞行器的过程中，操作简便、直观、趣味性强，能够很好的满足客户的需求与体验。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明遥控设备的硬件结构图；
图2为本发明遥控设备的软件功能图；
图3为本发明控制方法的控制流程图；
图4为本发明控制方法的三维示意图1；
图5为本发明控制方法的三维示意图2。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明的设备由主遥控设备、从遥控设备、飞行器组成，其中，遥控飞行器的控制设备为：主遥控设备和从遥控设备。
本发明所述的飞行器的飞行功能定义为：具备向任意方向飞行的功能。
由图1本发明遥控设备的硬件结构图可知，主遥控设备的硬件组成部分为：高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)、射频模块1、射频模块2、MCU模块、电源模块、存储模块，从遥控设备的硬件组成部分为：高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)、射频模块、MCU模块、电源模块、存储模块，主/从遥控设备分别集成在两张PCB板上，相互独立。
由图5本发明控制方法的三维示意图2可知，主/从遥控设备的外观均设计为魔术手套造型，操作者两手穿戴魔术手套，通过控制两手间相对的三维空间位置关系对飞行器进行遥控。
由图1本发明遥控设备的硬件结构图可知，主遥控设备硬件模块的功能为：1、高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)：用于采集主遥控设备的三维加速度、三维角速度、三维方向偏移等数据；2、硬件射频模块1：用于与从遥控设备的射频模块，通过蓝牙协议进行无线通信；3、硬件射频模块2：用于与飞行器的射频模块，通过2.4G的增强型802.11协议进行无线通信；4、硬件存储模块：用于存储高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)采集到的数据信息，提供射频模块接收和发送所需的内存、提供MCU模块进行计算处理所需的内存；5、电源模块：用于为主遥控设备的各个模块提供匹配的电源；6、MCU模块：用于为主遥控设备进行计算处理方面的支持。
从遥控设备硬件模块的功能为：1、高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)：用于采集从遥控设备的三维加速度、三维角速度、三维方向偏移；2、硬件射频模块：用于与主遥控设备的射频模块，通过蓝牙协议进行无线通信；3、硬件存储模块：用于存储高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)采集到的数据信息，提供射频模块接收和发送所需的内存、提供MCU模块进行计算处理所需的内存；4、电源模块：用于为从遥控设备的各个模块提供匹配的电源；5、MCU模块：用于为从遥控设备进行计算处理方面的支持。
由图2本发明遥控设备的软件功能图可知，主遥控设备软件模块的功能为，具体为：1、数据存储模块，用于存储主/从遥控设备的高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)采集到的三维加速度、三维角速度、三维方向偏移信息数据，存储控制模块计算处理的过程数据；2、信息采集模块，MCU模块从高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)采集数据；3、第一无线通信模块，用于通过硬件射频模块1与从遥控设备通过蓝牙协议通信，获取从遥控设备上传来的高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)采集到的数据；4、第二无线通信模块，用于通过硬件射频模块2与飞行器通过2.4G的增强型802.11协议，将实时遥控指令发送到飞行器；5、飞行控制模块：根据主/从遥控设备上获取的高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)的实时信息数据，利用控制算法，计算处理后输出飞行器的实时控制指令。
从遥控设备软件模块的功能为，具体为：1、数据存储模块，用于存储从遥控设备上高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)采集到的数据；2、信息采集模块，MCU模块从高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)采集数据；3、无线通信模块，使用硬件射频模块，通过蓝牙通信协议实时将采集到的信息数据传输到主遥控设备。
从遥控设备各模块间互相配合的工作流程，具体为：电源模块为其余各个模块供应配套的电源；高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)将从遥控设备的数据信息输出给信息采集模块；信息采集模块将数据存储在存储模块供MCU实时查看；从遥控设备的射频模块的频率、通信协议与主遥控设备的射频模块1相匹配；从遥控设备的MCU模块对高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)进行管理，使用蓝牙通信协议，将存储在存储模块的信息发送到主遥控设备。
主遥控设备各模块间互相配合的工作流程，具体为：电源模块为其余各个模块供应配套的电源；高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)将获取的主遥控设备的数据信息输出给信息采集模块；信息采集模块将数据存储在存储模块供MCU实时查看；主遥控设备的射频模块1的频率、通信协议与从遥控设备的射频模块相匹配，并通过蓝牙通信协议，接收从遥控设备发来的各种参数信息；主遥控设备的射频模块2的频率、通信协议与飞行器的射频模块相匹配；主遥控设备的MCU模块对高精度惯性导航模块(陀螺仪、加速度传感器、地磁场传感器)进行管理，将主/从遥控设备采集的数据信息，利用控制算法，计算处理后输出飞行器控制指令，并通过射频模块2，使用2.4G的增强型802.11协议，发送到飞行器，对飞行器进行控制。
参照图3、图4、图5，遥控飞行器的控制方法为：通过主/从遥控设备间的交互确定主/从遥控设备相互间的三维空间位置关系，从而控制飞行器的飞行状态。具体遥控操作包括以下方法：
首先两手分别戴着嵌入主/从遥控设备的魔术手套，设：主遥控设备A与从遥控设备B在三维空间的坐标分别为A(XA，YA，ZA)与B(XB，YB，ZB)，飞行器三维飞行速度为V(Vx，Vy，Vz)，飞行器三维坐标系的X、Y、Z三维方向与主/从设备坐标系X、Y、Z方向一致，其中Z轴对应地平面的垂直方向,X轴、Y轴方向属于水平平面方向，函数V＝F(ΔS)为遥控设备距离与飞行器速度映射模型算法函数。
设置垂直方向距离基准参数S′，飞行器垂直方向速度Vz＝F(|ZA-ZB|-S′)，|ZA-ZB|为主/从遥控器之间垂直方向距离差的绝对值，垂直距离基准参数初始值S′＝0，设定垂直方向的阈值为Slimit为30厘米，S′与Slimit关系满足
飞行器水平方向分解速度Vx＝F(XA-XB)，Vy＝F(YA-YB)。
如图5(A)所示，开始时,两手接触在一起，主/从遥控设备进行初始化，飞行器处于停机状态(速度为0)，两个魔术手套分开前最后时刻，两手套所在位置为坐标系原点，即坐标A(XA，YA，ZA)＝B(XB，YB，ZB)＝(0，0，0)。
遥控方法1：首次垂直拉开两手间的距离，主/从遥控设备开始工作，飞行器开始起飞。垂直距离基准参数初始值S′＝0。
具体实施例1：参照图5(B-1)，飞行器首次起飞后，双手垂直距离差满足|ZA-ZB|＜Slimit，此时无论两手间的垂直距离增大或减小，飞行器都向上飞行：Vz＝F(|ZA-ZB|-S′)＝F(|ZA-ZB|-0)，且距离越大速度越快。
飞行方式1，主/从设备水平方向无偏移，飞行器垂直向上飞行，此时飞行器飞行速度为：Vz＝F(|ZA-ZB|-S′)，即Vz＝F(|ZA-ZB|-0),Vx＝0,Vy＝0。
飞行方式2，主/从设备垂直方向、水平方向均有偏移，飞行器斜向上飞行，此时飞行器飞行速度为：Vz＝F(|ZA-ZB|-S′)，Vx＝F(XA-XB)，Vy＝F(YA-YB)三方向的合速度。
该具体实施例，降落方式参照图5(H)，两手再次合并在一起，飞行器启动自动着陆程序，进行自动着陆。
具体实施例2：参照图5(B-2)，飞行器首次起飞后，双手垂直距离差出现过一次|ZA-ZB|＞＝Slimit后，S′＝Slimit,并按照以下遥控方法进行操作：
遥控方法2：参照图5(C)，两手间的垂直距离等于垂直距离基准参数S'且无水平方向的偏移，即|ZA-ZB|＝S′且XA＝XB且YA＝YB，飞行器在空中悬停。
遥控方法3：参照图5(E)，两手间的垂直距离大于垂直距离基准参数S'且无水平方向偏移，即|ZA-ZB|<S′且XA＝XB且YA＝YB，飞行器垂直向下飞行，飞行速度为Vz＝F(|ZA-ZB|-S′)。
遥控方法4：参照图5(E)，两手间的垂直距离大于垂直距离基准参数S'且无水平方向偏移，即|ZA-ZB|>S′且XA＝XB且YA＝YB，飞行器垂直向上飞行，飞行速度为Vz＝F(|ZA-ZB|-S′)。
遥控方法5：参照图5(F)，两手间的垂直距离等于垂直距离基准参数S'且在水平面相对某个方向发生水平偏移，飞行器在空中往对应的水平方向飞行，X方向的速度为Vx＝F(XA-XB)，Y方向的速度为Vy＝F(YA-YB)，飞行器最终飞行速度为Vx和Vy的合成速度。
遥控方法6：参照图5(G)，两手间垂直方向与水平方向都发生偏移，即且且飞行器向相应方向飞行，飞行器最终飞行方向与速度为三维速度合成，即Vz＝F(|ZA-ZB|-S′)、Vx＝F(XA-XB)、Vy＝F(YA-YB)的合速度。
遥控方法7：参照图5(H)，两手再次合并在一起，飞行器启动自动着陆程序，进行自动着陆。
遥控方法8：飞行器上设置自我保护机制，当飞行器撞向地面或其它危险物品时，能自动检测到危险情况，并空中刹车悬停，此时忽略主/从遥控设备位置变化。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种遥控飞行器的控制设备，其特征在于：所述控制设备包括主遥控设备和从遥控设备，通过主遥控设备和从遥控设备间的交互确定主遥控设备和从遥控设备相互间的三维空间位置关系，从而控制飞行器的飞行状态。
2.根据权利要求1所述的一种遥控飞行器的控制设备，其特征在于：所述主遥控设备包括高精度惯性导航模块、第一无线通信模块、第二无线通信模块、电源模块，MCU模块和存储模块；
所述从遥控设备包括高精度惯性导航模块、无线通信模块、电源模块，MCU模块和存储模块；
所述高精度惯性导航模块由陀螺仪、加速度传感器及地磁场传感器组成，高精度惯性导航模块实时输出三维空间加速度、角速度、方向偏移等物理参数，从遥控设备中的MCU模块将采集到的实时参数数据通过无线通信模块发送给主遥控设备的第一无线通信模块，从而主遥控设备实时获知主遥控设备和从遥控设备当前的三维空间位置物理参数；所述主遥控设备将接收到的三维空间位置物理参数转换为三维坐标，通过主/从遥控设备的坐标关系得到对飞行器的控制命令，并将飞行控制命令通过第二无线通信模块发送到飞行器。
3.根据权利要求2所述的一种遥控飞行器的控制设备，其特征在于：所述主遥控设备和从遥控设备采用手套造型，但不限于此种造型；操作者两手穿戴手套，通过控制两手间相对的三维空间位置关系对飞行器进行遥控。
4.一种遥控飞行器的控制方法，其特征在于：在该方法中，采用主/从遥控设备实现对飞行器的飞行控制；通过主遥控设备和从遥控设备间的交互确定主遥控设备和从遥控设备相互间的三维空间位置关系，并通过主/从遥控设备的坐标关系得到对飞行器的控制命令，从而控制飞行器的飞行状态。
5.根据权利要求4所述的一种遥控飞行器的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：主遥控设备和从遥控设备接触，完成初始化；
步骤二：主遥控设备和从遥控设备分离，主/从遥控设备上的高精度惯性导航模块输出三维空间加速度、角速度、方向偏移等物理参数，从遥控设备将实时参数数据通过射频模块发送给主遥控设备第一无线通信模块，主遥控设备实时获知主/从设备当前三维空间位置物理参数；
步骤三：主遥控设备对接收到的三维空间位置物理参数采用相关算法将其转换为三维坐标；
步骤四：主遥控设备上的飞行控制模块通过主/从遥控设备的三维坐标关系得到对飞行器的控制命令，并将飞行控制命令通过第二无线通信模块发送到飞行器，实现对飞行器的控制。
6.根据权利要求5所述的一种遥控飞行器的控制方法，其特征在于：在所述步骤中，主/从遥控设备与飞行器处于不同的三维坐标系，但两个坐标系方向相同，坐标系原点可以不同，且Z轴方向与物理地面垂直；所述主遥控设备三维空间位置坐标为A(XA，YA，ZA)，从遥控设备三维空间位置坐标为B(XB，YB，ZB),飞行器在三维空间的飞行速度V(Vx，Vy，Vz)。
7.根据权利要求6所述的一种遥控飞行器的控制方法，其特征在于：在步骤四中，飞行器速度按三维方向分解后，某方向上的速度V与主/从设备在该方向上的距离ΔS关系满足V＝F(ΔS)，其中F(ΔS)函数满足ΔS越大函数值的绝对值越大的特性，且返回的速度值正负与ΔS一致；
设置垂直方向距离基准参数S′,飞行器垂直方向速度Vz＝F(|ZA-ZB|-S′),|ZA-ZB|为主/从遥控器之间垂直方向距离差的绝对值，设置固定距离阈值Slimit,S′与Slimit关系满足
飞行器水平方向分解速度Vx＝F(XA-XB)，Vy＝F(YA-YE)；飞行器最终飞行速度为Vx、Vy、Vz、三方向速度合成。
8.根据权利要求7所述的一种遥控飞行器的控制方法，其特征在于：飞行器起飞前，主/从遥控器接触，分离前最后一刻双方坐标相同，且设置为坐标系原点；主/从遥控器分离后，在垂直方向的距离绝对值|ZA-ZB|达到Slimit前，飞行器在垂直方向的速度方向始终向上；飞行器在飞行过程中，若主/从遥控器接触，则飞行器进入自动着陆流程，直到自动着陆完成，在着陆过程中，主/从遥控器位置变化不再对飞行器的控制产生影响。
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