CN105817037B - 一种基于肌电控制的玩具飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于肌电控制的玩具飞行器及其控制方法，涉及智能控制技术领域。该玩具飞行器包括飞行器和用于遥控飞行器的体感手环；体感手环包括肌电信号采集电路、第一陀螺仪、第一加速度传感器、用于根据肌电信号采集电路、第一陀螺仪和第一加速度传感器采集的数据识别用户的手势动作并将识别结果转换为相应的飞行控制指令的主处理器以及用于将飞行控制指令发送至飞行器，使飞行器根据所述飞行控制指令执行相应的飞行姿态的第一无线收发模块；其中主处理器分别与肌电信号采集电路、第一陀螺仪、第一加速度传感器以及第一无线收发模块电性连接。本发明不需要另外配置专门的遥控器，简化了遥控操作，并且提高了玩具飞行器的可玩性。

Description

一种基于肌电控制的玩具飞行器及其控制方法

技术领域

本发明属于智能控制技术领域，尤其涉及一种基于肌电控制的玩具飞行器及其控制方法。

背景技术

目前，玩具飞行器已经成为风靡海内外高级玩具。玩具飞行器的种类繁多，例如：有固定翼飞机、螺旋桨飞机以及飞艇等类型的玩具飞行器，但这些类型玩具飞行器的控制方式几乎都是通过手柄操纵或者屏幕触摸无线遥控，而这两种控制方式均需要为玩具飞行器另外定制专门的遥控器，并且遥控操作复杂，可玩性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于肌电控制的玩具飞行器及其控制方法，旨在解决现有玩具飞行器的控制方式需要另外定制专门的遥控制器，并且遥控操作复杂，可玩性较低的问题。

本发明是这样实现的，一种基于肌电控制的玩具飞行器，包括飞行器和与所述飞行器无线通信连接，用于遥控所述飞行器的体感手环；所述体感手环包括肌电信号采集电路、第一陀螺仪、第一加速度传感器、用于根据所述肌电信号采集电路、所述第一陀螺仪和所述第一加速度传感器采集的数据识别用户的手势动作并将识别结果转换为相应的飞行控制指令的主处理器以及用于将飞行控制指令发送至所述飞行器，使所述飞行器根据所述飞行控制指令执行相应的飞行姿态的第一无线收发模块；其中，所述主处理器分别与所述肌电信号采集电路、所述第一陀螺仪、所述第一加速度传感器以及所述第一无线收发模块电性连接。

在上述技术方案的基础上，所述肌电信号采集电路包括用于采集人体表面肌电信号的干电极片、用于对所述肌电信号进行滤波的滤波电路、用于将滤波后的肌电信号进行升压的电压转换电路以及将升压后的肌电信号转换为数字信号的A/D转换电路；其中，所述干电极片、所述滤波电路、所述电压转换电路以及所述A/D转换电路依次电性连接，所述A/D转换电路还与所述主处理器电性连接。

在上述技术方案的基础上，所述体感手环还包括用于与外部NFC标签设备进行近场通信的NFC模块以及用于显示所述NFC模块读取到的NFC标签数据的显示模块，所述NFC模块和所述显示模块均与所述主处理器电性连接。

在上述技术方案的基础上，所述体感手环还包括与所述主处理器连接的，用于测量用户心率的心率测量模块。

在上述技术方案的基础上，所述体感手环还包括与所述主处理器连接的，用于测量用户体温的体温测量模块。

在上述技术方案的基础上，所述飞行器包括飞行器主体以及四个呈十字形分布在所述飞行器主体的顶部，用于控制所述飞行器主体飞行姿态的螺旋桨；所述飞行器主体内部设置有四个分别与所述螺旋桨一一对应，用于控制所述螺旋桨转速的电机、与所述第一无线收发模块无线通信连接，用于接收所述体感手环发送的飞行控制指令的第二无线收发模块、用于根据所述飞行控制指令输出相应的驱动信号的主控模块、用于根据所述驱动信号控制四个所述电机的转速，以使所述飞行器主体执行相应飞行姿态的四个电机驱动模块；其中，所述第二无线收发模块以及四个所述电机驱动模块均与所述主控模块电性连接，四个所述电机驱动模块分别位于四个所述电机内部。

在上述技术方案的基础上，所述飞行器还包括设置在所述飞行器主体底部两侧的滑轮。

在上述技术方案的基础上，所述飞行器还包括分别与所述主控模块电性连接的电子罗盘和气压计。

在上述技术方案的基础上，所述飞行器还包括与所述主控模块电性连接的摄像头。

在上述技术方案的基础上，所述飞行器还包括分别与所述主控模块电性连接的第二陀螺仪和第二加速度传感器。

本发明实施例的另一目的在于提供一种基于肌电控制的玩具飞行器的控制方法，包括：

体感手环中的肌电信号采集电路采集用户手臂表面的肌电信号，并将所述肌电信号输出至所述体感手环中的主处理器；

体感手环中的第一陀螺仪和第一加速度传感器分别采集用户手腕的角速度和加速度，并分别将所述角速度和所述加速度输出至所述主处理器；

所述主处理器通过模式识别算法、频域分析算法以及小波变换算法对所述肌电信号、所述角速度和所述加速度进行数据融合处理后识别出用户的手势动作，然后将所述手势动作转换为相应的飞行控制指令，并将所述飞行控制指令输出至所述体感手环中的第一无线收发模块；

所述第一无线收发模块将所述飞行控制指令发送至飞行器，使所述飞行器根据所述飞行控制指令执行相应的飞行姿态。

实施本发明提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器及其控制方法具有以下有益效果：

本发明由于将肌电控制功能集成于体感手环中来控制玩具飞行器的飞行姿态，从而使得玩具飞行器不需要另外配置专门的遥控器，降低了玩具飞行器的制作成本，并且简化了玩具飞行器的遥控操作；由于在体感手环中集成了陀螺仪和加速度传感器，从而增加了更多的控制方式，提高了玩具飞行器的可玩性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器中肌电信号采集电路的结构示意图。

图3是本发明实施例中控制飞行器执行各种飞行姿态的控制方式示意图。

图4是本发明实施例中控制飞行器在陆地上跑动时的控制方式示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器的控制方法的具体实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本实用实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器的结构示意图。为了便于说明仅仅示出了与本实施例相关的部分。

参见图1所示，本实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器，包括飞行器1和与所述飞行器1无线通信连接，用于遥控所述飞行器1的体感手环2；所述体感手环2包括肌电信号采集电路21、第一陀螺仪23、第一加速度传感器22、用于根据所述肌电信号采集电路21、所述第一陀螺仪23和所述第一加速度传感器22采集的数据识别用户的手势动作并将识别结果转换为相应的飞行控制指令的主处理器24以及用于将飞行控制指令发送至所述飞行器1，使所述飞行器1根据所述飞行控制指令执行相应的飞行姿态的第一无线收发模块25；其中，所述主处理器24分别与所述肌电信号采集电路21、所述第一陀螺仪23、所述第一加速度传感器22以及所述第一无线收发模块25电性连接。

在本实施例中，体感手环2佩戴于用户的手腕处，所述主处理器24可以根据肌电信号采集电路21、第一陀螺仪23以及第一加速度传感器22采集到的肌电信号、手腕倾斜角度和手腕的加速度分别识别出用户的手腕挥动方向、手腕扭动幅度以及手指屈伸状态等手势动作，然后根据识别出的手势动作和预先固化在所述主处理器24内存中的手势动作与飞行控制指令的对应关系输出对应飞行控制指令，例如：当根据第一加速度传感器22采集的数据识别出用户的手腕向左挥动时，输出控制所述飞行器1向左倾斜或者向左跑动的控制指令；当根据陀螺仪的采集数据识别出用户手腕的扭动幅度时，则根据用户手腕的扭动幅度识别出用户当前的手腕状态，若当前用户的手腕状态为向右扭动，则输出控制所述飞行器1向右飞行或者向右转弯的控制指令；当根据肌电采集电路采集的肌电信号识别出用户当前的手势为握拳时，则随着用户握掌程度的增加，输出控制飞行器1油门减小的控制指令。

进一步的，参见图2所示，所述肌电信号采集电路21包括用于采集人体表面肌电信号的干电极片211、用于对所述肌电信号进行滤波的滤波电路212、用于将滤波后的肌电信号进行升压的电压转换电路213以及将升压后的肌电信号转换为数字信号的A/D转换电路214；其中，所述干电极片211、所述滤波电路212、所述电压转换电路213以及所述A/D转换电路214依次电性连接，所述A/D转换电路214还与所述主处理器24电性连接。

在本实施例中，所述干电极片211采用非一次性电极，用于采集人体手臂表面的肌电信号，由于人体表面的肌电信号的主要频谱集中在10HZ～500HZ之间，因此需要通过由高通滤波器和低通滤波器组成的滤波电路212对10HZ～500HZ频谱范围外的噪声进行滤波而保留有用的肌电信号。另外，由于人体表面的肌电信号十分微弱，幅值范围一般为10～5000μv，并且由于采用干电极片211获得的表面肌电信号是两个非一次性干电极之间的差模信号，有正有负，如果要实现模数转换，则需要将电压范围抬升到0mv以上，考虑到转换精度还需要将肌电信号的电压抬升到A/D转换模块量程的1/3～3/3之间为好，因此需要采用一个稳定的电压基准芯片作为电压转换电路213对滤波后的肌电信号进行升压转换。

进一步的，所述体感手环2还包括用于与外部NFC标签设备进行近场通信的NFC模块26以及用于显示所述NFC模块26读取到的NFC标签数据的显示模块27，所述NFC模块26和所述显示模块27均与所述主处理器24电性连接。

在本实施例中，所述体感手环2还可以通过所述NFC模块26实现NFC刷卡支付功能，并且还能够通过所述主处理器24将所述NFC模块26读取到的NFC标签数据显示在所述显示模块27上。

进一步的，所述体感手环2还包括与所述主处理器24连接的，用于测量用户心率的心率测量模块28以及与所述主处理器24连接的，用于测量用户体温的体温测量模块29。

在本实施例中，所述体感手环2还可以通过所述心率测量模块28和所述体温测量模块29检测用户的心率和体温数据，并通过所述主处理器24将所述心率和体温数据在所述显示模块27上进行显示(或者通过与手机连接后，在手机端显示)，以使用户实时了解自身的健康状况。

进一步的，所述飞行器1包括飞行器1主体以及四个呈十字形分布在所述飞行器1主体的顶部，用于控制所述飞行器1主体飞行姿态的螺旋桨101～104；所述飞行器1主体内部设置有四个分别与所述螺旋桨101～104一一对应，用于控制所述螺旋桨101～104转速的电机131～134、与所述第一无线收发模块25无线通信连接，用于接收所述体感手环2发送的飞行控制指令的第二无线收发模块11、用于根据所述飞行控制指令输出相应的驱动信号的主控模块12、用于根据所述驱动信号控制四个所述电机的转速，以使所述飞行器1主体执行相应飞行姿态的四个电机驱动模块；其中，所述第二无线收发模块11以及四个所述电机驱动模块均与所述主控模块12电性连接，四个所述电机驱动模块分别位于四个所述电机131～134内部。所述飞行器1还包括设置在所述飞行器1主体底部两侧的滑轮19，这样飞行器1不仅可以在空中飞行，而且也可以在陆地上滑行。

在本实施例中，所述飞行器1可以通过调节四个电机131～134的转速来改变螺旋桨101～104的转速，实现升力的变化，从而控制飞行器1主体的飞行姿态。具体控制方式如下：

当飞行器1的第一电机131和第三电机133逆时针旋转的同时，第二电机132和第四电机134顺时针旋转，因此当飞行器1平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。例如：在图3中，若第一电机131和第三电机133作逆时针旋转，第二电机132和第四电机134作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在螺旋桨的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降，那么：

当控制飞行器1进行垂直运动时：在图(a)中，同时增加四个电机131～134的输出功率，螺旋桨101～104转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四螺旋桨飞行器1便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机131～134的输出功率，四螺旋桨飞行器1则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在螺旋桨产生的升力等于飞行器1的自重时，飞行器1便保持悬停状态。

当控制飞行器1进行俯仰运动时：在图(b)中，第一电机131的转速上升，第三电机133的转速下降(改变量大小应相等)，第二电机132、第四电机134的转速保持不变。由于第一螺旋桨101的升力上升，第三螺旋桨103的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当第一电机131的转速下降，第三电机133的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器1的俯仰运动。

当控制飞行器1进行滚转运动时：与图(b)的原理相同，在图(c)中，改变第二电机132和第四电机134的转速，保持第一电机131和第三电机133的转速不变，则可使机身绕x轴旋转(正向和反向)，实现飞行器1的滚转运动。

当控制飞行器1进行偏航运动：螺旋桨转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个螺旋桨101～104中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个螺旋桨转动方向相同。反扭矩的大小与螺旋桨转速有关，当四个电机131～134转速相同时，四个螺旋桨101～104产生的反扭矩相互平衡，四螺旋桨飞行器1不发生转动；当四个电机131～134转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四螺旋桨飞行器1转动。在图(d)中，当第一电机131和第三电机133的转速上升，第二电机132和第四电机134的转速下降时，第一螺旋桨101和第三螺旋桨103对机身的反扭矩大于第二螺旋桨102和第四螺旋桨104对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器1的偏航运动，转向与第一电机131、第三电机133的转向相反。

当控制飞行器1进行前后运动时：要想实现飞行器1在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器1施加一定的力。在图(e)中，增加第三电机133转速，使拉力增大，相应减小第一电机131转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图(b)的理论，飞行器1首先发生一定程度的倾斜，从而使螺旋桨拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器1的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。(在图(b)、图(c)中，飞行器1在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。)

当控制飞行器1进行倾向运动时：在图(f)中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

以上的电机控制方式仅仅实现了飞行器1在空中的飞行功能，如果得要在地面上可以如智能小车一样跑动的要以下的电机控制，参考图3：

当控制飞行器1进行向前向后奔跑运动：要想实现玩具在地平面上前后的运动，必须在水平面内对玩具施加一定的力。在图4中，增加第三电机133转速，使拉力增大，相应减小第一电机131转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡,飞行器1首先发生一定程度的倾斜，从而使螺旋桨拉力产生水平分量，因此可以实现玩具的向前跑的运动。向后运动与向前运动正好相反。

当控制飞行器1进行向左向右转弯运动：要想实现玩具在地平面上左右转弯的运动，必须在水平面内对玩具施加一定的力。在图3中，增加第二电机132转速，使拉力增大，相应减小第四电机134转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡,飞行器1首先发生一定程度的倾斜，从而使螺旋桨拉力产生水平分量，因此可以实现玩具的向右转弯的运动。向左转弯运动与向右运动正好相反。

进一步的，所述飞行器1还包括分别与所述主控模块12电性连接的电子罗盘15、气压计14、摄像头18、第二陀螺仪16以及第二加速度传感器17。这样飞行器1便能够监测自身的位置、高度、飞行姿态以及航拍信息，并能够将监测到的上述信息通过第二无线收发模块11发送至体感手环2或者用户绑定的移动终端上进行显示。

本发明实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器，由于将肌电控制功能集成于体感手环2中来控制玩具飞行器1的飞行姿态，从而使得玩具飞行器1不需要另外配置专门的遥控器，降低了玩具飞行器1的制作成本，并且简化了玩具飞行器1的遥控操作；由于在体感手环2中集成了陀螺仪和加速度传感器，从而增加了更多的控制方式，提高了玩具飞行器1的可玩性。

图5是本发明实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器的控制方法的具体实现流程图，该方法的执行主体为图1所示实施例中的体感手环。参见图5所示，本实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器的控制方法包括：

在S501中，体感手环2中的肌电信号采集电路21采集用户手臂表面的肌电信号，并将所述肌电信号输出至所述体感手环2中的主处理器24；

在S502中，体感手环2中的第一陀螺仪23和第一加速度传感器22分别采集用户手腕的角速度和加速度，并分别将所述角速度和所述加速度输出至所述主处理器24；

在S503中，所述主处理器24通过模式识别算法、频域分析算法以及小波变换算法对所述肌电信号、所述角速度和所述加速度进行数据融合处理后识别出用户的手势动作，然后将所述手势动作转换为相应的飞行控制指令，并将所述飞行控制指令输出至所述体感手环中的第一无线收发模块25；

在S504中，所述第一无线收发模块25将所述飞行控制指令发送至飞行器1，使所述飞行器1根据所述飞行控制指令执行相应的飞行姿态。

需要说明的是，本实施例提供的上述基于肌电控制的玩具飞行器的控制方法中的各个步骤，由于与本发明图1所示实施例提供的基于肌电控制的玩具飞行器基于同一构思，其带来的技术效果与本发明图1所示实施例相同，具体内容可参见本发明图1所示实施例中的叙述，此处不再赘述。

因此，可以看出本实施例提供的一种基于肌电控制的玩具飞行器的控制方法，同样由于将肌电控制功能集成于体感手环2中来控制玩具飞行器的飞行姿态，从而使得玩具飞行器不需要另外配置专门的遥控器，降低了玩具飞行器的制作成本，并且简化了玩具飞行器的遥控操作；由于在体感手环2中集成了陀螺仪和加速度传感器，从而增加了更多的控制方式，提高了玩具飞行器的可玩性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，包括飞行器和与所述飞行器无线通信连接的体感手环，其中所述体感手环用于遥控所述飞行器；所述体感手环包括肌电信号采集电路、第一陀螺仪、第一加速度传感器、用于根据所述肌电信号采集电路、所述第一陀螺仪和所述第一加速度传感器采集的数据识别用户的手势动作并将识别结果转换为相应的飞行控制指令的主处理器以及用于将飞行控制指令发送至所述飞行器，使所述飞行器根据所述飞行控制指令执行相应的飞行姿态的第一无线收发模块；其中，所述主处理器分别与所述肌电信号采集电路、所述第一陀螺仪、所述第一加速度传感器以及所述第一无线收发模块电性连接。

2.如权利要求1所述的基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，所述肌电信号采集电路包括用于采集人体表面肌电信号的干电极片、用于对所述肌电信号进行滤波的滤波电路、用于将滤波后的肌电信号进行升压的电压转换电路以及将升压后的肌电信号转换为数字信号的A/D转换电路；其中，所述干电极片、所述滤波电路、所述电压转换电路以及所述A/D转换电路依次电性连接，所述A/D转换电路还与所述主处理器电性连接。

3.如权利要求2所述的基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，所述体感手环还包括用于与外部NFC标签设备进行近场通信的NFC模块以及用于显示所述NFC模块读取到的NFC标签数据的显示模块，所述NFC模块和所述显示模块均与所述主处理器电性连接。

4.如权利要求3所述的基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，所述体感手环还包括与所述主处理器连接的心率测量模块，所述心率测量模块用于测量用户心率。

5.如权利要求4所述的基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，所述体感手环还包括与所述主处理器连接的体温测量模块，所述体温测量模块用于测量用户体温。

6.如权利要求5所述的基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，所述飞行器包括飞行器主体以及四个呈十字形分布在所述飞行器主体的顶部，用于控制所述飞行器主体飞行姿态的螺旋桨；所述飞行器主体内部设置有：四个分别与所述螺旋桨一一对应，用于控制所述螺旋桨转速的电机；与所述第一无线收发模块无线通信连接，用于接收所述体感手环发送的飞行控制指令的第二无线收发模块；用于根据所述飞行控制指令输出相应的驱动信号的主控模块；用于根据所述驱动信号控制四个所述电机的转速，以使所述飞行器主体执行相应飞行姿态的四个电机驱动模块；其中，所述第二无线收发模块以及四个所述电机驱动模块均与所述主控模块电性连接，四个所述电机驱动模块分别位于四个所述电机内部。

7.如权利要求6所述的基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，所述飞行器还包括设置在所述飞行器主体底部两侧的滑轮。

8.如权利要求7所述的基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，所述飞行器还包括分别与所述主控模块电性连接的电子罗盘和气压计。

9.如权利要求8所述的基于肌电控制的玩具飞行器，其特征在于，所述飞行器还包括分别与所述主控模块电性连接的摄像头、第二陀螺仪和第二加速度传感器。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的基于肌电控制的玩具飞行器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

体感手环中的肌电信号采集电路采集用户手臂表面的肌电信号，并将所述肌电信号输出至所述体感手环中的主处理器；

体感手环中的第一陀螺仪和第一加速度传感器分别采集用户手腕的角速度和加速度，并分别将所述角速度和所述加速度输出至所述主处理器；

所述主处理器通过模式识别算法、频域分析算法以及小波变换算法对所述肌电信号、所述角速度和所述加速度进行数据融合处理后识别出用户的手势动作，然后将所述手势动作转换为相应的飞行控制指令，并将所述飞行控制指令输出至所述体感手环中的第一无线收发模块；

所述第一无线收发模块将所述飞行控制指令发送至飞行器，使所述飞行器根据所述飞行控制指令执行相应的飞行姿态。