CN107807662A - 一种互动四轴飞行器及其手势控制互动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种互动四轴飞行器，包括主体机架、控制模块、电源模块与动力模块，所述电源模块设在主体机架的底部，所述动力模块围绕着电源模块设置，控制模块包括控制主板、侧向跟随模块与底部跟随模块，控制主板设在动力模块内，控制主板上设有MCU主控单元、姿态传感器陀螺仪、气压传感器与2.4G无线通信模块，侧向跟随模块设在主体机架的侧面，底部跟随模块设在主体机架的底部，侧向跟随模块、底部跟随模块分别与控制主板电性连接，通过侧向跟随模块与底部跟随模块实现智能手势控制，降低了上手难度，不需要利用遥控器来控制，增强了可玩性与互动性。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤指一种互动四轴飞行器。
背景技术
随着人们对智能生活的日益重视，四轴飞行器(也称无人机)相关的技术在玩具领域得到了广泛的应用，创造出各种类型的智能飞行玩具，现有的玩具四轴飞行器操作复杂，缺乏互动，可玩性不高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种操作简单、玩法多样、可玩性高的互动四轴飞行器。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案是：一种互动四轴飞行器，包括飞行器本体，其特征在于：所述的飞行器本体侧面设有侧向跟随模块，所述的飞行器本体底部设有底部跟随模块。
优选地，所述侧向跟随模块包括红外接收管、红外发射管、红外接收管套与红外发射管套，两个所述红外发射管水平并列设在飞行器本体的侧面，所述红外接收管设在红外发射管的上方，所述红外发射管、红外接收管分别与飞行器本体电性连接，所述红外接收管套套设在红外接收管上，所述红外发射管分别套设在红外发射管上。
优选地，所述底部跟随模块包括红外接收管、红外发射管、红外接收管套与红外发射管套，所述红外发射管与红外接收管设在飞行器本体的底部并与飞行器本体电性连接，所述红外接收管套套设在红外接收管上，所述红外发射管套套设在红外发射管上。红外发射管套能减少红外线的散射，使红外发射管发出的红外线只能从红外发射管套的出口出去从而具有方向性，红外接收管套能减少红外接收管的接收面积，只能接收反射回来的信号，提高了控制模块的判断精度和准确性。
优选地，所述的飞行器本体包括主体机架、控制主板、电源模块与动力模块，所述电源模块设在主体机架的底部，所述动力模块围绕着电源模块设置，所述控制模块与侧向跟随模块与底部跟随模块电性连接，所述控控制模块设在动力模块内，所述侧向跟随模块设在主体机架的侧面，所述底部跟随模块设在主体机架的底部。
优选地，所述的控制模块上设有MCU主控单元、姿态传感器陀螺仪、气压传感器与无线通信模块，所述的姿态传感器陀螺仪、气压传感器与无线通信模块分别与MCU主控单元电性连接。
优选地，所述主体机架包括上盖与底壳，所述上盖与底壳卡合连接，所述底壳的下方设有安装台，所述安装台的四周设有凸柱，所述安装台内设有卡槽，所述凸柱内设有安装孔。
优选地，所述电源模块包括锂电池与充电端子，所述锂电池设在卡槽内，所述充电端子设在安装台的内侧，所述充电端子与锂电池电性连接。
优选地，所述动力模块包括电机、电机盖与螺旋桨，四个所述电机分别设在四个凸柱内，所述电机盖的四个角上设有通孔且分别与四个电机相对应，所述电机盖盖设在底壳上，四个所述电机的电机轴的一端穿过通孔与螺旋桨转动连接。
优选地，还包括LED条灯，所述LED条灯的形状与主体机架的剖面形状相同，所述LED条灯贴设在主体机架的内壁，所述LED条灯与控制主板电性连接，在互动四轴飞行器自旋飞行下由于视觉惰性形成光圈。
一种根据权利要求1所述的互动四轴飞行器手势控制互动方法, 包括如下步骤
步骤一：无线通讯模块对码成功后，飞行器本体以旋转的方式正常定高飞行；
步骤二：通过侧面的侧向跟随模块和底部的底部跟随模块轮流障碍扫描，发射红外信号，当在水平方向360度无死角扫描过程中，扫描到前方有障碍，在一定方向上锁定障碍物，在室内情况下，扫描的距离变化在40cm～60cm之间，飞行器就会跟随障碍物飞行；扫描的距离变化在30cm～40cm之间，飞行器就会悬停在空中；扫描的记录变化在20cm～30cm范围内，飞行器就会慢速远离障碍物,扫描的距离变化小于20cm，飞行器就会快速远离障碍物，具有保护性作用；在水平方向上实现跟随、悬停、推动作用；
步骤三：当侧向跟随模块的接收到前方左右两侧的红外发射信号，飞行器在一定角度上锁定障碍物方向，当收到左侧信号，未收到右侧信号，飞行器会向左侧自旋，直到锁定方向，当收到右侧信号，未收到左侧信号，飞行器会向右侧自旋，直到锁定方向，从而在水平方向上的角度跟随；
步骤四：通过底部的底部跟随模块，发射红外信号，当在底部扫描过程中，扫描到底部有障碍，扫描的距离变化在40cm～60cm之间，飞行器就会跟随底部障碍物的在垂直方向上的变化。扫描的距离在 30cm～40cm之间，飞行器就会悬停在空中，扫描的距离在 20cm～30cm之间，障碍物就会慢速推动飞行器上升，扫描的距离小于20cm之间，障碍物就会快速推动飞行器上升，实现在垂直方向上的跟随、悬停、推动。
本发明的有益效果在于：本发明通过侧向跟随模块与底部跟随模块实现智能手势控制，克服现有四轴飞行器的复杂控制方法，降低四轴飞行器的上手难度，不需要利用遥控器来控制，实现四轴飞机手势控制，包括壁障、跟随，增强了可玩性与互动性，采用旋转红外扫描检测的定距系统，做到360度无死角红外障碍检测，采用两个红外发射管和一个红外传感器组成红外跟随模块在UFO四轴飞行器上，红外跟随模块向着UFO飞行器水平方向发射信号，使UFO四轴飞行器大大提升互动玩法的判断精度和准确性并有效降低成本，完全区别于市场现有的玩具四轴飞行器的单一的遥控玩法，比其他红外定距模式与应用，成本更低，可靠性较高和动作判别更准确。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的主视剖面示意图。
图3是本发明的爆炸结构示意图。
图4是本发明的主视图。
图5是本发明的侧向跟随模块原理图。
图6是本发明的工作原理图。
附图标记说明：1.主体机架；11.上盖；12.底壳；121.安装台； 122.凸柱；2.控制主板；21.MCU主控单元；3.侧向跟随模块；31.红外接收管；32.红外发射管；33.红外接收管套；34.红外发射管套；4.底部跟随模块；5.电源模块；51.锂电池；52.充电端子；6.动力模块；61. 电机；62.电机盖；63.螺旋桨；7.LED条灯；8.反射面；9.限流电阻。
具体实施方式
请参阅图1-6所示，本发明关于一种互动四轴飞行器，包括飞行器本体，所述的飞行器本体侧面设有与飞行器本体方向前端面平行的侧向跟随模块，侧向跟随模块设在飞行器本体前端面中心位置，所述的飞行器本体底部设有与飞行器本体方向底端面垂直设置的底部跟随模块，底部跟随模块设在飞行器本体底端面中心偏后位置。飞行器本体包括主体机架1、控制主板、电源模块5与动力模块6，所述主体机架1的形状为镂空的UFO结构，包括上盖11与底壳12，上盖 11与底壳12构成保护罩，具有保护安全作用，所述上盖11与底壳 12卡合连接，所述底壳12的下方设有安装台121，所述安装台121 的四周设有四个凸柱122，所述安装台121内设有卡槽，四个所述凸柱122内设有安装孔；所述电源模块5包括锂电池51与充电端子52，所述锂电池51设在卡槽内，所述充电端子52设在安装台121的一侧，所述充电端子52与锂电池51电性连接；所述动力模块6包括电机61、电机盖62与螺旋桨63，螺旋桨63提供上升动力，四个所述电机61分别设在四个凸柱122内，所述电机盖62的四个角上设有通孔且分别与四个电机61相对应，所述电机盖62的四个角上分别设有卡块，所述电机盖62通过卡块卡设在底壳12上，所述控制主板 2的四个角上分别设有圆形通孔且与电机61相对应，所述控制主板2 设在电机盖62内，所述电机61上的电机61轴依次穿过控制主板2 与电机盖62从而与螺旋桨63连接，所述控制主板2上设有MCU主控单元21、姿态传感器陀螺仪、气压传感器与无线通信模块，所述侧向跟随模块3设在主体机架1的侧面，所述底部跟随模块4设在主体机架1的底部，所述姿态传感器陀螺仪、气压传感器与无线通信模块、侧向跟随模块3、底部跟随模块4分别与MCU主控单元21电性连接。
优选地，所述侧向跟随模块3包括红外接收管31、红外发射管 32、红外接收管套33与红外发射管套34，两个所述红外发射管32 水平并列设在安装台121的侧面，所述红外接收管31设在两个红外发射管32的上方，所述红外接收管31与红外发射管32内分别设有红外传感器，所述红外接收管套33套设在红外接收管31上，两个所述红外发射管32分别套设在两个红外发射管32上，红外发射管套 34能减少红外线的散射，使红外发射管32发出的红外线只能从红外发射管套34的出口出去从而具有方向性，红外接收管套33能减少红外接收管31的接收面积，只能接收反射回来的信号，提高了控制模块的判断精度和准确性。
优选地，所述底部跟随模块4包括红外接收管31、红外发射管 32、红外接收管套33与红外发射管套34，所述红外发射管32与红外接收管31设在安装台121的底部，所述红外接收管31与红外发射管32内分别设有红外传感器，所述红外接收管套33套设在红外接收管31上，所述红外发射管套34套设在红外发射管32上，红外发射管套34能减少红外线的散射，使红外发射管32发出的红外线只能从红外发射管套34的出口出去从而具有方向性，红外接收管套33 能减少红外接收管31的接收面积，只能接收反射回来的信号，提高了控制模块的判断精度和准确性。
优选地，还包括LED条灯7，所述LED条灯7的形状与主体机架 1的剖面形状相同，所述LED条灯7贴设在主体机架1的内壁，所述 LED条灯7与控制主板2电性连接，在互动四轴飞行器自旋飞行下形成光圈。
工作原理：通过手势控制互动四轴飞行器，无线通讯模块对码成功后，经过控制主板2的作用以旋转的方式正常定高飞行，通过侧向跟随模块3与底部跟随模块4实现水平与垂直互动功能以及角度跟随功能。
侧向跟随模块和底部跟随模块的控制原理：MCU主控单元21的 AD引脚IO1口控制红外发射管，输出的编码信号，通过红外发射管 32发射,如图5所示，红外发射管32的供电是稳定的VDD，红外发射的限流电阻9是固定阻值，可以得出发射信号的发射功率强度是稳定的；MCU主控单元21的AD引脚IO2口，采集红外接收管31信号脚电压，当反射面8不存在时，红外接收管31处于截止状态，AD 引脚的IO2检测的电压为VDD，当反射面8存在时，反射面8与侧向跟随模块或底部跟随模块的距离越近，反射的信号就越强，红外接收管31导通率越高，AD引脚的IO2所检测的电压就越低；反之，反射面8与侧向跟随模块或底部跟随模块的距离越远，反射的信号就越弱，红外接收管31导通率越低，AD引脚的IO2所检测的电压就越高；综上所述，可以通过AD引脚的IO2所检测的电压可以判定反射面8 的存在与否，若反射面8存在时可以通过AD引脚的IO2的电压变化可以检测出飞行器本体和反射面8之间的距离变化；在室内环境下，侧向跟随模块和底部跟随模块有效反射距离60cm，当反射距离在 40cm～60cm.UFO四轴飞行器会跟随反射面的移动；当反射面距离红在30cm-40cm,UFO四轴飞行器处于悬停状态，当反射距离 20cm～30cm，UFO四轴飞行器会慢速远离反射面。当反射距离小于 20cm,UFO四轴飞行器快速远离反射面。反射面8可以是一个平面，也可以是具有几个面的立体物体或动物或人体。
侧向跟随模块设在飞行器本体左右两端，且分别有两个红外发射端(红外发射管)，当红外感应器(红外接收管)同时收到两个红外发射管的信号时，UFO四轴飞行器会锁定障碍物的方向；当红外感应器收到左边红外发射信号，未收到右边红外发射信号，UFO四轴飞行器会左旋，直到同时收到左右两个发射管的信号时锁定角度；当红外感应器收到右边红外发射信号，未收到左边红外发射信号，UFO四轴飞行器会右旋，直到同时收到左右两个发射管的信号时锁定角度；从而实现角度跟随功能。
本发明采用旋转红外扫描检测的定距系统，做到360度无死角红外障碍检测，并有效降低成本；且采用两个红外发射管和一个红外传感器组成侧向跟随模块在UFO四轴飞行器上，侧向跟随模块向着UFO 飞行器水平方向发射信号，使UFO四轴飞行器大大提升互动玩法的判断精度和准确性，具体互动与角度跟随功能操作方式如下：
互动功能：通过侧向跟随模块3的红外发射管32发射红外信号进行障碍扫描，当在水平方向360度无死角扫描过程中，扫描到前方有障碍，在一定方向上锁定障碍物并根据与障碍物的距离作出不同的反应。在室内情况下，扫描的距离变化在40cm～60cm范围内，互动四轴飞行器就会跟随障碍物飞行；当扫描的距离变化在30cm～40cm 范围内，互动四轴飞行器就会悬停在空中；当扫描的距离变化在 20cm～30cm范围内，互动四轴飞行器就会慢速远离障碍物；当扫描的距离变化小于20cm，互动四轴飞行器就会快速远离障碍物；起到保护性作用，实现在水平方向上跟随，悬停或推动作用。
通过底部跟随模块4的红外发射管32发射红外信号进行扫描，当在扫描过程中，扫描到底部有障碍，在一定方向上锁定障碍物并根据与障碍物的距离作出不同的反应。当扫描的距离变化在 40cm～60cm范围内，互动四轴飞行器就会跟随底部障碍物在垂直方向上飞行；当扫描的距离在30cm～40cm范围内，互动四轴飞行器就会悬停在空中；当扫描的距离在20cm～30cm范围内，障碍物就会慢速推动互动四轴飞行器上升；当扫描的距离小于20cm，障碍物就会快速推动互动四轴飞行器上升。实现在垂直方向上的跟随，悬停或推动作用。
角度跟随功能：当侧向跟随模块3的红外接收管31同时接收到左右两侧的红外发射管32所发出的信号，互动四轴飞行器在一定角度上锁定障碍物方向。当收到左侧信号，未收到右侧信号时，互动四轴飞行器会向左侧自旋，直到同时收到左右两个发射管的信号时锁定角度；当收到右侧信号，未收到左侧信号时，互动四轴飞行器会向右侧自旋，直到同时收到左右两个发射管的信号时锁定角度，从而在水平方向上实现角度跟随。
一种根据权利要求1所述的互动四轴飞行器手势控制互动方法, 包括如下步骤
步骤一：无线通讯模块对码成功后，飞行器本体以旋转的方式正常定高飞行，具体为MCU主控单元经姿态解算、PID调节、气压定高算法等计算融合后，控制飞行器本体正常定高飞行；
步骤二：通过侧面的侧向跟随模块和底部的底部跟随模块轮流障碍扫描，发射红外信号，当在水平方向360度无死角扫描过程中，扫描到前方有障碍，在一定方向上锁定障碍物，在室内情况下，扫描的距离变化在40cm～60cm之间，飞行器就会跟随障碍物飞行；扫描的距离变化在30cm～40cm之间，飞行器就会悬停在空中；扫描的记录变化在20cm～30cm范围内，飞行器就会慢速远离障碍物,扫描的距离变化小于20cm，飞行器就会快速远离障碍物，具有保护性作用；在水平方向上实现跟随、悬停、推动作用；
步骤三：当侧向跟随模块的接收到前方左右两侧的红外发射信号，飞行器在一定角度上锁定障碍物方向，当收到左侧信号，未收到右侧信号，飞行器会向左侧自旋，直到锁定方向，当收到右侧信号，未收到左侧信号，飞行器会向右侧自旋，直到锁定方向，从而在水平方向上的角度跟随；
步骤四：通过底部的底部跟随模块，发射红外信号，当在底部扫描过程中，扫描到底部有障碍，扫描的距离变化在40cm～60cm之间，飞行器就会跟随底部障碍物的在垂直方向上的变化。扫描的距离在 30cm～40cm之间，飞行器就会悬停在空中，扫描的距离在 20cm～30cm之间，障碍物就会慢速推动飞行器上升，扫描的距离小于20cm之间，障碍物就会快速推动飞行器上升，实现在垂直方向上的跟随、悬停、推动。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种互动四轴飞行器，包括飞行器本体，其特征在于：所述的飞行器本体侧面设有侧向跟随模块，所述的飞行器本体底部设有底部跟随模块。
2.根据权利要求1所述的互动四轴飞行器，其特征在于：所述侧向跟随模块包括红外接收管、红外发射管、红外接收管套与红外发射管套，两个所述红外发射管水平并列设在飞行器本体的侧面，所述红外接收管设在红外发射管的上方，所述红外发射管、红外接收管分别与飞行器本体电性连接，所述红外接收管套套设在红外接收管上，所述红外发射管分别套设在红外发射管上。
3.根据权利要求1所述的互动四轴飞行器，其特征在于：所述底部跟随模块包括红外接收管、红外发射管、红外接收管套与红外发射管套，所述红外发射管与红外接收管设在飞行器本体的底部并与飞行器本体电性连接，所述红外接收管套套设在红外接收管上，所述红外发射管套套设在红外发射管上。
4.根据权利要求1所述的互动四轴飞行器，其特征在于：所述的飞行器本体包括主体机架、控制主板、电源模块与动力模块，所述电源模块设在主体机架的底部，所述动力模块围绕着电源模块设置，所述控制主板与侧向跟随模块与底部跟随模块电性连接，所述控制主板设在动力模块内，所述侧向跟随模块设在主体机架的侧面，所述底部跟随模块设在主体机架的底部。
5.根据权利要求4所述的互动四轴飞行器，其特征在于：所述的控制主板上设有MCU主控单元、姿态传感器陀螺仪、气压传感器与无线通信模块，所述的姿态传感器陀螺仪、气压传感器与无线通信模块分别与MCU主控单元电性连接。
6.根据权利要求4所述的互动四轴飞行器，其特征在于：所述主体机架包括上盖与底壳，所述上盖与底壳卡合连接，所述底壳的下方设有安装台，所述安装台的四周设有凸柱，所述安装台内设有卡槽，所述凸柱内设有安装孔。
7.根据权利要求4所述的互动四轴飞行器，其特征在于：所述电源模块包括锂电池与充电端子，所述锂电池设在卡槽内，所述充电端子设在安装台的内侧，所述充电端子与锂电池电性连接。
8.根据权利要求4所述的互动四轴飞行器，其特征在于：所述动力模块包括电机、电机盖与螺旋桨，所述电机分别设在凸柱内，所述电机盖的四个角上设有通孔且分别与电机相对应，所述电机盖盖设在底壳上，所述电机的电机轴的一端穿过通孔与螺旋桨转动连接。
9.根据权利要求1所述的互动四轴飞行器，其特征在于：还包括LED条灯，所述LED条灯贴设在主体机架的内壁，所述LED条灯与控制主板电性连接。
10.一种根据权利要求1所述的互动四轴飞行器手势控制互动方法,其特征在于：包括如下步骤
步骤一：飞行器本体以旋转的方式正常定高飞行；
步骤二：通过侧面的侧向跟随模块和底部的底部跟随模块轮流障碍扫描，发射红外信号，当在水平方向360度无死角扫描过程中，扫描到前方有障碍，在一定方向上锁定障碍物，在室内情况下，扫描的距离变化在40cm～60cm之间，飞行器就会跟随障碍物飞行；扫描的距离变化在30cm～40cm之间，飞行器就会悬停在空中；扫描的记录变化在20cm～30cm范围内，飞行器就会慢速远离障碍物,扫描的距离变化小于20cm，飞行器就会快速远离障碍物，具有保护性作用，在水平方向上实现跟随、悬停、推动作用；
步骤三：当侧向跟随模块的接收到前方左右两侧的红外发射信号，飞行器在一定角度上锁定障碍物方向，当收到左侧信号，未收到右侧信号，飞行器会向左侧自旋，直到锁定方向，当收到右侧信号，未收到左侧信号，飞行器会向右侧自旋，直到锁定方向，从而在水平方向上的角度跟随；
步骤四：通过底部的底部跟随模块，发射红外信号，当在底部扫描过程中，扫描到底部有障碍，扫描的距离变化在40cm～60cm之间，飞行器就会跟随底部障碍物的在垂直方向上的变化，扫描的距离在30cm～40cm之间，飞行器就会悬停在空中，扫描的距离在20cm～30cm之间，障碍物就会慢速推动飞行器上升，扫描的距离小于20cm之间，障碍物就会快速推动飞行器上升，实现在垂直方向上的跟随、悬停、推动。
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