CN108196566A - 一种小型无人机云脑控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型无人机云脑控制系统及其方法，受试者通过佩戴脑电信号采集设备，观察移动终端上的不同闪烁频率的刺激源后，将得到的脑电信号进行coif5小波降噪重构及频域分析，经编码后对飞行指令打包，然后移动终端MicroUSB端口连接遥控射频装置将飞行指令发送给无人机；同时移动终端通过遥控射频装置获取无人机的飞行状态信息，并和搭载的环境感知平台经GPRS通信模块传回的环境信息，一同向Web服务器发送，Web服务器将信息存储在Web服务器的数据库中，用户通过浏览器访问获取所有信息。本发明能够实现云平台远程监测飞行器电量状态，飞行状态，环境信息等，经过一定训练后可通过意念控制飞行器的起飞、降落、上升、下降、前进、后退、左转、右转等。
Description
技术领域
本发明涉及无人机控制技术领域，特别是一种小型无人机云脑控制系统及其方法。
背景技术
无人机是无人驾驶飞机的简称(Unmanned Aerial Vehicle), 是利用无线遥控器设备和自备的程序控制装置的不载人飞机。现阶段无人机的应用已经渗透到各个行业，一般可分为军用、民用和消费级。军用无人机具有最高技术，是技术水平最高的无人机，包括侦查、诱饵、无人战斗机等机型。目前来看民用占无人机最大的市场，主要在于政府公共服务的提供，如警用、消防、气象等。消费级无人机一般采用成本较低的多旋翼平台，用于航拍、游戏等休闲用途。但当前无人机的控制仍处于手动控制阶段，需要左手与右手配合，操作较为复杂，如何利用高科技技术的智能化控制成为科学研究的一个重要方向；同时无人机地面控制站体积较大，并且需要在操作员的监护下运行，且未能达到远程监控的目的。对于未来发展来说，意念控制无人机还属于空缺。
常见的无人机控制系统一般需要通过双手的配合进行操作，操作人员一般需要通过将飞行指令转化为左右手对遥控器两个摇杆的控制，通过两个摇杆不同的移动方向，来完成无人机飞行方向的控制。目前，大多数场合下无人机飞行仍需要经过训练的专业操作手进行操作。因此，无人机飞行手也成为一项热门职业。
传统的无人机飞行方式不仅需要操作员的双手操控摇杆来控制，在控制无人机的同时，还要通过双眼观察无人机飞行的方向，以确保飞行器的正常飞行，这样就又增加了无人机控制的难度。
无人机控制不仅需要遥控设备，同时还需要地面控制站，来完成飞行监控、姿态监测、安全检测、环境信息收集等功能。但当前无人机地面控制站体积较大，并且需要在操作员的监护下运行，且未能达到远程监控的目的。云平台技术的推广，扩大了信息传输的范围，增强了信息共享的能力。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种小型无人机云脑控制系统及其方法，能够实现云平台远程监测飞行器电量状态，飞行状态，环境信息等，经过一定训练后可通过意念控制飞行器的起飞、降落、上升、下降、前进、后退、左转、右转等，同时用户可通过浏览器，远程查看飞行器当前飞行状态、环境信息等，经实验表明该控制方式可行，具有良好的市场前景。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种小型无人机云脑控制系统，包括：
环境感知平台，所述环境感知平台安装在无人机上，用于监测无人机周围的环境信息，并将环境信息无线传输至Web服务器；
脑电信号采集设备，用于受试者佩戴，并采集脑电信号，然后将采集到的脑电信号转换成数字信号传输到移动终端；
移动终端，所述移动终端为Android系统并安装有APP，该APP 用来实现稳态视觉诱发范式的显示、脑电信号的采集、降噪、特征提取、飞行指令的发送、飞行器状态信息的采集与上传至Web服务器，以及快速完成脑电信号采集设备、移动终端、无人机之间通讯网络的组建并进行多平台的数据交互；移动终端上设有不同闪烁频率的用于控制无人机状态的刺激源，受试者盯视不同的刺激源后移动终端获得相应的脑电信号并将得到的脑电信号进行coif5小波降噪重构及频域分析，经编码后对飞行指令打包，然后移动终端经USB端口连接遥控射频装置将飞行指令发送给无人机；
遥控射频装置，所述遥控射频装置通过MicroUSB与移动终端连接，用于将移动终端处理后的飞行指令发送给无人机，无人机收到后，进行飞行动作，并将移动后的位置信息通过通信通道返回给移动终端部分，移动终端对其进行姿态调整，同时移动终端通过HTTP协议，经移动网络将无人机的飞行姿态、电池电量、飞行高度上传到Web 服务器中供用户远程进行访问；
Web服务器，采用B/S模式，Web服务器的服务器部分主要采用 Tomcat+MySQL数据库的模式，通过对服务器端Html+Jsp+Servlet的设计，建立MVC服务器架构，完成Web服务器、环境感知平台、移动终端、飞行器的数据交换，数据库用于存储环境感知平台发送的环境信息和移动终端发送的飞行器的状态信息，并供用户通过浏览器访问获取Web服务器的数据库上存储的数据。
进一步的技术方案为，所述脑电信号采集设备采用美国NeuroSky 公司生产的TGAM模块。
进一步的技术方案为，所述环境感知平台包括与无人机连接的主控芯片以及与主控芯片连接的用于测量无人机所处环境的温度和湿度的DHT11数字温湿度传感器、用于测量无人机所处环境的烟雾气体的MQ系列气体传感器、用于测量无人机所处环境的PM2.5质量浓度、PM10质量浓度、PM0.3-PM2.5粒子个数、PM2.5-PM10粒子个数的DSL-03激光数字式PM2.5传感器、用于将环境信息传输至Web服务器GPRS通信模块。
进一步的技术方案为，所述用户包括平板用户、手机用户和台式机用户。
另外，本发明提供一种小型无人机云脑控制方法，受试者佩戴脑电信号采集设备，通过脑电信号采集设备采集脑电信号，观察移动终端上的不同闪烁频率的刺激源后，将得到的脑电信号进行coif5小波降噪重构及频域分析，经编码后对飞行指令打包，然后移动终端 MicroUSB端口连接遥控射频装置将飞行指令发送给无人机；同时移动终端通过遥控射频装置获取无人机的飞行状态信息，并和搭载的环境感知平台经GPRS通信模块传回的环境信息，一同向Web服务器发送，Web服务器将信息存储在Web服务器的数据库中，便于后期的数据存储，数据交互，大数据分析，用户通过浏览器访问获取所有信息。
进一步的技术方案为，所述Web服务器内部实行匹配算法，从0 开始设置ID，并将每个ID与环境感知平台中用户使用的手机号进行绑定，然后写入到Web服务器的数据库中。
进一步的技术方案为，对于环境感知平台采集到的各种传感器的数据在中断中读取，并在10次采用后进行平均滤波，而后将数据进行整理，整理成网络数据包，然后通过GPRS模块将数据包发送给远程Web服务器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明整合Andorid与无人机与云平台，完成了跨平台数据传输和飞行器的控制。
2、提出了一种新型的无人机云脑控制方式，将脑电、无人机、云平台相结合，为今后更智能化的意念控制无人机提供了新的思路。
3、为了提高意念控制的速率与准确性，增强无人机飞行的安全性，本发明中在频域特征提取前，加入coif5小波5层变换重构算法，大大提高了识别的准确性。
4、本发明使用加入云平台，与传统飞行器地面观测基站不同，解决了其体积大、传输距离近的问题。用户通过浏览器，在任意设备、任意时间、任意地点，皆可访问对飞行器进行实时观测。
5、在系统中有物联网技术的应用，针对飞行器飞行时环境对其恶劣的影响，自主设计了一款便携式环境感知平台，可搭载在一般的无人机上，对于飞行器的所处的环境进行感知，并上传服务器，为今后飞行器的安全飞行提供保障。
6、在控制无人机飞行的策略上，由于提取的脑电特征信号为离散信号，并且要有较好控制飞行速度的效果，我们采取记录诱发同一种动作的时间和连续诱发次数，通过将速度与时间、次数进行数据的动态拟合，达到飞行速度随连续触发次数的增加而升高，进而调节飞行的速度，最大的优化了意念控制无人机飞行速度的调整效率，使意念控制更加人性化。
7、在连接飞行器和脑电设备时，有多次自检的功能，类似电脑开机自检的过程。为防止通信断开等突发情况，系统每个100ms进行通信自检功能，如发现异常通信现象或电量较低，则飞行器会主动自主返航，保证意念控制飞行的可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统结示意图。
图2为本发明的环境感知平台电路连接图。
图3为本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的一种小型无人机云脑控制系统，包括：
环境感知平台，所述环境感知平台安装在无人机上，用于监测无人机周围的环境信息，并将环境信息无线传输至Web服务器；
脑电信号采集设备，用于受试者佩戴，并采集脑电信号，然后将采集到的脑电信号转换成数字信号传输到移动终端；
移动终端，所述移动终端为Android系统并安装有APP，该APP 用来实现稳态视觉诱发范式的显示、脑电信号的采集、降噪、特征提取、飞行指令的发送、飞行器状态信息的采集与上传至Web服务器，以及快速完成脑电信号采集设备、移动终端、无人机之间通讯网络的组建并进行多平台的数据交互；移动终端上设有不同闪烁频率的用于控制无人机状态的刺激源，受试者盯视不同的刺激源后移动终端获得相应的脑电信号并将得到的脑电信号进行coif5小波降噪重构及频域分析，经编码后对飞行指令打包，然后移动终端经USB端口连接遥控射频装置将飞行指令发送给无人机；
遥控射频装置，所述遥控射频装置通过MicroUSB与移动终端连接，用于将移动终端处理后的飞行指令发送给无人机，无人机收到后，进行飞行动作，并将移动后的位置信息通过通信通道返回给移动终端部分，移动终端对其进行姿态调整，同时移动终端通过HTTP协议，经移动网络将无人机的飞行姿态、电池电量、飞行高度上传到Web 服务器中供用户远程进行访问；
Web服务器，采用B/S模式，Web服务器的服务器部分主要采用 Tomcat+MySQL数据库的模式，通过对服务器端Html+Jsp+Servlet的设计，建立MVC服务器架构，完成Web服务器、环境感知平台、移动终端、飞行器的数据交换，数据库用于存储环境感知平台发送的环境信息和移动终端发送的飞行器的状态信息，并供用户通过浏览器访问获取Web服务器的数据库上存储的数据。
其中，所述脑电信号采集设备采用美国NeuroSky公司生产的 TGAM模块。
其中，所述环境感知平台包括与无人机连接的主控芯片以及与主控芯片连接的用于测量无人机所处环境的温度和湿度的DHT11数字温湿度传感器、用于测量无人机所处环境的烟雾气体的MQ系列气体传感器、用于测量无人机所处环境的PM2.5质量浓度、PM10质量浓度、PM0.3-PM2.5粒子个数、PM2.5-PM10粒子个数的DSL-03激光数字式PM2.5传感器、用于将环境信息传输至Web服务器GPRS通信模块，参照图2，其中安信可公司的GSM/GPRS A6模块作为本系统的 GPRS通信模块，其内部固件写好的前提自己做了局部优化，主要针对通信协议双工通信做了优化，建立了快速链接机制。它不仅是一款四频段GSM/GPRS无线模块，而且内部具有TCP/IP协议，可以将数据通过IP协议的格式发送到网络。环境测量部分主要测量温度、湿度、光强、甲烷、PM2.5、PM10等环境参数。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器，该传感器由一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件构成。气体检测也十分重要，尤其是甲烷，CO气体等。气敏传感器本系统主要采用MQ系列气体传感器。由半导体气敏材料制作而成，当与烟雾接触时晶粒间界处的势垒收到该气体的调制而发生变化，随即就会引起电导率的变化。烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻值越低。DSL-03是一款激光数字式 PM2.5传感器。内置激光器和光电接收组件，采用光散射原理，激光在颗粒物上发生漫射光，由光电接收器件转化为电信号，在通过特定算法计算出PM2.5质量浓度、PM10质量浓度、PM0.3-PM2.5粒子个数、PM2.5-PM10粒子个数。此方案中主控芯片采用STM32F103，是一款低功耗处理器，具有门数目少，中断延迟短，调试成本低的特点，是为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的，该处理器采用ARMv7-M架构，可拓展较多外设，软件编程相对简单，开发周期短，该主控芯片与环境感知的各传感器相接，实现对本地环境的采集；与安信可公司的GSM/GPRS A6模块相接，达到将环境信息传递到远程服务器的功能。
其中，所述用户包括平板用户、手机用户和台式机用户。
另外，本发明提供一种小型无人机云脑控制方法，受试者佩戴脑电信号采集设备，通过脑电信号采集设备采集脑电信号，观察移动终端上的不同闪烁频率的刺激源后，将得到的脑电信号进行coif5小波降噪重构及频域分析，经编码后对飞行指令打包，然后移动终端 MicroUSB端口连接遥控射频装置将飞行指令发送给无人机；同时移动终端通过遥控射频装置获取无人机的飞行状态信息，并和搭载的环境感知平台经GPRS通信模块传回的环境信息，一同向Web服务器发送，Web服务器将信息存储在Web服务器的数据库中，便于后期的数据存储，数据交互，大数据分析，用户通过浏览器访问获取所有信息。
再者，在系统搭建时考虑到用户扩展性的问题，所述Web服务器内部实行匹配算法，从0开始设置ID，并将每个ID与环境感知平台中用户使用的手机号进行绑定，然后写入到Web服务器的数据库中，方便后期扩展用户，同时能够准确的获取用户所有信息，也对程序的扩展性有极大的提升。
另外，本发明采用的主控芯片上并没有操作系统，数据采集、处理、传输都需要在主流程中完成，对于环境感知平台采集到的各种传感器的数据在中断中读取，并在10次采用后进行平均滤波，而后将数据进行整理，整理成网络数据包，然后通过GPRS模块将数据包发送给远程Web服务器。
具体实施例：如图3所示，具体操作过程如下：长按电源键打开无人机飞行器后，打开大功率遥控射频部分与移动终端设备APP，并将遥控射频部分与移动终端通过Micro USB线链接。点击移动终端 APP上的飞行器连接键，当飞行器指示灯与遥控器指示灯均为绿色并且显示飞行器连接成功和飞行器当前位置时，即连接飞行器成功已进入等待飞行状态，否则检查遥控器是否匹配并重新点击连接飞行器连接器。操作者需头戴脑电设备帽子，开启脑电设备并点击APP上脑电帽子连接键，若指示灯由闪烁转为常亮与APP上返回蓝牙设备连接成功，即帽子连接成功。此时，操作者需要盯住屏幕，若脑电强度指示为绿色笑脸，则可进行飞行，否则帽子佩戴姿势有误需调整。然后操作者需盯住“起飞”的图像(以6hz的频率闪烁)，那么经特征提取与分类模块提取后识别的使用者大脑诱发出的频率便是6hz，则飞行器则会一键起飞，以固定飞行高度1.2m悬停。操作者然后盯住其他动作的闪烁块，由于同一界面的闪烁块频率不同，诱发出来的频率也不同，即进行不同的飞行指令，如盯住“上升”的图像(以9Hz频率闪烁)，则飞行器以0.5m的高度上升，若一直盯住“上升“，则会以盯住的时间长短和诱发次数，提高上升的速度。通过以上方式即可对无人机实现意念控制，完成飞行任务。同时在飞行器上固定安装环境感知平台并开启，远程操作者使用电脑、平板、手机等设备上的浏览器登录服务器，经账户登陆后，即可通过浏览器观测飞行器当前飞行的三维坐标、飞行轨迹、飞行速度、飞行器剩余电量、脑电信号质量、环境信息等。并可以查询历史信息、打印历史数据。实现远程云平台观测的功能。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种小型无人机云脑控制系统，其特征在于，包括：
环境感知平台，所述环境感知平台安装在无人机上，用于监测无人机周围的环境信息，并将环境信息无线传输至Web服务器；
脑电信号采集设备，用于受试者佩戴，并采集脑电信号，然后将采集到的脑电信号转换成数字信号传输到移动终端；
移动终端，所述移动终端为Android系统并安装有APP，该APP用来实现稳态视觉诱发范式的显示、脑电信号的采集、降噪、特征提取、飞行指令的发送、飞行器状态信息的采集与上传至Web服务器，以及快速完成脑电信号采集设备、移动终端、无人机之间通讯网络的组建并进行多平台的数据交互；移动终端上设有不同闪烁频率的用于控制无人机状态的刺激源，受试者盯视不同的刺激源后移动终端获得相应的脑电信号并将得到的脑电信号进行coif5小波降噪重构及频域分析，经编码后对飞行指令打包，然后移动终端经USB端口连接遥控射频装置将飞行指令发送给无人机；
遥控射频装置，所述遥控射频装置通过MicroUSB与移动终端连接，用于将移动终端处理后的飞行指令发送给无人机，无人机收到后，进行飞行动作，并将移动后的位置信息通过通信通道返回给移动终端部分，移动终端对其进行姿态调整，同时移动终端通过HTTP协议，经移动网络将无人机的飞行姿态、电池电量、飞行高度上传到Web服务器中供用户远程进行访问；
Web服务器，采用B/S模式，Web服务器的服务器部分主要采用Tomcat+MySQL数据库的模式，通过对服务器端Html+Jsp+Servlet的设计，建立MVC服务器架构，完成Web服务器、环境感知平台、移动终端、飞行器的数据交换，数据库用于存储环境感知平台发送的环境信息和移动终端发送的飞行器的状态信息，并供用户通过浏览器访问获取Web服务器的数据库上存储的数据。
2.根据权利要求1所述的小型无人机云脑控制系统，其特征在于：所述脑电信号采集设备采用美国NeuroSky公司生产的TGAM模块。
3.根据权利要求1所述的小型无人机云脑控制系统，其特征在于：所述环境感知平台包括与无人机连接的主控芯片以及与主控芯片连接的用于测量无人机所处环境的温度和湿度的DHT11数字温湿度传感器、用于测量无人机所处环境的烟雾气体的MQ系列气体传感器、用于测量无人机所处环境的PM2.5质量浓度、PM10质量浓度、PM0.3-PM2.5粒子个数、PM2.5-PM10粒子个数的DSL-03激光数字式PM2.5传感器、用于将环境信息传输至Web服务器GPRS通信模块。
4.根据权利要求1所述的小型无人机云脑控制系统，其特征在于：所述用户包括平板用户、手机用户和台式机用户。
5.一种如权利要求1-4所述的小型无人机云脑控制方法，其特征在于：受试者佩戴脑电信号采集设备，通过脑电信号采集设备采集脑电信号，观察移动终端上的不同闪烁频率的刺激源后，将得到的脑电信号进行coif5小波降噪重构及频域分析，经编码后对飞行指令打包，然后移动终端MicroUSB端口连接遥控射频装置将飞行指令发送给无人机；同时移动终端通过遥控射频装置获取无人机的飞行状态信息，并和搭载的环境感知平台经GPRS通信模块传回的环境信息，一同向Web服务器发送，Web服务器将信息存储在Web服务器的数据库中，便于后期的数据存储，数据交互，大数据分析，用户通过浏览器访问获取所有信息。
6.根据权利要求5所述的小型无人机云脑控制方法，其特征在于：所述Web服务器内部实行匹配算法，从0开始设置ID，并将每个ID与环境感知平台中用户使用的手机号进行绑定，然后写入到Web服务器的数据库中。
7.根据权利要求5所述的小型无人机云脑控制方法，其特征在于：对于环境感知平台采集到的各种传感器的数据在中断中读取，并在10次采用后进行平均滤波，而后将数据进行整理，整理成网络数据包，然后通过GPRS模块将数据包发送给远程Web服务器。
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