CN109432724A - 新型健身飞行器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种新型健身飞行器及其控制方法，其特征在于，包括：网壳结构的球形骨架和设置在所述球形骨架内部的四旋翼飞行器；所述四旋翼飞行器固定在球形骨架的中心。传统球类运动中球的轨迹是由空气动力学和地心引力决定的，而本发明及其优选方案通过增加球本身的自主的机动性作为完全不同的变量大大拓展了球类运动的玩法空间，丰富了球类运动的外延；同时通过增加身体姿态（包括手势）操控的方式，以及结合四旋翼飞行器便于进行飞行操控和悬停的特点，能够使该新型装置的健身场地需求降低，也能够大大方便于老弱病残幼群体通过该种装置进行运动和健身，具备很高的社会公益价值。

Description

新型健身飞行器及其控制方法
技术领域
本发明涉及运动健身器材领域，尤其涉及一种新型健身飞行器及其控制方法。
背景技术
在运动领域，球被应用于许多体育项目，是一种广泛普及的运动器材。传统的球类运动多遵循基本物理运动规律，基于此已经有很多成熟的玩法如投掷、击打、脚踢等。其中大部分运动项目都包含较大的运动量与身体对抗，且运动过程中球的速度较快，如篮球、足球、网球等，不适于以健身为目的的老弱病残幼等大部分群体；然而一些较轻松、不需身体对抗的运动，如台球、高尔夫球、保龄球等又常常受制于场地，且此类场馆还不够普及，想进行一次该类活动是很不方便的。
发明内容
健身对保持身体健康的重要性不言而喻。目前已有健身的方式种类繁多，然而却没有一项合适的球类运动可供老弱病残幼群体选择。
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种新型健身飞行器，采用微型四旋翼飞行器与球形网壳相结合的方案，通过微型四旋翼飞行器上加载摄像头进行图像采集和，以实现手势控制。本发明所提出的新型健身飞行器方案解决了传统球类运动强度过大以及场地过于限制的问题，给了老弱病残幼群体一个实用的健身选择。其具体采用以下技术方案：
一种新型健身飞行器，其特征在于，包括：网壳结构的球形骨架和设置在所述球形骨架内部的四旋翼飞行器；所述四旋翼飞行器固定在球形骨架的中心。
优选地，所述四旋翼飞行器相邻旋翼臂之间夹角为90°，四个旋翼安装在同一水平面，且相邻旋翼旋向相反。
优选地，所述四旋翼飞行器的重心固定在球形骨架的中心。
优选地，四个所述旋翼安装在球形骨架的大圆所在的平面。
优选地，所述四旋翼飞行器包括：电机、旋翼臂、旋翼和机体；所述机体固定在球形骨架的中心，并设置有电源、传感器、飞行控制模块和摄像头。
以及根据上述优选装置的的控制方法，其特征在于：根据摄像头采集的使用者的身体姿态，对所述四旋翼飞行器进行姿态控制。
优选地，对存在扰动因素影响下的四旋翼飞行器姿态控制，采用趋近律滑模进行系统姿态跟踪控制，具体包括以下步骤：
步骤S1：通过受力分析，获得四旋翼飞行器的动力学系统模型：
式中：x,y,z为四旋翼飞行器参考点的惯性坐标；φ,θ,ψ分别为滚转角，俯仰角和偏航角；M为四旋翼飞行器质量；L为旋翼中心到机体坐标原点的距离；kx,ky,kz,kφ,kθ,kψ为各通道的阻力系数；dx,dy,dz,dφ,dθ,dψ表示各通道的干扰信号；ix,iy,iz为转动惯量；g为重力加速度；u1,u2,u3,u4为控制信号；
步骤S2：通过式(1)获得四旋翼飞行器姿态控制系统方程：
步骤S3：令X1＝[φ θ ψ]T,同时将姿态控制系统方程中的部分系统动态和外部扰动统一看成系统的扰动项，将四旋翼飞行器姿态控制系统方程(2)可重写为如下的形式：
式中：姿态控制输入向量u＝[u2 u3 u4]；d＝[d2 d3 d4]为系统总扰动向量，B为系统输入矩阵。d,B具体形式为：
步骤S4：假设d范数有界，即满足||d||≤f，其中f为某一正数。
优选地，所述趋近律滑模为指数趋近律滑膜，其中：
假设四旋翼飞行器的期望姿态为[φd θd ψd]T，则姿态跟踪误差可定义为：
定义系统线性滑膜面为式中，s＝[s1 s2 s3]T；λ＝diag[λ1 λ2 λ3]，λ1＞0,λ2＞0,λ3＞0；
考虑如下指数趋近律：
s＝-τs-δsign(s) (7)
式中τ＝diag[τ1 τ2 τ3]，τi＞0(i＝1,2,3)；δ＝diag[δ1 δ2 δ3],δi＞0(i＝1,2,3)；sign(s)＝[sign(s1) sign(s2) sign(s3)]T，则系统控制输入向量可设置为；
传统球类运动中球的轨迹是由空气动力学和地心引力决定的，而本发明及其优选方案通过增加球本身的自主的机动性作为完全不同的变量大大拓展了球类运动的玩法空间，丰富了球类运动的外延；同时通过增加身体姿态(包括手势)操控的方式，以及结合四旋翼飞行器便于进行飞行操控和悬停的特点，能够使该新型装置的健身场地需求降低，也能够大大方便于老弱病残幼群体通过该种装置进行运动和健身，具备很高的社会公益价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例正视示意图；
图2是本发明实施例俯视示意图；
图3是本发明实施例球形骨架示意图；
图4是本发明实施例整体结构立体示意图；
图5是本发明实施例旋翼布局原理示意图；
图6是本发明实施例操控手势示意图；
图7是本发明实施例使用方式示意图；
图中：1-电机，2-旋翼臂，3-旋翼，4-转动轴，5-机体。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
如图4所示，本实施例装置包括：网壳结构的球形骨架和设置在球形骨架内部的四旋翼飞行器；四旋翼飞行器固定在球形骨架的中心。
如图1、图2所示，四旋翼飞行器主要包括电机1，旋翼臂2，旋翼3，转动轴4与机体5。其中，机体5固定在球形骨架的中心，并设置有电源、传感器、飞行控制模块和摄像头。相邻旋翼臂以夹角为90°的布局一端连接于机体5，另一端连接电机1。四个旋翼安装在同一水平面，如图5所示，旋翼布局为：对称旋翼旋向相同，相邻旋翼旋向相反。
为了使该实施例的重心和结构更为平稳，可以设置为：四旋翼飞行器的重心固定在球形骨架的中心。四个旋翼安装在球形骨架的大圆所在的平面。
如图3所示，在本实施例中，球形骨架采用双圆环交互式结构，在保护内部飞行器部分不受碰撞的同时保证其正常飞行能力。球形骨架材料采用直径为16cm的聚苯乙烯泡沫塑料外壳，以实现良好的防碰撞效果。
如图6、图7所示，在本实施例装置的使用和控制方法方面，根据摄像头采集的使用者的身体姿态，对四旋翼飞行器进行姿态控制。
其中，使用者通过以手势为主的身体姿态及其动态变化(如悬停、接近、虚弱或反重力，以及(远程)推或拉等)控制本实施例装置的运行，而本实施例装置通过摄像头采集的使用者的身体姿态，通过与预设的控制姿态进行比对，以实现对采集图像的响应。如图6所示，如当使用者举起手，该装置就会浮起来。当使用者向自己招手时，该装置就会回到玩家身边
更进一步地，在本实施例中，对存在扰动因素影响下的四旋翼飞行器姿态控制，采用趋近律滑模进行系统姿态跟踪控制，具体包括以下步骤：
步骤S1：当忽略大气对螺旋桨的干扰、轴承间摩擦以及陀螺效应等因素的影响，通过对螺旋桨的受力分析可得四旋翼飞行器的动力学系统模型：
式中：x,y,z为四旋翼飞行器参考点的惯性坐标；φ,θ,ψ分别为滚转角，俯仰角和偏航角；M为四旋翼飞行器质量；L为旋翼中心到机体坐标原点的距离；kx,ky,kz,kφ,kθ,kψ为各通道的阻力系数；dx,dy,dz,dφ,dθ,dψ表示各通道的干扰信号；ix,iy,iz为转动惯量；g为重力加速度；u1,u2,u3,u4为控制信号；
步骤S2：通过式(1)获得四旋翼飞行器姿态控制系统方程：
步骤S3：令X1＝[φ θ ψ]T,同时将姿态控制系统方程中的部分系统动态和外部扰动统一看成系统的扰动项，将四旋翼飞行器姿态控制系统方程(2)可重写为如下的形式：
式中：姿态控制输入向量u＝[u2 u3 u4]；d＝[d2 d3 d4]为系统总扰动向量，B为系统输入矩阵。d,B具体形式为：
步骤S4：假设d范数有界，即满足||d||≤f，其中f为某一正数。此时，本实施例装置的控制目标为：针对四旋翼飞行器存在系统扰动时基于趋近律滑膜的姿态控制，使得系统在控制输入信号的作用下达到满意的控制性能。
作为优选，趋近律滑模为指数趋近律滑膜，采用指数趋近律滑膜可有效改善滑膜控制中趋近阶段的品质，减弱系统抖振现象。原因在于指数趋近律滑膜有在系统状态远离滑膜面时收敛速度较快，接近滑膜面时收敛速度较慢的特点。其中：
假设四旋翼飞行器的期望姿态为[φd θd ψd]T，则姿态跟踪误差可定义为：
定义系统线性滑膜面为式中，s＝[s1 s2 s3]T；λ＝diag[λ1 λ2 λ3]，λ1＞0,λ2＞0,λ3＞0；
考虑如下指数趋近律：
s＝-τs-δsign(s) (7)
式中τ＝diag[τ1 τ2 τ3]，τi＞0(i＝1,2,3)；δ＝diag[δ1 δ2 δ3],δi＞0(i＝1,2,3)；sign(s)＝[sign(s1) sign(s2) sign(s3)]T，则系统控制输入向量可设置为；
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的新型健身飞行器及其控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种新型健身飞行器，其特征在于，包括：网壳结构的球形骨架和设置在所述球形骨架内部的四旋翼飞行器；所述四旋翼飞行器固定在球形骨架的中心。
2.根据权利要求1所述的新型健身飞行器，其特征在于：所述四旋翼飞行器相邻旋翼臂之间夹角为90°，四个旋翼安装在同一水平面，且相邻旋翼旋向相反。
3.根据权利要求1所述的新型健身飞行器，其特征在于：所述四旋翼飞行器的重心固定在球形骨架的中心。
4.根据权利要求2所述的新型健身飞行器，其特征在于：四个所述旋翼安装在球形骨架的大圆所在的平面。
5.根据权利要求1所述的新型健身飞行器，其特征在于：所述四旋翼飞行器包括：电机、旋翼臂、旋翼和机体；所述机体固定在球形骨架的中心，并设置有电源、传感器、飞行控制模块和摄像头。
6.根据权利要求5所述的新型健身飞行器的控制方法，其特征在于：根据摄像头采集的使用者的身体姿态，对所述四旋翼飞行器进行姿态控制。
7.根据权利要求6所述的新型健身飞行器的控制方法，其特征在于：对存在扰动因素影响下的四旋翼飞行器姿态控制，采用趋近律滑模进行系统姿态跟踪控制。
8.根据权利要求7所述的新型健身飞行器的控制方法，其特征在于：对存在扰动因素影响下的四旋翼飞行器姿态控制，采用趋近律滑模进行系统姿态跟踪控制，具体包括以下步骤：
步骤S1：通过受力分析，获得四旋翼飞行器的动力学系统模型：
式中：x,y,z为四旋翼飞行器参考点的惯性坐标；φ,θ,ψ分别为滚转角，俯仰角和偏航角；M为四旋翼飞行器质量；L为旋翼中心到机体坐标原点的距离；kx,ky,kz,kφ,kθ,kψ为各通道的阻力系数；dx,dy,dz,dφ,dθ,dψ表示各通道的干扰信号；ix,iy,iz为转动惯量；g为重力加速度；u1,u2,u3,u4为控制信号；
步骤S2：通过式(1)获得四旋翼飞行器姿态控制系统方程：
步骤S3：令X1＝[φ θ ψ]T,同时将姿态控制系统方程中的部分系统动态和外部扰动统一看成系统的扰动项，将四旋翼飞行器姿态控制系统方程(2)可重写为如下的形式：
式中：姿态控制输入向量u＝[u2 u3 u4]；d＝[d2 d3 d4]为系统总扰动向量，B为系统输入矩阵；d,B具体形式为：
步骤S4：假设d范数有界，即满足||d||≤f，其中f为某一正数。
9.根据权利要求7所述的新型健身飞行器的控制方法，其特征在于：所述趋近律滑模为指数趋近律滑膜，其中：
假设四旋翼飞行器的期望姿态为[φd θd ψd]T，则姿态跟踪误差可定义为：
定义系统线性滑膜面为式中，s＝[s1 s2 s3]T；λ＝diag[λ1 λ2 λ3]，λ1＞0,λ2＞0,λ3＞0；
考虑如下指数趋近律：
s＝-τs-δsign(s) (7)
式中τ＝diag[τ1 τ2 τ3]，τi＞0(i＝1,2,3)；δ＝diag[δ1 δ2 δ3],δi＞0(i＝1,2,3)；
sign(s)＝[sign(s1) sign(s2) sign(s3)]T，则系统控制输入向量可设置为；
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