CN114815689A - 一种实现手势控制的无人机及其控制系统和控制方法 - Google Patents
一种实现手势控制的无人机及其控制系统和控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种实现手势控制的无人机及其控制系统和控制方法，所述控制方法包括：步骤S1，地面端通过手势识别模块进行手势动作的采集，对采集的数据进行处理获取到无人机手势控制信息，将得到的无人机手势控制信息进行自定义编码后，通过WIFI协议发送至无人机；步骤S2，在无人机端，通过树莓派接收地面端发送的无人机手势控制信息，对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控模块，从而通过飞控模块实现无人机的实时控制和飞行信息反馈。
Description
技术领域
本发明涉及无人机控制领域，特别是涉及一种实现手势控制的无人机及其控制系统和控制方法。
背景技术
近年来，国家对于无人机的发展越来越重视，无人机的热度不断上升，国内外各大无人机公司不断吸引外部投资，在续航，作业和安全稳定等方面不断创新，使得无人机越来越趋于稳定化和先进化。
而且随着人工智能的发展和5G时代的到来，无人机更加智能化，京东无人机配送站宣布成立，大疆和徕卡地理信息公司合作开发航拍系统和5G无人机安防系统，可携带AI深度学习平台，可实现多场景，多人物以及多维度的快速视频分析。不仅如此，据了解，消费级的无人机所占市场比例超过了军用无人机，成为了未来的市场竞争主力。
同时，消费级的无人机在操控方面，要求简单方便。然而，国内外在无人机操控方面的革新并不多见，很大程度上无人机的操作仍然依赖于遥控器。但是，用户使用遥控器控制无人机，可能需要深入熟悉无人机遥控器舵机的使用，油门灵敏度等，并进行大量的模拟操作以及实地飞行操作才能掌握，避免事故发生。目前的无人机遥控器远程控制需要有一定的专业既能，而且操作较为复杂，新手适应时间长，操作也不直观。所以使用遥控器远程控制无人机弊端较多，无法灵活操作，用户上手较为复杂。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种实现手势控制的无人机及其控制系统和控制方法，以解决现有技术中使用遥控器控制的无人机操控方法中，操控性和便携性较低的问题，并进一步提升无人机控制指令的可扩展性，加强人机交互性。
为达上述及其它目的，本发明提出一种实现手势控制的无人机，包括：
IMU模组，用于实时采集无人机飞行过程中的三维速度姿态数据，并发送给飞控模块；
GPS模块，用于实时采集无人机的位置信息，并发送给飞控模块；
树莓派，获取地面端发送的无人机手势控制信息，对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控模块，以及接收飞控模块反馈的飞行信息；
飞控模块，与所述树莓派进行串口通信，根据接收的飞行控制指令进行无人机的实时控制和飞行信息反馈。
优选地，在所述树莓派中，采用分支逻辑对地面端发送的无人机手势控制信息进行判断，根据判断结果基于Dronekit库转换为相应的飞行控制指令。
优选地，所述树莓派对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，根据手势类型代号进入树莓派的飞行控制程序中对应的分支，利用分支中含有的相应运动控制函数转换为相应的飞行控制指令。
优选地，所述树莓派与地面端采用WIFI通信方式。
优选地，所述树莓派与地面端的通信在传输层使用TCP协议、应用层使用socket提供的接口，实现无人机手势控制信息即时发送，同时选用阻塞的收发方式，保证无人机手势控制数据和无人机命令一一匹配，实现地面端数据发送到无人机端的操作。
为达到上述目的，本发明还提供一种实现手势控制的无人机控制系统，包括：
无人机，用于通过树莓派接收地面端发送的无人机手势控制信息， 对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控模块，从而通过飞控模块实现无人机的实时控制和飞行信息反馈；
地面端，用于利用手势识别模块进行手势动作的采集，对采集的手势动作进行处理获取到无人机手势控制信息，将得到的无人机手势控制信息进行自定义编码后，通过WIFI协议发送至无人机端。
优选地，所述地面端采用手势传感器与PC端 相连整体作为所述手势识别模块。
优选地，当人体的操控手势动作被所述手势传感器识别到之后，先对所述手势传感器提供的数据进行预处理，若与上一帧偏移量过小，则当前手势没有变化；若偏移量超过一定阈值，则将帧数据作为参数传入预设的手势函数，得到函数返回值确定手势动作，从而得到下一步指令，最后通过socket通信方式将指令从PC端传输到无人机的树莓派中。
为达到上述目的，本发明还提供一种实现手势控制的无人机的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，地面端通过手势识别模块进行手势动作的采集，对采集的数据进行处理获取到无人机手势控制信息，将得到的无人机手势控制信息进行自定义编码后，通过WIFI协议发送至无人机；
步骤S2，在无人机端，通过树莓派接收地面端发送的无人机手势控制信息，对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控模块，从而通过飞控模块实现无人机的实时控制和飞行信息反馈。
优选地，于步骤S2中，当树莓派接收到地面端得无人机手势控制信息时，对接收数据进行解码得到手势类型代号与手势速度，根据手势类型代号进入树莓派的飞行控制程序中对应的分支，分支中含有相应的运动控制函数，利用分支中含有的相应运动控制函数将其转换为相应的飞行控制指令传递给飞控模块。
现有技术相比，本发明一种实现手势控制的无人机及其控制系统和控制方法，通过将树莓派作为接收地面信号和控制无人机的核心部件，通过搭载Linux系统并引入Dronekit库，无需精确至电机的调控也无需编写基础的飞控和通讯代码，简化了控制程序的编写与调试过程，更加直观方便，在此基础上解决了现有使用遥控器控制的无人机操控方法中操控性和便携性较低的问题，提升了无人机控制指令的可扩展性，并增强了人机交互性。
附图说明
图1为本发明一种实现手势控制的无人机控制系统的系统结构图；
图2为本发明一种实现手势控制的无人机的控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种实现手势控制的无人机控制系统的系统结构图。如图1所示，本发明一种实现手势控制的无人机控制系统，包括：
无人机10，用于通过树莓派接收地面端20发送的无人机手势控制信息， 对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控模块，从而通过飞控模块实现无人机的实时控制和飞行信息反馈。
具体地，无人机10进一步包括：
IMU模组101，用于实时采集无人机飞行过程中的三维速度姿态数据，并发送给飞控104。
IMU全称为Inertial Measurement Unit，即惯性测量单元，至少加速度计和陀螺仪，其中加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，对该些信号进行处理之后，便可解算出物体的姿态，当然，IMU模组还可包括磁力计及气压计等，由于本发明中无人机所包含的IMU模组采用的是现有的IMU模组，在此不予赘述。
GPS模块102，用于实时采集无人机的位置信息，并发送给飞控104。由于GPS模块也是目前无人机上所采用的成熟模块，在此不予赘述。
树莓派103，与地面端、飞控104进行通信，获取地面端发送的无人机手势控制信息，对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号（dir）与手势速度（spe），并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控104。
在本发明中，一方面，树莓派103与地面端进行WIFI通信，通过socket通信协议与地面 PC 端进行数据传输，接收地面端由手势识别模块 Leapmotion识别到的手势信号，即无人机手势控制信号。具体地，树莓派103与地面端均具有WIFI模块，在传输层使用TCP协议、应用层使用socket提供的接口，通过setsockopt中 TCP_NODELAY将Nagle算法禁用，实现手势控制信息即时发送，同时选用阻塞的收发方式，保证手势控制数据和无人机命令一一匹配，最终实现地面端数据发送到无人机端的操作。本发明通过利用WIFI实现树莓派与WIFI通信无线连接，节省了无线发射模块和天线等部件，减少功率消耗，只要无人机与地面端处于同一WIFI下即可进行通讯，加大通讯距离。
另一方面，树莓派103与飞控104进行直接串口通信，即树莓派103实时将得到的无人机控制信号通过串口通信提供给飞控104，同时接收飞控104的数据反馈，以便实时控制和飞行信息反馈。
在本发明具体实施例中，当地面端将无人机手势控制信号基于socket协议传输到树莓派103中，进入树莓派主控制程序，树莓派主控制程序采用分支逻辑对地面端的手势指令进行判断，并根据判断结果基于Dronekit库转换为相应的飞行控制指令，例如，手的上升下降、前进后退等动作在地面端转换为对应的数字1、2、3等，进而生成手势指令后发送至树莓派103，树莓派对接收数据进行解码得到手势类型代号（dir）与手势速度（spe），根据手势类型代号（dir）进入树莓派的飞行控制程序（分支逻辑）中对应的分支，分支中含有相应的运动控制函数，利用该运动控制函数转换为相应的飞行控制指令，具体地，转换只需向运动控制函数send_body_ned_velocity(velocity_x, velocity_y, velocity_z, duration=0)中输入相对应的参数，即xyz三个方向上的速度，该函数是Dronekit库中的API函数，即可直接修改无人机的飞行速度，在本发明具体实施例中，根据不同的飞行要求给一个倍数系数，xyz方向的速度为手势速度乘以倍数系数得到，假设仅考虑做了左右前后上下的运动，那么xyz每次只送进去一个数，其他都是0，例如，接收到手势速度为10cm/s，方向为垂直向上，则送入参数：x=0，y=0，z=1，z=1表示z方向上的速度，单位为m/s，是10cm/s乘预设倍数得到的。
需说明的是，在本发明中，使用树莓派作为接收手势控制信息和控制无人机的核心部件而不是采用单片机作为核心部件，若使用单片机作为核心部件，编写飞行控制程序复杂，需要利用PID算法求取俯仰角、翻滚角、偏航角以及控制四个电机的pwm信号，对于PID的具体参数还需要经过调试才能找到最佳的结果，即需要精确到每一个电机的细节控制，而且如果使用单片机与Pixhawk飞控进行串口通信，还需要进行相应的串口和通讯配置，也相对繁琐；而采用树莓派作为核心控制部件，搭载Linux系统并引入Dronekit库，不需精确至电机的调控也不需编写基础的飞控和通讯代码，比用单片机进行控制更为方便，简化了控制程序的编写与调试过程，更加直观方便，例如定义一个按一定方向一定速度飞行的函数，如前述send_body_ned_velocity函数，只需要控制树莓派送对应的控制字给飞控模块即可。
飞控模块104，与树莓派103进行串口通信，根据接收的飞行控制指令进行无人机的实时控制和飞行信息反馈。
在本发明具体实施例中，飞控模块104为pixhawk飞控，相当于无人机的大脑。在本发明中，飞控工作模式为自动飞行模式，并通过地面端打开飞控的通信功能，配置飞控日志参数，然后就可以从树莓派接收指令并执行。Pixhawk飞控有多个UART接口，与树莓派基于Mavlink协议进行数据传输。由于Pixhawk飞控为现有技术，在此不予赘述。
地面端20，用于利用体感控制器进行手势动作的采集，并结合体感控制器自带的SDK库对采集的数据进行处理获取到无人机手势控制信息，将得到的无人机手势控制信息进行自定义编码后，通过WIFI协议发送至无人机端10。
在本发明具体实施例中，地面端20采用手势传感器Leapmotion与PC端相连整体作为手势识别模块，具体地，使用Leapmotion手势传感器进行手势动作的采集并在PC端进行处理；在PC端利用体感控制器自带的SDK对其进行自主开发，预先设计好常用的操控手势（例如：水平向左向右、水平前进后退、垂直上升下降等），并通过代码编写对应的手势判断函数和设计对应的指令。具体地，当人体的操控手势动作被Leapmotion手势传感器识别到之后，先对Leapmotion手势传感器提供的数据进行预处理，若与上一帧偏移量过小，则当前手势没有变化；若偏移量超过一定阈值，则将帧数据作为参数传入设计好的手势函数，得到函数返回值确定手势动作，从而得到下一步指令（例如：当前手势及手掌速度），然后通过socket通信方式将指令从PC端传输到树莓派中，并进入树莓派控制程序。由于地面端的实现与现有技术基本相同，在此不予赘述。
图2为本发明一种实现手势控制的无人机的控制方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种实现手势控制的无人机的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，地面端通过体感控制器进行手势动作的采集，结合体感控制器自带的SDK库对采集的数据进行处理获取到无人机手势控制信息，将得到的无人机手势控制信息进行自定义编码后，通过WIFI协议发送至无人机。
在本发明具体实施例中，地面端使用Leapmotion手势传感器进行手势动作的采集并在PC端进行处理；在PC端利用体感控制器自带的SDK对其进行自主开发，预先设计好常用的操控手势（例如：水平向左向右、水平前进后退、垂直上升下降等），并通过代码编写对应的手势判断函数和设计对应的指令。具体地，当人体的操控手势动作被Leapmotion手势传感器识别到之后，先对Leapmotion手势传感器提供的数据进行预处理，若与上一帧偏移量过小，则当前手势没有变化；若偏移量超过一定阈值，则将帧数据作为参数传入设计好的手势函数，得到函数返回值确定手势动作，从而得到下一步指令（例如：当前手势及手掌速度）。
步骤S2，在无人机端，通过树莓派接收地面端发送的无人机手势控制信息， 对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控模块，从而通过飞控模块实现无人机的实时控制和飞行信息反馈。
在本发明具体实施例中，无人机端的树莓派采用分支逻辑对地面端的无人机手势指令进行判断，并根据判断结果基于Dronekit库转换为相应的飞行控制指令，具体地，当地面端将无人机手势控制信号基于socket 协议传输到树莓派中，例如，手的上升下降、前进后退等动作在地面端转换为对应的数字1、2、3等，进而生成无人机手势指令发送至树莓派后，树莓派进入树莓派飞行控制程序，对接收数据进行解码得到手势类型代号（dir）与手势速度（spe）根据手势类型代号（dir）进入树莓派的飞行控制程序（分支逻辑）中对应的分支，分支中含有相应的运动控制函数，利用该运动控制函数转换为相应的飞行控制指令，具体地，转换只需向运动控制函数send_body_ned_velocity(velocity_x, velocity_y,velocity_z, duration=0)中输入相对应的参数，即xyz三个方向上的速度，该函数是Dronekit库中的API函数，即可直接修改无人机的飞行速度。
可见，本发明一种实现手势控制的无人机及其控制方法、系统通过将树莓派作为接收地面信号和控制无人机的核心部件，通过搭载Linux系统并引入Dronekit库，无需精确至电机的调控也无需编写基础的飞控和通讯代码，简化了控制程序的编写与调试过程，更加直观方便，在此基础上解决了现有使用遥控器控制的无人机操控方法中操控性和便携性较低的问题，提升了无人机控制指令的可扩展性，并增强了人机交互性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种实现手势控制的无人机，包括：
IMU模组，用于实时采集无人机飞行过程中的三维速度姿态数据，并发送给飞控模块；
GPS模块，用于实时采集无人机的位置信息，并发送给飞控模块；
树莓派，获取地面端发送的无人机手势控制信息，对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令发送至飞控模块，以及接收飞控模块反馈的飞行信息；
飞控模块，与所述树莓派进行串口通信，根据接收的飞行控制指令进行无人机的实时控制和飞行信息反馈。
2.如权利要求1所述的一种实现手势控制的无人机，其特征在于，在所述树莓派中，采用分支逻辑对地面端发送的无人机手势控制信息进行判断，根据判断结果基于Dronekit库转换为相应的飞行控制指令。
3.如权利要求2所述的一种实现手势控制的无人机，其特征在于：所述树莓派对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，根据手势类型代号进入树莓派的飞行控制程序中对应的分支，利用分支中含有的相应运动控制函数转换为相应的飞行控制指令。
4.如权利要求3所述的一种实现手势控制的无人机，其特征在于：所述树莓派与地面端采用WIFI通信方式。
5.如权利要求4所述的一种实现手势控制的无人机，其特征在于：所述树莓派与地面端的通信在传输层使用TCP协议、应用层使用socket提供的接口，实现无人机手势控制信息即时发送，同时选用阻塞的收发方式，保证无人机手势控制数据和无人机命令一一匹配，实现地面端数据发送到无人机端的操作。
6.一种实现手势控制的无人机控制系统，包括：
无人机，用于通过树莓派接收地面端发送的无人机手势控制信息， 对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控模块，从而通过飞控模块实现无人机的实时控制和飞行信息反馈；
地面端，用于利用手势识别模块进行手势动作的采集，对采集的手势动作进行处理获取到无人机手势控制信息，将得到的无人机手势控制信息进行自定义编码后，通过WIFI协议发送至无人机端。
7.如权利要求6所述的一种实现手势控制的无人机控制系统，其特征在于：所述地面端采用手势传感器与PC端相连整体作为所述手势识别模块。
8.如权利要求7所述的一种实现手势控制的无人机控制系统，其特征在于：当人体的操控手势动作被所述手势传感器识别到之后，先对所述手势传感器提供的数据进行预处理，若与上一帧偏移量过小，则当前手势没有变化；若偏移量超过一定阈值，则将帧数据作为参数传入预设的手势函数，得到函数返回值确定手势动作，从而得到下一步指令，最后通过socket通信方式将指令从PC端传输到无人机的树莓派中。
9.一种实现手势控制的无人机的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，地面端通过手势识别模块进行手势动作的采集，对采集的手势动作进行处理获取到无人机手势控制信息，将得到的无人机手势控制信息进行自定义编码后，通过WIFI协议发送至无人机；
步骤S2，在无人机端，通过树莓派接收地面端发送的无人机手势控制信息， 对接收的无人机手势控制信息进行解码得到手势类型代号与手势速度，并基于Dronekit库生成相应的飞行控制指令至飞控模块，从而通过飞控模块实现无人机的实时控制和飞行信息反馈。
10.如权利要求9所述的一种实现手势控制的无人机的控制方法，其特征在于，于步骤S2中，当树莓派接收到地面端得无人机手势控制信息时，对接收数据进行解码得到手势类型代号与手势速度，根据手势类型代号进入树莓派的飞行控制程序中对应的分支，分支中含有相应的运动控制函数，利用分支中含有的相应运动控制函数将其转换为相应的飞行控制指令传递给飞控模块。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114442663A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-05-06 | 苏州大学 | 多工作模式的自动巡航无人机系统 |
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2022
- 2022-04-11 CN CN202210375117.2A patent/CN114815689A/zh active Pending
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114442663A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-05-06 | 苏州大学 | 多工作模式的自动巡航无人机系统 |
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