基于人机交互技术的四旋翼飞行器系统控制方法

摘要

一种基于人机交互技术的四旋翼飞行器系统控制方法，属于智能飞行机器人领域，特征在于操纵者可通过手势控制四旋翼飞行器。四旋翼飞行器由分布在其几何顶点的四个旋翼的协同运转完成飞行姿态控制，具有偏航角、俯仰角以及滚转角三个自由度。视觉人机交互技术中主要使用了OpenCV和OpenGL。系统通过深度摄像头捕获操纵者的手的深度图像，经计算机分析处理后得到手势信息并生成与之对应的控制信号通过无线通信装置发送给飞行器执行，以此实现从操纵者手的运动状态到飞行器的运动状态的映射，完成手势控制。这种手势控制可凭借其较远的控制距离和更为直观的手势对应关系应用于执行难度较高的危险性实验和工业生产过程。

主权项

基于人机交互技术的四旋翼飞行器系统控制方法，具体步骤如下：步骤1：通过四旋翼飞行器(1)机载的超声波测距模块(13)获取四旋翼飞行器(1)的高度信息，该高度信息经四旋翼飞行器(1)的机载微控制器(8)处理为以ASCII码表示的十进制数通过ZigBee无线通信模块(14)传输给计算机(7)；步骤2：通过无线环境红外摄像头(5)捕获四旋翼飞行器(1)上表面的2个红外反光布(11)的平面位置信息和角度信息，从而获得四旋翼飞行器(1)的平面位置信息和偏航角并传输给计算机(7)；步骤3：计算机(7)将所获得的高度信息和平面位置信息综合为无线环境红外摄像头(5)覆盖空间内的x、y、z坐标，至此得到四旋翼飞行器(1)的当前位置空间坐标；步骤4：通过Natal深度摄像机(6)拍摄操纵者的手的深度图像并传输给计算机(7)；步骤5：计算机(7)对所获得的深度图像进行解析，分离出操纵者的手在Natal深度摄像机(6)覆盖范围内的x、y、z坐标和操纵者的拇指和食指的夹角信息；步骤6：计算机(7)通过空间坐标变换将步骤5所获得的操纵者的手的当前位置空间坐标映射为四旋翼飞行器(1)所在空间范围的目标位置空间坐标；步骤7：计算机(7)根据步骤3中所获得的四旋翼飞行器(1)的当前位置的空间坐标与步骤6中所获得的四旋翼飞行器(1)的目标位置空间坐标计算出针对四旋翼飞行器(1)空间位置的PID控制量，包括前进后退控制量、左右平动控制量、升高降低控制量，根据步骤5中所获得的操纵者拇指和食指的夹角信息生成控制机械手(12)捏合角度的控制量，根据步骤2所获得的偏航角计算出用于抑制四旋翼飞行器(1)自旋的偏航角控制量，通过ZigBee无线通信模块(14)传输给四旋翼飞行器的机载微控制器(8)；步骤8：四旋翼飞行器的机载微控制器(8)将所获得的前进后退、左右平动、升高降低和偏航角控制量以PWM信号形式传输给飞行姿态控制器(9)，将所获得的机械手控制量以PWM信号形式传输给机械手(12)；步骤9：飞行姿态控制器(9)将所获的控制信息解析为执行相应动作任务的四路电机驱动信号经电子调速器(15)进行处理和功率放大后最终驱动四个无刷电机(10)控制四旋翼飞行器(1)移动到指定位置，机械手按指定角度进行捏合完成抓取动作。