基于智能手機的四旋翼飛行器指定路徑航拍系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及無人飛行器控制領(lǐng)域，具體涉及一種利用手機控制的四旋翼無人 直升機。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對計算機的研宄也日趨深入；無論是其體積、重量 還是運算能力都取得了長足的進步。隨著智能手機價格的降低，搭載著豐富、高精度傳感器 的智能手機已成為人們工作、生活、娛樂重要的組成部分；其次，隨著四旋翼控制技術(shù)的成 熟，四旋翼已應(yīng)用在社會中的很多行業(yè)，并逐漸的走進普通人的生活。
[0003] 現(xiàn)有的四旋翼都是單獨設(shè)計的專用飛控模塊，主要以遙控航模四旋翼為主，功能 單一，搭載的傳感器少，大多數(shù)都不具備航拍功能；外掛的航拍設(shè)備不僅價格高昂，而且重 量大，對四旋翼的載重也有較高的要求；同時，采用2. 4GHz無線遙控技術(shù)的遙控距離有限， 不適合超過Ikm的大范圍飛行。這些都制約著四旋翼的推廣應(yīng)用。智能手機的發(fā)展與推廣， 極大的豐富了人們的生活；同時，人們在社會生活中的使用實踐，不斷的賦予了智能手機更 多的功能，手機搭載的高精度姿態(tài)和位置傳感器，使智能手機擴展飛行控制功能成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在提供一種基于智能手機的四旋翼飛行器指定路徑航拍系統(tǒng)和方法；在 不改變智能手機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，設(shè)計的四旋翼飛行器（下文簡稱四旋翼）可沿指定路徑 航拍，該四旋翼具有飛行半徑大，航拍視屏能夠?qū)崟r下傳的特點；同時，本發(fā)明擴大的智能 手機的應(yīng)用領(lǐng)域，豐富了人們的業(yè)余生活。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于智能手機的四旋翼飛行器指定路徑航拍系統(tǒng)，其特征在于：
[0007] 包括智能手機，四旋翼以及電腦上位機；智能手機固定在四旋翼的機架上用于自 主導(dǎo)航與航拍；所述智能手機搭載GPS、氣壓計、陀螺儀、加速度計、磁強計、攝像頭、3G或4G 無線網(wǎng)絡(luò)，并與位于地面的電腦上位機之間無線通訊；
[0008] 所述四旋翼的機架上設(shè)置智能手機接入模塊、驅(qū)動模塊、動力模塊、能源模塊；其 中，動力模塊包括四旋翼的電機與螺旋槳，各旋翼的螺旋槳均由一個獨立的旋翼驅(qū)動電機 驅(qū)動；智能手機接入模塊為四旋翼與智能手機之間的接口，用以固定智能手機到四旋翼的 機架上，并通過手機MicroUSB接口與所述驅(qū)動模塊相連；所述驅(qū)動模塊由單片機與電子調(diào) 速器組成，接收智能手機接入模塊輸出的控制數(shù)據(jù)，并通過電子調(diào)速器輸出給旋翼驅(qū)動電 機；能源模塊主要包括鋰電池，用以給驅(qū)動模塊及旋翼驅(qū)動電機供電；各模塊采用統(tǒng)一接 口并能組合或拆卸；
[0009] 所述電腦上位機用于選取或指定航拍路徑并選擇該航拍路徑上的若干航點，按照 航點離出發(fā)點的距離由近及遠的發(fā)往智能手機；在智能手機獲得航拍視頻后，電腦上位機 還用于接收航拍視頻；
[0010] 所述智能手機用于實時獲取四旋翼位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)該位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)進 行路徑跟蹤計算和飛行控制，驅(qū)動四旋翼平穩(wěn)光滑的往目標(biāo)點運動；同時，智能手機通過自 身高清攝像頭實時采集該航拍路徑上的圖像信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實時下傳航拍視頻到電 腦上位機上。
[0011] 一種采用上述航拍系統(tǒng)的指定路徑航拍方法，其特征在于主要包括如下步驟：
[0012] 通過電腦上位機選取或指定航拍路徑并選擇該航拍路徑上的若干航點，按照航點 離出發(fā)點的順序由近及遠地發(fā)往智能手機；之后啟動四旋翼開始航拍；
[0013] 智能手機采用BackSt印ping路徑跟蹤算法，平滑的跟蹤電腦上位機輸出的航點； [0014]智能手機利用自帶姿態(tài)傳感器與位置傳感器獲取的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合 BackStepping路徑跟蹤算法獲得旋翼驅(qū)動電機需要的控制量，并通過單片機和電子調(diào)速器 控制4個旋翼驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，驅(qū)動四旋翼平穩(wěn)光滑的往目標(biāo)點運動；同時，智能手機搭載的 高清攝像頭實時采集該航拍路徑上的圖像信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實時下傳航拍視頻到電腦 上位機上，實現(xiàn)四旋翼按照指定路徑航拍。
[0015] 上述技術(shù)方案中，具體包括如下步驟：
[0016] 步驟Sl :智能手機初始化、驅(qū)動模塊初始化；
[0017] 步驟S2 :通過電腦上位機，選取或指定航拍路徑并選擇該航拍路徑上的若干航 點，按照航點離出發(fā)點的距離由近及遠地通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)往智能手機；并在航點接受完畢 之后，由用戶通過電腦上位機啟動四旋翼開始航拍；
[0018] 步驟S3 :智能手機讀取加速度計三個軸上的加速度值分別為：axb, ayb, azb，通過方 向余弦矩陣，估算出四旋翼的橫滾角丫3和俯仰角Θ a;
[0019] 步驟S4 :智能手機讀取磁強計三個軸上的磁力強度值分別為：mxb，myb，mzb，通過繞 X，y軸轉(zhuǎn)動后的方向余弦矩陣，估算出四旋翼的航向角& ;
[0020] 步驟S5:智能手機將四旋翼的橫滾角Ya和俯仰角Θ a與航向角隊，組成全姿 態(tài)角A，見，代,；利用姿態(tài)角到四元數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，將該組全姿態(tài)角轉(zhuǎn)化為全姿態(tài)角四元數(shù) Qa(QaO，Qal，Qa2，Qa3);
[0021] 步驟S6 :智能手機讀取陀螺儀三個軸上的角速度值分別為：ωχ，《y，ωζ，根據(jù)四 元數(shù)的微分方程，求解當(dāng)前四元數(shù)Qco (qcoo, qul, qc〇2, ;
[0022] 步驟S7 :設(shè)計kalman濾波器將以上兩組四元數(shù)Qa(qaCI, qal, qa2, qa3)與 Qm (qM〇, qui，q<^，qd進行融合，估算精確四元數(shù)％ι，qi，％，％，從而求解精確的姿態(tài)角 θ,γ,φ;
[0023] 步驟S8 :智能手機讀取GPS與氣壓計數(shù)據(jù)，作為四旋翼當(dāng)前的位置坐標(biāo)x，y，ζ ;
[0024] 步驟S9 :在獲取位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)后，智能手機自行啟動目標(biāo)追蹤任務(wù)：建立四旋 翼的動力學(xué)模型，在該模型的基礎(chǔ)之上，設(shè)計BackStepping控制器，平滑的跟蹤電腦上位 機輸出的航點并控制四旋翼運動實現(xiàn)按指定路徑航拍；
[0025] 步驟SlO :通過無線網(wǎng)絡(luò)，下傳航拍視屏到智能手機上。
[0026] 上述技術(shù)方案中，步驟S9中在建立四旋翼的動力學(xué)模型后，在模型的基礎(chǔ)之上推 導(dǎo)BackStep