一種基于卡爾曼濾波和ppm編碼的無線頭追設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方法和系統(tǒng)，包括用戶頭部設(shè)備和飛機端設(shè)備，所述用戶頭部設(shè)備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發(fā)射器和傳感器板，所述飛機端設(shè)備包括接收機、云臺、圖傳發(fā)射和攝像頭。本發(fā)明采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優(yōu)點，能夠更加精確分析無人機姿態(tài)。采用相應(yīng)的卡爾曼濾波融合算法，解決了三向加速度計測量時誤差較大的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)在靜態(tài)和動態(tài)條件下物體姿態(tài)的正確檢測。采用的PPM編碼技術(shù)，和目前市場銷售的使用PPM通信的無線模塊能夠相互兼容，通用性較強，能夠?qū)⒂嬎愠龅膬赏ǖ蓝鏅C信號采用PPM編碼傳遞給發(fā)射模塊。
【專利說明】
一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及視頻監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線 頭追設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空模型運動是運用航空知識，動手制作模型飛機并用各種不同方式操縱飛機飛 行的運動，它不僅能培養(yǎng)人們對航空事業(yè)的興趣、普及航空知識和技術(shù)、培養(yǎng)航空人才，還 能發(fā)展青少年智力、增進人們身體健康。隨著科技的不斷進步和經(jīng)濟的發(fā)展，航模產(chǎn)品的價 格不斷降低，操作手法也越來越簡便，愛好航模的人群也不斷壯大，航模的玩法也花樣繁 多，其中體驗最真實、最震憾的要數(shù)FPV了。FPV意為第一人稱視角，全稱是First Person View。它是一種在遙控航模上加裝云臺攝像頭和圖傳設(shè)備，在地面看屏幕操控模型的新玩 法。這種玩法的特點在于玩家可以身臨其境的以飛機駕駛員的視角觀察四周，操縱你的模 型飛機翱翔天空，操作者頭部的轉(zhuǎn)動會被完全復(fù)現(xiàn)在飛機的攝像頭上。
[0003] 除此之外，F(xiàn)PV還可以擴展到無人機實時監(jiān)視工作上，給以各種飛行器為載體的具 有云臺的空中攝像系統(tǒng)中地面監(jiān)控部分提供了一種新型監(jiān)控方式，監(jiān)控人員只需轉(zhuǎn)動頭部 就能輕松控制監(jiān)控畫面中核心內(nèi)容的捕捉，非常適合應(yīng)用在無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)。
[0004] 但是現(xiàn)有技術(shù)中主要有以下兩個方面的缺點： 1、 現(xiàn)有技術(shù)對頭部姿態(tài)的檢測傳感器采用的是MMA7620，該傳感器是一款三向加速度 傳感器，可以同時測量三個坐標(biāo)軸的值，視頻眼鏡與交互裝置控制部分如圖1所示。但是在 航模和無人機飛行監(jiān)測過程中，姿態(tài)變化速度很快，三軸測量的精度遠遠達不到檢測要求； 2、 現(xiàn)有技術(shù)中采用的三向加速度傳感器存在著在短時間測量范圍內(nèi)誤差較大的問題， 但是沒有提出相應(yīng)的解決方案。
[0005] 申請?zhí)枮?01110222250.6的發(fā)明提供一種基于頭部姿態(tài)控制的隨動遠程視覺系 統(tǒng)，包括視頻顯示與交互裝置和隨動視覺裝置，視頻顯示與交互裝置包括無線影音傳輸接 收模塊、視頻眼鏡顯示模塊、頭部姿態(tài)檢測傳感器模塊、控制器和通信模塊;隨動視覺裝置 包括具有音頻采集功能的攝像頭、無線影音傳輸發(fā)射模塊、舵機云臺裝置、通信模塊和控制 器。系統(tǒng)采用體感交互操作方式，通過配戴安裝有體感檢測傳感器的視頻眼鏡，實現(xiàn)了攝像 頭的視覺和麥克的聲音復(fù)制給了操作者，而且實現(xiàn)了操作者就像利用頭部運動控制自己眼 睛視野一樣控制攝像頭的視野，實現(xiàn)對云臺的運動跟隨控制，增加虛擬現(xiàn)實的沉浸感，給操 作者帶來視頻、聲音和運動的三維一體式操作體驗。但是該發(fā)明采用MMA7620傳感器，精度 較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的問題是提供一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方 法，采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優(yōu)點，能夠更加精確分析 無人機姿態(tài)，且采用卡爾曼濾波融合算法，解決了三向加速度計測量時誤差較大的問題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為： 一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方法，包括如下步驟： 步驟一:飛機端設(shè)備上的攝像頭首先采集無人機或航模前方的圖像信息和音頻信息， 并經(jīng)過圖傳發(fā)射，以無線形式傳送給用戶頭部設(shè)備； 步驟二：用戶頭部設(shè)備中的圖傳接收接收到無人機傳輸來的圖像信息和音頻信息后， 將信號輸出到視頻眼鏡上，視頻眼鏡將接收到的圖像和聲音信號呈現(xiàn)給操作者； 步驟三:操作者根據(jù)無人機或航模發(fā)送回來的初始畫面，結(jié)合檢測需求進行頭部運動， 用戶頭部設(shè)備上的九軸姿態(tài)檢測模塊感應(yīng)操作者頭部運動姿態(tài)； 步驟四：用戶頭部設(shè)備上的主控板通過i2g通信接口從九軸姿態(tài)檢測模塊讀取數(shù)據(jù)， 然后利用卡爾曼濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波； 步驟五:卡爾曼濾波結(jié)束后得到的角度就是頭部的姿態(tài)測量結(jié)果，并通過主控板進行 信號處理和分析，即對姿態(tài)測量結(jié)果進行PPM編碼； 步驟六:PPM編碼結(jié)束，用戶頭部設(shè)備上的發(fā)射器將頭部運動姿態(tài)控制信號發(fā)射到飛機 端設(shè)備； 步驟七:飛機端設(shè)備上的接收機接收用戶頭部設(shè)備中發(fā)射器發(fā)射來的控制信號，通過 內(nèi)置的處理模塊將頭部運動姿態(tài)控制信號轉(zhuǎn)換為控制云臺舵機的控制角，輸出到云臺舵 機，并驅(qū)動云臺進行相應(yīng)的運動，實現(xiàn)攝像頭和操作者頭部的隨動運動； 步驟八:飛機端設(shè)備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發(fā)射發(fā)送到操作者頭部運動隨 動系統(tǒng)上，用戶頭部設(shè)備上的圖傳接收將圖像反饋到視頻眼鏡中，這樣操作者就可以看到 自己想要看到的畫面。
[0008] 進一步的，所述步驟三中，主控板通過I2G通信接口逐個獲取九軸姿態(tài)檢測模塊 的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括頭部姿態(tài)角速度、加速度和磁偏角的三個數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)打包存入數(shù) 組開始計算，I 2G通信的寫入函數(shù)和讀出函數(shù)根據(jù)三個傳感器的不同地址進行處理，同時 考慮傳感器校正時產(chǎn)生的偏置參數(shù)，最后得到三個傳感器分別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別 計算得出不同傳感器判斷出的角度信息，姿態(tài)檢測結(jié)束。
[0009] 進一步的，所述步驟四中，卡爾曼濾波為首先設(shè)置一個起始值和最佳增益矩陣，并 進行更新估計，得到最優(yōu)估計輸出、觀測輸入和修正誤差協(xié)方陣，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)再次進行 修正直到得到期望的結(jié)果位置，濾波結(jié)束。
[0010] 進一步的，所述步驟五中，PPM編碼開始時先進行中斷初始化，然后PPM置高開始計 時，再將PPM置低，當(dāng)定時器時間達到云臺舵機1值，PPM置高再次開始計時，再將PPM置低，當(dāng) 定時器時間達到云臺舵機2值，PPM編碼結(jié)束，PPM置高并再次置低，并等待下一個周期的到 來。
[0011] -種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，包括用戶頭部設(shè)備和飛機端設(shè) 備，所述用戶頭部設(shè)備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發(fā)射器和傳感器板，所述飛機端設(shè) 備包括接收機、云臺、圖傳發(fā)射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳發(fā)射、圖傳接收和視頻眼鏡依次 連接，所述傳感器、主控板、發(fā)射器、接收機和云臺依次連接，所述攝像頭設(shè)置在所述云臺 上。
[0012] 進一步的，所述主控板包括單片機芯片。
[0013] 進一步的，所述傳感器板采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該九軸姿態(tài)檢測模塊包括三軸 陀螺儀、三軸數(shù)字加速度計和三軸磁阻傳感器。
[0014]進一步的，所述圖傳接收和圖傳發(fā)射采用歐姆威5.8GHz頻率500MW圖傳套裝。
[0015]進一步的，所述云臺采用兩軸云臺，模擬人頭的抬頭和搖頭兩個方向的運動。
[0016] 進一步的，所述發(fā)射器和接收機采用無線收發(fā)模塊。
[0017] 進一步的，所述用戶頭部設(shè)備在用戶佩戴頭追之后，傳感器板測量用戶頭部運動 姿態(tài)，通過主控板進行信號處理和分析，并通過發(fā)射器將頭部運動姿態(tài)控制信號發(fā)射到飛 機端設(shè)備，圖傳接收把飛機端設(shè)備傳過來的畫面顯示在視頻眼鏡上，所述飛機端設(shè)備的接 收機接收發(fā)射器發(fā)射的控制信號，并驅(qū)動云臺進行相應(yīng)的運動，同時把攝像頭的畫面通過 圖傳發(fā)射發(fā)送到用戶頭部設(shè)備的圖傳接收。
[0018] 本發(fā)明采用MEMS慣性器件構(gòu)成姿態(tài)檢測系統(tǒng)，采用8位超低功耗AVR單片機 ATmega328P組成的Arduino Nano作為主控板上的控制處理單元，傳感器選用九軸姿態(tài)檢測 模塊GY-85,它里面集成了三軸ITG3205陀螺儀、三軸ADXL345B數(shù)字加速度計和三軸 HMC5883L磁阻傳感器。整個系統(tǒng)由通過通信的加速度計芯片、陀螺儀芯片、磁力計芯片 組成的傳感器模塊和微處理器模塊組成。主控板通過I 2G通信接口從傳感器模塊讀取數(shù) 據(jù)，利用卡爾曼濾波器對這些數(shù)據(jù)進行快速處理，計算出自身姿態(tài)。
[0019] 姿態(tài)檢測程序主要通過i2g逐個獲取GY_85傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括角速度、加速 度和磁偏角的測量，并將數(shù)據(jù)進行打包存入數(shù)組開始計算。通信包含寫入函數(shù)和讀出函數(shù)， 根據(jù)三個傳感器的不同地址進行處理，中間需要考慮傳感器校正時產(chǎn)生的偏置參數(shù)，最后 能得到三個傳感器分別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別計算得出不同傳感器判斷出的角度信 息。
[0020] 針對加速度計在測量過程中出現(xiàn)的短時間測量范圍內(nèi)誤差較大的問題，可以通過 九軸姿態(tài)檢測模塊GY-85內(nèi)置的陀螺儀來進行有效抑制。磁力計主要檢測空間中的水平磁 場來完成感應(yīng)頭部轉(zhuǎn)動方向，以此實現(xiàn)累積誤差。但是動態(tài)條件下的數(shù)據(jù)可靠性非常差，所 以采用卡爾曼濾波算法可以實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的推算和融合，大幅度提高傳感器對姿態(tài)測量的 實時性和精準(zhǔn)度。濾波開始之后，設(shè)定起始值，設(shè)置最佳增益矩陣并對更新進行估計，依次 對協(xié)方陣誤差進行多次修正，并將更新估計輸出到最優(yōu)估計輸出和觀測輸入。在計算出結(jié) 果后，編入數(shù)組進行下一步操作。
[0021] 本發(fā)明中采用的PPM編碼技術(shù)是無線通信方式中的比例遙控器編碼方式。遙控器 的的兩個搖桿內(nèi)部連接著四個電位器，搖桿的運動會直接帶動電位器一起旋轉(zhuǎn)，引起輸出 信號線電壓的改變，將變化信息送入遙控器內(nèi)部的單片機中進行編碼，通道的信息會轉(zhuǎn)換 成一組脈沖編碼信號，再經(jīng)過遙控器上高頻頭部分的高頻調(diào)制電路調(diào)制后，最后通過功放 電路從天線發(fā)射出去。
[0022] 當(dāng)姿態(tài)檢測部分檢測出準(zhǔn)確的頭部姿態(tài)后，單片機將運動的變化轉(zhuǎn)換成舵機的角 度變化。舵機的角度信號是通過方波的高電平時間表示的，航模中常用的模擬舵機的控制 信號是一個頻率為50Hz方波信號，相對應(yīng)的方波周期就是20ms，其中表示信號內(nèi)容的高電 平持續(xù)時間為lms至2ms之間，相當(dāng)于占空比為5~10%。本發(fā)明中云臺采用兩軸，將兩路控制 信號通過無線模塊發(fā)射出去，也即將兩路信號進行編碼合成，通過一條信號線傳送給發(fā)射 模塊。國際上常用的比例遙控器編碼方式PPM，即脈沖位置調(diào)制或脈位調(diào)制，它采用一個方 波信號的時間寬度來表達一個比例通道舵量的大小。兼容性更強的不帶保密的PPM編碼方 式適用于各個遙控器廠家設(shè)置的獨特的編碼方式，工作流程如圖6所示。
[0023]本發(fā)明還提供了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，主控板主要采 用單片機進行信號的控制。傳感器采用的是九軸姿態(tài)檢測模塊GY-85,該傳感器集成了三軸 陀螺儀ITG3205、三軸數(shù)字加速度計ADXL345B和三軸磁阻傳感器HMC5883L，能夠?qū)崿F(xiàn)對物體 姿態(tài)的完美檢測。攝像頭采用的是索尼700線3S供電攝像頭模塊，圖傳發(fā)射采用歐姆威 5.8GHz頻率500MW圖傳套裝。攝像頭輸出的信號是AV模擬信號，并將AV信號傳遞給圖傳。圖 傳接收將攝像頭輸出的模擬信號加載在無線電波上發(fā)射出去。圖傳接收采用歐姆威5.8GHz 頻率，接受3S供電，輸出AV模擬信號，并將信號傳遞給視頻眼鏡，視頻眼鏡采用直流供電。云 臺采用的是兩軸云臺，只模擬人頭的抬頭和搖頭兩個方向的運動。這兩個運動疊加起來，跟 人的頭部正常所做的運動基本一致。
[0024] 本發(fā)明采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優(yōu)點，能夠 更加精確分析無人機姿態(tài)。采用相應(yīng)的卡爾曼濾波融合算法，解決了三向加速度計測量時 誤差較大的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)在靜態(tài)和動態(tài)條件下物體姿態(tài)的正確檢測。采用的PPM編碼技 術(shù)，和目前市場銷售的使用PPM通信的無線模塊能夠相互兼容，通用性較強，能夠?qū)⒂嬎愠?的兩通道舵機信號采用PPM編碼傳遞給發(fā)射模塊。
【附圖說明】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述： 圖1是本發(fā)明基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明姿態(tài)檢測部分整體架構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明本發(fā)明中姿態(tài)檢測流程圖； 圖4是本發(fā)明中卡爾曼濾波軟件流程圖； 圖5是本發(fā)明中的PPM編碼流程圖； 圖6是本發(fā)明中的傳感器輸出曲線。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合圖1至圖6對本發(fā)明技術(shù)方案進一步展示，【具體實施方式】如下： 實施例一 本實施例提供了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方法，包括如下步驟： 步驟一:飛機端設(shè)備上的攝像頭首先采集無人機或航模前方的圖像信息和音頻信息， 并經(jīng)過圖傳發(fā)射，以無線形式傳送給用戶頭部設(shè)備； 步驟二：用戶頭部設(shè)備中的圖傳接收接收到無人機傳輸來的圖像信息和音頻信息后， 輸出到視頻眼鏡上，在視頻眼鏡將接收到的圖像和聲音信號呈現(xiàn)給操作者； 步驟三:操作者根據(jù)無人機或航模發(fā)送回來的初始畫面，結(jié)合檢測需求進行頭部運動， 用戶頭部設(shè)備上的九軸姿態(tài)檢測模塊感應(yīng)操作者頭部運動姿態(tài)，主控板通過I2G通信接口 逐個獲取九軸姿態(tài)檢測模塊的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括頭部姿態(tài)角速度、加速度和磁偏角的三個數(shù) 據(jù)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)打包存入數(shù)組開始計算，I 2G通信的寫入函數(shù)和讀出函數(shù)根據(jù)三個傳感 器的不同地址進行處理，同時考慮傳感器校正時產(chǎn)生的偏置參數(shù)，最后得到三個傳感器分 別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別計算得出不同傳感器判斷出的角度信息，姿態(tài)檢測結(jié)束； 步驟四：用戶頭部設(shè)備上的主控板通過I 2g通信接口從九軸姿態(tài)檢測模塊讀取數(shù)據(jù)后 利用卡爾曼濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，卡爾曼濾波為首先設(shè)置一個起始值和最佳增益矩陣， 并進行更新估計，得到最優(yōu)估計輸出、觀測輸入和修正誤差協(xié)方陣，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)再次進 行修正直到得到期望的結(jié)果位置，濾波結(jié)束； 步驟五:卡爾曼濾波結(jié)束后得到的角度就是頭部的姿態(tài)測量結(jié)果，并通過主控板進行 信號處理和分析，即對姿態(tài)測量結(jié)果進行PPM編碼，PPM編碼開始時先進行中斷初始化，然后 PPM置高開始計時，再將PPM置低，當(dāng)定時器時間達到云臺舵機1值，PPM置高再次開始計時， 再將PPM置低，當(dāng)定時器時間達到云臺舵機2值，PPM編碼結(jié)束，PPM置高并再次置低，并等待 下一個周期的到來； 步驟六:PPM編碼結(jié)束，用戶頭部設(shè)備上的發(fā)射器將頭部運動姿態(tài)控制信號發(fā)射到飛機 端設(shè)備； 步驟七:飛機端設(shè)備上的接收機接收用戶頭部設(shè)備中發(fā)射器發(fā)射來的控制信號，通過 內(nèi)置的處理模塊將頭部運動姿態(tài)控制信號轉(zhuǎn)換為控制云臺舵機的控制角，輸出到云臺舵 機，并驅(qū)動云臺進行相應(yīng)的運動，實現(xiàn)攝像頭和操作者頭部的隨動運動； 步驟八:飛機端設(shè)備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發(fā)射發(fā)送到操作者頭部運動隨 動系統(tǒng)上，用戶頭部設(shè)備上的圖傳接收將圖像反饋到視頻眼鏡中，這樣操作者就可以看到 自己想要看到的畫面。
[0027] 如圖2所示:該發(fā)明采用MEMS慣性器件構(gòu)成姿態(tài)檢測系統(tǒng)，采用8位超低功耗AVR單 片機ATmega328P組成的Arduino Nano作為主控板上的控制處理單元，傳感器選用九軸姿態(tài) 檢測模塊GY-85,它里面集成了三軸ITG3205陀螺儀、三軸ADXL345B數(shù)字加速度計和三軸 HMC5883L磁阻傳感器。整個系統(tǒng)由通過12^通信的加速度計芯片、陀螺儀芯片、磁力計芯片 組成的傳感器模塊和微處理器模塊組成。主控板通過I 2G通信接口從傳感器模塊讀取數(shù) 據(jù)，利用卡爾曼濾波器對這些數(shù)據(jù)進行快速處理，計算出自身姿態(tài)。
[0028] 如圖3所示:姿態(tài)檢測程序主要通過逐個獲取GY-85傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括 角速度、加速度和磁偏角的測量，并將數(shù)據(jù)進行打包存入數(shù)組開始計算。通信包含寫入函數(shù) 和讀出函數(shù)，根據(jù)三個傳感器的不同地址進行處理，中間需要考慮傳感器校正時產(chǎn)生的偏 置參數(shù)，最后能得到三個傳感器分別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別計算得出不同傳感器判斷 出的角度信息。
[0029] 如圖4所示:針對加速度計在測量過程中出現(xiàn)的短時間測量范圍內(nèi)誤差較大的問 題，可以通過九軸姿態(tài)檢測模塊GY-85內(nèi)置的陀螺儀來進行有效抑制。磁力計主要檢測空間 中的水平磁場來完成感應(yīng)頭部轉(zhuǎn)動方向，以此實現(xiàn)累積誤差。但是動態(tài)條件下的數(shù)據(jù)可靠 性非常差，所以采用卡爾曼濾波算法可以實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的推算和融合，大幅度提高傳感器 對姿態(tài)測量的實時性和精準(zhǔn)度。濾波開始之后，設(shè)定起始值，設(shè)置最佳增益矩陣并對更新進 行估計，依次對協(xié)方陣誤差進行多次修正，并將更新估計輸出到最優(yōu)估計輸出和觀測輸入。 在計算出結(jié)果后，編入數(shù)組進行下一步操作。
[0030] 本發(fā)明中采用的PPM編碼技術(shù)是無線通信方式中的比例遙控器編碼方式。遙控器 的的兩個搖桿內(nèi)部連接著四個電位器，搖桿的運動會直接帶動電位器一起旋轉(zhuǎn)，引起輸出 信號線電壓的改變，將變化信息送入遙控器內(nèi)部的單片機中進行編碼，通道的信息會轉(zhuǎn)換 成一組脈沖編碼信號，再經(jīng)過遙控器上高頻頭部分的高頻調(diào)制電路調(diào)制后，最后通過功放 電路從天線發(fā)射出去。
[0031]如圖5所示：當(dāng)姿態(tài)檢測部分檢測出準(zhǔn)確的頭部姿態(tài)后，單片機將運動的變化轉(zhuǎn)換 成舵機的角度變化。舵機的角度信號是通過方波的高電平時間表示的，航模中常用的模擬 舵機的控制信號是一個頻率為50Hz方波信號，相對應(yīng)的方波周期就是20ms，其中表示信號 內(nèi)容的高電平持續(xù)時間為lms至2ms之間，相當(dāng)于占空比為5~10%。本發(fā)明中云臺采用兩軸， 將兩路控制信號通過無線模塊發(fā)射出去，也即將兩路信號進行編碼合成，通過一條信號線 傳送給發(fā)射模塊。國際上常用的比例遙控器編碼方式PPM，即脈沖位置調(diào)制或脈位調(diào)制，它 采用一個方波信號的時間寬度來表達一個比例通道舵量的大小。兼容性更強的不帶保密的 PPM編碼方式適用于各個遙控器廠家設(shè)置的獨特的編碼方式。
[0032] 實施例二 本實施例還提供了基于卡爾曼濾波器的姿態(tài)角推測算法，如下所示： 加速度計在靜態(tài)條件下測得的重力分量，根據(jù)式(1)和(2)可以計算出載體人頭部的滾 動角和俯仰角：
當(dāng)滾動角和俯仰角計算出來后，利用式(3)將磁阻傳感器的測量值做一次變換：
根據(jù)式(4)，利用變換后的磁阻傳感器的數(shù)據(jù)，便可以解算出偏航角：
(4) 但是在動態(tài)條件下，其自身具有未知的加速運動和振動，這時，加速度計肯定受到非重 力加速度影響，倘若依舊按照上式解算姿態(tài)角，結(jié)果與真實值之間一定會有較大偏差。不過 陀螺對自身的振動和加速運動并不敏感，為了解算出更為準(zhǔn)確的自身姿態(tài)角，在此增加了 一個卡爾曼濾波的算法，利用三個傳感器的綜合數(shù)據(jù)共同估計出一個更為準(zhǔn)確的姿態(tài)。從 傳感器自身的性能同時盡可能使?fàn)顟B(tài)空間模型變簡化的方向考慮，將單軸方向上的姿態(tài)角 和陀螺儀對應(yīng)該軸的漂移量組成一個二維向量，作為狀態(tài)變量選取的對象：
(5)
把由式（1)-式(4)解算出的結(jié)果當(dāng)作卡爾曼濾波器的觀測數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)的狀態(tài)方程如 下： (6) ' , v ^ ^ ^ (7) 再將這些狀態(tài)方程離散化，可得：
(8) (9) 令
式中：dt為系統(tǒng)的采樣周期，dotangle是指陀螺儀在采樣間隔內(nèi)輸出的角度值。
[0033]建立好系統(tǒng)的狀態(tài)模型以后，卡爾曼濾波器通過下面的公式，不停地循環(huán)迭代可 以得到。
濾波器初值的設(shè)置可以按照$=0,? = 可以取相對比較大的值。
[0035] 最后進行試驗。打開Arduino IDE，點擊工具-> 開發(fā)板，并且選擇"Arduino Nano"，然后點擊此項下面的處理器，選擇"Atmega328"，再點擊tools->Serial port-〉選擇 Arduino控制板的端口號，將程序編譯再下載進去。操作無誤后，打開調(diào)參軟件并打開頭追 的串口，選擇"Start plot"功能，開始繪制頭追的輸出曲線。根據(jù)輸出曲線，能夠分析出頭 追檢測出的姿態(tài)變化。
[0036]如圖6所示：晃動頭追，可以得到三個軸輸出的信號曲線，可以發(fā)現(xiàn)傳感器工作正 常，反應(yīng)很靈敏，跟隨很快，信號抖動也不嚴(yán)重，采用的卡爾曼濾波算法起到了明顯的良好 作用，PPM通信良好。
[0037] 實施例三 如圖1和圖2所示:本實施例還提供了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)， 包括用戶頭部設(shè)備和飛機端設(shè)備，所述用戶頭部設(shè)備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發(fā) 射器和傳感器板，所述飛機端設(shè)備包括接收機、云臺、圖傳發(fā)射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳 發(fā)射、圖傳接收和視頻眼鏡依次連接，所述傳感器、主控板、發(fā)射器、接收機和云臺依次連 接，所述攝像頭設(shè)置在所述云臺上。
[0038]所述主控板包括單片機芯片。
[0039]所述傳感器板采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該九軸姿態(tài)檢測模塊包括三軸陀螺儀、三 軸數(shù)字加速度計和三軸磁阻傳感器。
[0040] 所述圖傳接收和圖傳發(fā)射采用歐姆威5.8GHz頻率500MW圖傳套裝。
[0041] 所述zsT臺米用兩軸zsT臺，1?擬人頭的抬頭和搖頭兩個方向的運動。
[0042] 所述發(fā)射器和接收機采用無線收發(fā)模塊。
[0043] 用戶頭部設(shè)備在用戶佩戴頭追之后，傳感器板測量用戶頭部運動姿態(tài)，通過主控 板進行信號處理和分析，并通過發(fā)射器將頭部運動姿態(tài)控制信號發(fā)射到飛機端設(shè)備，圖傳 接收把飛機端設(shè)備傳過來的畫面顯示在視頻眼鏡上，飛機端設(shè)備的接收機接收發(fā)射器發(fā)射 的控制信號，并驅(qū)動云臺進行相應(yīng)的運動，同時把攝像頭的畫面通過圖傳發(fā)射發(fā)送到用戶 頭部設(shè)備的圖傳接收。
[0044]主控板主要采用單片機進行信號的控制。傳感器采用的是九軸姿態(tài)檢測模塊GY-85,該傳感器集成了三軸陀螺儀ITG3205、三軸數(shù)字加速度計ADXL345B和三軸磁阻傳感器 HMC5883L，能夠?qū)崿F(xiàn)對物體姿態(tài)的完美檢測。攝像頭采用的是索尼700線3S供電攝像頭模 塊，圖傳發(fā)射采用歐姆威5.8GHz頻率500MW圖傳套裝。攝像頭輸出的信號是AV模擬信號，并 將AV信號傳遞給圖傳。圖傳接收將攝像頭輸出的模擬信號加載在無線電波上發(fā)射出去。圖 傳接收采用歐姆威5.8GHz頻率，接受3S供電，輸出AV模擬信號，并將信號傳遞給視頻眼鏡， 視頻眼鏡采用直流供電。云臺采用的是兩軸云臺，只模擬人頭的抬頭和搖頭兩個方向的運 動。這兩個運動疊加起來，跟人的頭部正常所做的運動基本一致。
[0045]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案 的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟一：飛機端設(shè)備上的攝像頭首先采集無人機或航模前方的圖像信息和音頻信息， 并經(jīng)過圖傳發(fā)射，W無線形式傳送給用戶頭部設(shè)備； 步驟二：用戶頭部設(shè)備中的圖傳接收接收到無人機傳輸來的圖像信息和音頻信息后， 將信號輸出到視頻眼鏡上，視頻眼鏡將接收到的圖像和聲音信號呈現(xiàn)給操作者； 步驟Ξ:操作者根據(jù)無人機或航模發(fā)送回來的初始畫面，結(jié)合檢測需求進行頭部運動， 用戶頭部設(shè)備上的九軸姿態(tài)檢測模塊感應(yīng)操作者頭部運動姿態(tài)； 步驟四：用戶頭部設(shè)備上的主控板通過通信接口從九軸姿態(tài)檢測模塊讀取數(shù)據(jù)，然 后利用卡爾曼濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波； 步驟五:卡爾曼濾波結(jié)束后得到的角度就是頭部的姿態(tài)測量結(jié)果，并通過主控板進行 信號處理和分析，即對姿態(tài)測量結(jié)果進行PPM編碼； 步驟六:PPM編碼結(jié)束，用戶頭部設(shè)備上的發(fā)射器將頭部運動姿態(tài)控制信號發(fā)射到飛機 端設(shè)備； 步驟屯：飛機端設(shè)備上的接收機接收用戶頭部設(shè)備中發(fā)射器發(fā)射來的控制信號，通過 內(nèi)置的處理模塊將頭部運動姿態(tài)控制信號轉(zhuǎn)換為控制云臺艙機的控制角，輸出到云臺艙 機，從而驅(qū)動云臺進行相應(yīng)的運動，實現(xiàn)攝像頭和操作者頭部的隨動運動； 步驟八:飛機端設(shè)備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發(fā)射發(fā)送到操作者頭部運動隨 動系統(tǒng)上，用戶頭部設(shè)備上的圖傳接收將圖像反饋到視頻眼鏡中，運樣操作者就可W看到 自己想要看到的畫面。2. 如權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方法，其特征在于： 所述步驟Ξ中，主控板通過通信接口逐個獲取九軸姿態(tài)檢測模塊的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括頭 部姿態(tài)角速度、加速度和磁偏角的Ξ個數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)打包存入數(shù)組開始計算，I2C：通 信的寫入函數(shù)和讀出函數(shù)根據(jù)Ξ個傳感器的不同地址進行處理，同時考慮傳感器校正時產(chǎn) 生的偏置參數(shù)，最后得到Ξ個傳感器分別測出的姿態(tài)信息，經(jīng)過分別計算得出不同傳感器 判斷出的角度信息，姿態(tài)檢測結(jié)束。3. 如權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方法，其特征在于： 所述步驟四中，卡爾曼濾波為首先設(shè)置一個起始值和最佳增益矩陣，并進行更新估計，得到 最優(yōu)估計輸出、觀測輸入和修正誤差協(xié)方陣，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)再次進行修正直到得到期望 的結(jié)果位置，濾波結(jié)束。4. 如權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設(shè)計方法，其特征在于： 所述步驟五中，PPM編碼開始時先進行中斷初始化，然后PPM置高開始計時，再將PPM置低，當(dāng) 定時器時間達到云臺艙機1值，PPM置高再次開始計時，再將PPM置低，當(dāng)定時器時間達到云 臺艙機2值，PPM編碼結(jié)束，PPM置高并再次置低，并等待下一個周期的到來。5. -種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:包括用戶頭部設(shè)備和 飛機端設(shè)備，所述用戶頭部設(shè)備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發(fā)射器和傳感器板，所述 飛機端設(shè)備包括接收機、云臺、圖傳發(fā)射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳發(fā)射、圖傳接收和視頻 眼鏡依次連接，所述傳感器、主控板、發(fā)射器、接收機和云臺依次連接，所述攝像頭設(shè)置在所 述云臺上。6. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 主控板包括單片機忍片。7. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 傳感器板采用九軸姿態(tài)檢測模塊，該九軸姿態(tài)檢測模塊包括Ξ軸巧螺儀、Ξ軸數(shù)字加速度 計和Ξ軸磁阻傳感器。8. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 圖傳接收和圖傳發(fā)射采用歐姆威5.8G化頻率500MW圖傳套裝。9. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 云臺采用兩軸云臺，模擬人頭的抬頭和搖頭兩個方向的運動。10. 如權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統(tǒng)，其特征在于:所述 發(fā)射器和接收機采用無線收發(fā)模塊。
【文檔編號】H04N7/18GK105974948SQ201610578469
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】鄭揚冰, 薛曉, 陳怡翔, 楊磊, 周學(xué)建, 劉昊然, 金學(xué)明, 黃橋
【申請人】南陽師范學(xué)院