校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)及其工作方法，該系統(tǒng)包括飛行姿態(tài)獲取模塊、GPS模塊、攝像頭模塊、片上系統(tǒng)、PC端控制模塊和手動(dòng)控制模塊，飛行姿態(tài)獲取模塊包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器，片上系統(tǒng)包括處理器、無線通訊模塊和電機(jī)控制模塊；加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器、GPS模塊和攝像頭模塊分別連接處理器，處理器分別連接電機(jī)控制模塊和無線通訊模塊，電機(jī)控制模塊連接四個(gè)電機(jī)，無線通訊模塊連接PC端控制模塊，PC端控制模塊連接手動(dòng)控制模塊。本發(fā)明可以提高四軸飛行器系統(tǒng)的運(yùn)行效率，增加其實(shí)際應(yīng)用功能，并增強(qiáng)校園的安保功能。
【專利說明】
校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域，具體而言，是一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著四軸飛行器技術(shù)的不斷發(fā)展，這種輕便小巧的四軸飛行器越來越受到人們的青睞。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了不少可以飛行的四軸飛行器。但是這類四軸飛行器存在以下諸多缺陷:這類飛行器操控性不夠強(qiáng)，沒有和PC端聯(lián)動(dòng)的功能，往往只具備娛樂的效果，在實(shí)際中的應(yīng)用不高，沒有相應(yīng)的應(yīng)用成效;傳統(tǒng)的四軸飛行器的控制系統(tǒng)往往只包括一個(gè)搖桿，可以操控飛行器的前后左右，有時(shí)不能及時(shí)的響應(yīng)操作者的需求，比如急飛，急停等操作，而事實(shí)上片上系統(tǒng)完全可以響應(yīng)此類操作，并及時(shí)作出反饋；四軸飛行器在飛離操控人員較遠(yuǎn)或者飛出視野后人們難以觀測(cè)其飛行狀態(tài)，導(dǎo)致在意外故障發(fā)生時(shí)，不能很好的進(jìn)行故障原因的推測(cè)，不利于系統(tǒng)的修復(fù)和操作的改進(jìn)，也可能就此損失一架飛行器。
[0003]另一方面，目前校園巡航方面在國內(nèi)還處于空缺狀態(tài)。大多數(shù)高校采用保安和攝像頭合作的模式，但是招聘保安需要消耗大量的人力資源，并且在很多情況下人力并不能做到又快又準(zhǔn)，而攝像頭長(zhǎng)時(shí)間不保養(yǎng)，很容易損壞。所以，現(xiàn)在很多高校由于攝像頭的損壞與更新?lián)Q代的緩慢，校園內(nèi)存在不少的安全隱患亟待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明正是基于上述技術(shù)問題，提出了一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)及其工作方法，可以提高四軸飛行器系統(tǒng)的運(yùn)行效率，增加其實(shí)際應(yīng)用功能，并增強(qiáng)校園的安保功能。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0006]—種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)，其特征在于:包括飛行姿態(tài)獲取模塊、GPS模塊、攝像頭模塊、片上系統(tǒng)、PC端控制模塊和手動(dòng)控制模塊，飛行姿態(tài)獲取模塊包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器，片上系統(tǒng)包括處理器、無線通訊模塊和電機(jī)控制模塊;加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器、GPS模塊和攝像頭模塊分別連接處理器，處理器分別連接電機(jī)控制模塊和無線通訊模塊，電機(jī)控制模塊連接四個(gè)電機(jī)，無線通訊模塊連接PC端控制模塊，PC端控制模塊連接手動(dòng)控制模塊。
[0007 ] 進(jìn)一步的，所述電機(jī)控制模塊包括PWM脈寬調(diào)制器和電子調(diào)速器，P麗脈寬調(diào)制器輸入端連接處理器，PWM脈寬調(diào)制器輸入端連接電子調(diào)速器輸入端，電子調(diào)速器輸出端連接四個(gè)電機(jī)。
[0008]進(jìn)一步的，所述無線通訊模塊為433MHz無線模塊。
[0009]根據(jù)上述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟:
[0010](I)通過加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器獲取四軸飛行器的飛行狀態(tài)信息，通過GPS模塊獲取四軸飛行器的位置信息，通過攝像頭模塊獲取四軸飛行器的沿路圖像信息，加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器、GPS模塊、攝像頭模塊將各自獲取的信息傳送至處理器，處理器對(duì)上述信息進(jìn)行預(yù)處理然后通過無線通信模塊將處理過的信息傳送至PC端控制模塊，得到四軸飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS坐標(biāo)和實(shí)時(shí)拍攝圖像；
[0011](2)通過PC端控制模塊上的三維模擬軟件，利用姿態(tài)數(shù)據(jù)模擬出四軸飛行器的空間姿態(tài)，并將姿態(tài)顯示在PC端控制模塊，通過PC端控制模塊上記錄的校園地圖信息結(jié)合GPS坐標(biāo)，將四軸飛行器在校園中所處的實(shí)時(shí)位置標(biāo)注在校園地圖上，追蹤四軸飛行器的行進(jìn)軌跡和實(shí)時(shí)位置，對(duì)實(shí)時(shí)拍攝圖像進(jìn)行過濾操作，提取需要的圖像信息；
[0012](3)當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況需要四軸飛行器懸停，突然加速，突然停止時(shí)，PC端控制模塊向處理器發(fā)出指令，中斷四軸飛行器的預(yù)定路線，通過手動(dòng)控制模塊即時(shí)操控，突發(fā)情況解除后，再通過PC端向處理器發(fā)出指令，使四軸飛行器回到預(yù)定路線。
[0013]進(jìn)一步的，處理器對(duì)獲取的四軸飛行器的飛行狀態(tài)信息進(jìn)行軟件濾波，軟件濾波采用的是互補(bǔ)濾波算法。
[0014]進(jìn)一步的，PC端控制模塊通過百度地圖API獲取校園地圖信息。
[0015]有益效果:本發(fā)明可以提高四軸飛行器系統(tǒng)的運(yùn)行效率，增加其實(shí)際應(yīng)用功能，通過本發(fā)明的技術(shù)方案，可以達(dá)到對(duì)校園內(nèi)的情景進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，并且減少了人力的需求，優(yōu)化了資源配置。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的信息處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
:
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明的一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)，包括飛行姿態(tài)獲取模塊、GPS模塊、攝像頭模塊、片上系統(tǒng)、PC端控制模塊和手動(dòng)控制模塊，飛行姿態(tài)獲取模塊包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器，片上系統(tǒng)包括處理器、無線通訊模塊和電機(jī)控制模塊;加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器、GPS模塊和攝像頭模塊分別連接處理器，處理器分別連接電機(jī)控制模塊和無線通訊模塊，電機(jī)控制模塊連接四個(gè)電機(jī)，無線通訊模塊連接PC端控制模塊，PC端控制模塊連接手動(dòng)控制模塊。
[0019]所述電機(jī)控制模塊包括PffM脈寬調(diào)制器和電子調(diào)速器，PffM脈寬調(diào)制器輸入端連接處理器，PWM脈寬調(diào)制器輸入端連接電子調(diào)速器輸入端，電子調(diào)速器輸出端連接四個(gè)電機(jī)。為了四軸飛行器獲得足夠的升力使用交流無刷電機(jī)，電機(jī)使用電子調(diào)速器直接進(jìn)行控制，處理器通過PWM脈寬調(diào)制器控制電調(diào)從而間接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0020]在四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向上，對(duì)角的電機(jī)采用的是相同旋轉(zhuǎn)方向，且兩對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣才能保證四軸飛行器不會(huì)產(chǎn)生自旋。
[0021]四軸飛行器的飛行模式使用X型，即前進(jìn)方向定為兩個(gè)電機(jī)軸形成的夾角的角平分線。這樣將相鄰的電機(jī)作為一組控制單元，基本飛行控制使用兩組電機(jī)控制，然后將左右和前后兩組的電機(jī)疊加得到每組電機(jī)的油門值。
[0022]處理器控制四軸飛行器按照預(yù)定路徑飛行，處理器對(duì)四軸姿態(tài)的控制使用的是PID算法，在得到了準(zhǔn)確的四軸姿態(tài)的基礎(chǔ)上使用PID算法對(duì)四個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。
[0023]為了保證片上系統(tǒng)與地面的PC端控制模塊遠(yuǎn)距離通信，無線通訊模塊采用433MHz無線模塊，在此基礎(chǔ)上封裝一層通信協(xié)議。協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)包以字符‘T’作為幀頭，以字符‘Q’作為幀尾，使用字符‘\’作為轉(zhuǎn)義字符，大量實(shí)驗(yàn)表明這種通信協(xié)議穩(wěn)定可靠，且數(shù)據(jù)的傳輸效率高，能夠保證飛行器和地面的數(shù)據(jù)可靠傳輸。
[0024]根據(jù)上述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟:
[0025](I)通過加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器獲取四軸飛行器的飛行狀態(tài)信息，通過GPS模塊獲取四軸飛行器的位置信息，通過攝像頭模塊獲取四軸飛行器的沿路圖像信息，加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器、GPS模塊、攝像頭模塊將各自獲取的信息傳送至處理器，處理器對(duì)上述信息進(jìn)行預(yù)處理然后通過無線通信模塊將處理過的信息傳送至PC端控制模塊，獲得四軸飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS坐標(biāo)和實(shí)時(shí)拍攝圖像，；
[0026](2)通過PC端控制模塊上的三維模擬軟件，利用姿態(tài)數(shù)據(jù)模擬出四軸飛行器的空間姿態(tài)，并將姿態(tài)顯示在PC端控制模塊，通過PC端控制模塊上記錄的校園地圖信息結(jié)合GPS坐標(biāo)，將四軸飛行器在校園中所處的實(shí)時(shí)位置標(biāo)注在校園地圖上，追蹤四軸飛行器的行進(jìn)軌跡和實(shí)時(shí)位置，對(duì)實(shí)時(shí)拍攝圖像進(jìn)行過濾操作，提取需要的圖像信息，姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS坐標(biāo)、實(shí)時(shí)拍攝圖像均保存在PC端控制模塊，定期整理和刪除；
[0027](3)當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況需要四軸飛行器懸停，突然加速，突然停止時(shí)，PC端控制模塊向處理器發(fā)出指令，終端四軸飛行器的預(yù)定路線，通過手動(dòng)控制模塊即時(shí)操控，突發(fā)情況解除后，再通過PC端控制模塊處理器發(fā)出指令，使四軸飛行器回到預(yù)定路線。
[0028]步驟(I)中，由于加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器的原始數(shù)據(jù)有比較大的噪聲，處理器許隊(duì)對(duì)獲取的四軸飛行器的飛行狀態(tài)信息進(jìn)行軟件濾波，軟件濾波采用的是互補(bǔ)濾波算法。加速度傳感器對(duì)震動(dòng)比較敏感，產(chǎn)生的噪聲比較大，但是其時(shí)效性很好且不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。陀螺儀傳感器測(cè)量的是角加速度，對(duì)角加速度積分可以得到角度，陀螺儀對(duì)震動(dòng)的干擾比較小，但是由于陀螺儀有零漂，積分會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，所以長(zhǎng)時(shí)間后數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此可以將加速度傳感器和陀螺儀的優(yōu)缺點(diǎn)相互彌補(bǔ)，對(duì)陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波，對(duì)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，然后將兩個(gè)傳感器的濾波數(shù)據(jù)計(jì)算出角度，并進(jìn)行互補(bǔ)融合。
[0029]步驟(2)中，PC端控制模塊通過百度地圖API獲取校園地圖信息，并將裁剪處理后的地圖放入PC端中用于后期定位，根據(jù)精度對(duì)地圖進(jìn)行大小的縮放。
[0030]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)，其特征在于:包括飛行姿態(tài)獲取模塊、GPS模塊、攝像頭模塊、片上系統(tǒng)、PC端控制模塊和手動(dòng)控制模塊，飛行姿態(tài)獲取模塊包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器，片上系統(tǒng)包括處理器、無線通訊模塊和電機(jī)控制模塊;加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器、GPS模塊和攝像頭模塊分別連接處理器，處理器分別連接電機(jī)控制模塊和無線通訊模塊，電機(jī)控制模塊連接四個(gè)電機(jī)，無線通訊模塊連接PC端控制模塊，PC端控制模塊連接手動(dòng)控制模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)，其特征在于:所述電機(jī)控制模塊包括PWM脈寬調(diào)制器和電子調(diào)速器，PWM脈寬調(diào)制器輸入端連接處理器，PWM脈寬調(diào)制器輸入端連接電子調(diào)速器輸入端，電子調(diào)速器輸出端連接四個(gè)電機(jī)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)，其特征在于:所述無線通訊模塊為433MHz無線模塊。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)通過加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器獲取四軸飛行器的飛行狀態(tài)信息，通過GPS模塊獲取四軸飛行器的位置信息，通過攝像頭模塊獲取四軸飛行器的沿路圖像信息，加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器、GPS模塊、攝像頭模塊將各自獲取的信息傳送至處理器，處理器對(duì)上述信息進(jìn)行預(yù)處理然后通過無線通信模塊將處理過的信息傳送至PC端控制模塊，得到四軸飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS坐標(biāo)和實(shí)時(shí)拍攝圖像； (2)通過PC端控制模塊上的三維模擬軟件，利用姿態(tài)數(shù)據(jù)模擬出四軸飛行器的空間姿態(tài)，并將姿態(tài)顯示在PC端控制模塊，通過PC端控制模塊上記錄的校園地圖信息結(jié)合GPS坐標(biāo)，將四軸飛行器在校園中所處的實(shí)時(shí)位置標(biāo)注在校園地圖上，追蹤四軸飛行器的行進(jìn)軌跡和實(shí)時(shí)位置，對(duì)實(shí)時(shí)拍攝圖像進(jìn)行過濾操作，提取需要的圖像信息； (3)當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況需要四軸飛行器懸停，突然加速，突然停止時(shí)，PC端控制模塊向處理器發(fā)出指令，中斷四軸飛行器的預(yù)定路線，通過手動(dòng)控制模塊即時(shí)操控，突發(fā)情況解除后，再通過PC端向處理器發(fā)出指令，使四軸飛行器回到預(yù)定路線。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)的工作方法，其特征在于:處理器對(duì)獲取的四軸飛行器的飛行狀態(tài)信息進(jìn)行軟件濾波，軟件濾波采用的是互補(bǔ)濾波算法。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統(tǒng)的工作方法，其特征在于:PC端控制模塊通過百度地圖API獲取校園地圖信息。
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK105867396SQ201610190156
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】許新征, 南天棋, 王觀英, 晉忠孝, 胡安東, 湯權(quán), 倪健
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)