校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統及其工作方法
【專利摘要】本發明公開了一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統及其工作方法，該系統包括飛行姿態獲取模塊、GPS模塊、攝像頭模塊、片上系統、PC端控制模塊和手動控制模塊，飛行姿態獲取模塊包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器，片上系統包括處理器、無線通訊模塊和電機控制模塊；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控制模塊和無線通訊模塊，電機控制模塊連接四個電機，無線通訊模塊連接PC端控制模塊，PC端控制模塊連接手動控制模塊。本發明可以提高四軸飛行器系統的運行效率，增加其實際應用功能，并增強校園的安保功能。
【專利說明】
校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統及其工作方法
技術領域
[0001]本發明屬于計算機工程領域，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及其工作方法。
【背景技術】
[0002]隨著四軸飛行器技術的不斷發展，這種輕便小巧的四軸飛行器越來越受到人們的青睞。目前，市場上出現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，沒有和PC端聯動的功能，往往只具備娛樂的效果，在實際中的應用不高，沒有相應的應用成效;傳統的四軸飛行器的控制系統往往只包括一個搖桿，可以操控飛行器的前后左右，有時不能及時的響應操作者的需求，比如急飛，急停等操作，而事實上片上系統完全可以響應此類操作，并及時作出反饋；四軸飛行器在飛離操控人員較遠或者飛出視野后人們難以觀測其飛行狀態，導致在意外故障發生時，不能很好的進行故障原因的推測，不利于系統的修復和操作的改進，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還處于空缺狀態。大多數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，而攝像頭長時間不保養，很容易損壞。所以，現在很多高校由于攝像頭的損壞與更新換代的緩慢，校園內存在不少的安全隱患亟待解決。
【發明內容】
[0004]發明目的:本發明正是基于上述技術問題，提出了一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統及其工作方法，可以提高四軸飛行器系統的運行效率，增加其實際應用功能，并增強校園的安保功能。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案:
[0006]—種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統，其特征在于:包括飛行姿態獲取模塊、GPS模塊、攝像頭模塊、片上系統、PC端控制模塊和手動控制模塊，飛行姿態獲取模塊包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器，片上系統包括處理器、無線通訊模塊和電機控制模塊;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控制模塊和無線通訊模塊，電機控制模塊連接四個電機，無線通訊模塊連接PC端控制模塊，PC端控制模塊連接手動控制模塊。
[0007 ] 進一步的，所述電機控制模塊包括PWM脈寬調制器和電子調速器，P麗脈寬調制器輸入端連接處理器，PWM脈寬調制器輸入端連接電子調速器輸入端，電子調速器輸出端連接四個電機。
[0008]進一步的，所述無線通訊模塊為433MHz無線模塊。
[0009]根據上述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統的工作方法，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，處理器對上述信息進行預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數據、GPS坐標和實時拍攝圖像；
[0011](2)通過PC端控制模塊上的三維模擬軟件，利用姿態數據模擬出四軸飛行器的空間姿態，并將姿態顯示在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合GPS坐標，將四軸飛行器在校園中所處的實時位置標注在校園地圖上，追蹤四軸飛行器的行進軌跡和實時位置，對實時拍攝圖像進行過濾操作，提取需要的圖像信息；
[0012](3)當出現突發情況需要四軸飛行器懸停，突然加速，突然停止時，PC端控制模塊向處理器發出指令，中斷四軸飛行器的預定路線，通過手動控制模塊即時操控，突發情況解除后，再通過PC端向處理器發出指令，使四軸飛行器回到預定路線。
[0013]進一步的，處理器對獲取的四軸飛行器的飛行狀態信息進行軟件濾波，軟件濾波采用的是互補濾波算法。
[0014]進一步的，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:本發明可以提高四軸飛行器系統的運行效率，增加其實際應用功能，通過本發明的技術方案，可以達到對校園內的情景進行實時監控的目的，并且減少了人力的需求，優化了資源配置。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的信息處理系統的硬件結構圖。
【具體實施方式】
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[0017]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0018]如圖1所示，本發明的一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統，包括飛行姿態獲取模塊、GPS模塊、攝像頭模塊、片上系統、PC端控制模塊和手動控制模塊，飛行姿態獲取模塊包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器，片上系統包括處理器、無線通訊模塊和電機控制模塊;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控制模塊和無線通訊模塊，電機控制模塊連接四個電機，無線通訊模塊連接PC端控制模塊，PC端控制模塊連接手動控制模塊。
[0019]所述電機控制模塊包括PffM脈寬調制器和電子調速器，PffM脈寬調制器輸入端連接處理器，PWM脈寬調制器輸入端連接電子調速器輸入端，電子調速器輸出端連接四個電機。為了四軸飛行器獲得足夠的升力使用交流無刷電機，電機使用電子調速器直接進行控制，處理器通過PWM脈寬調制器控制電調從而間接控制電機的轉速。
[0020]在四個電機的旋轉方向上，對角的電機采用的是相同旋轉方向，且兩對電機的旋轉方向相反，這樣才能保證四軸飛行器不會產生自旋。
[0021]四軸飛行器的飛行模式使用X型，即前進方向定為兩個電機軸形成的夾角的角平分線。這樣將相鄰的電機作為一組控制單元，基本飛行控制使用兩組電機控制，然后將左右和前后兩組的電機疊加得到每組電機的油門值。
[0022]處理器控制四軸飛行器按照預定路徑飛行，處理器對四軸姿態的控制使用的是PID算法，在得到了準確的四軸姿態的基礎上使用PID算法對四個電機進行控制。
[0023]為了保證片上系統與地面的PC端控制模塊遠距離通信，無線通訊模塊采用433MHz無線模塊，在此基礎上封裝一層通信協議。協議規定數據包以字符‘T’作為幀頭，以字符‘Q’作為幀尾，使用字符‘\’作為轉義字符，大量實驗表明這種通信協議穩定可靠，且數據的傳輸效率高，能夠保證飛行器和地面的數據可靠傳輸。
[0024]根據上述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統的工作方法，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，處理器對上述信息進行預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數據、GPS坐標和實時拍攝圖像，；
[0026](2)通過PC端控制模塊上的三維模擬軟件，利用姿態數據模擬出四軸飛行器的空間姿態，并將姿態顯示在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合GPS坐標，將四軸飛行器在校園中所處的實時位置標注在校園地圖上，追蹤四軸飛行器的行進軌跡和實時位置，對實時拍攝圖像進行過濾操作，提取需要的圖像信息，姿態數據、GPS坐標、實時拍攝圖像均保存在PC端控制模塊，定期整理和刪除；
[0027](3)當出現突發情況需要四軸飛行器懸停，突然加速，突然停止時，PC端控制模塊向處理器發出指令，終端四軸飛行器的預定路線，通過手動控制模塊即時操控，突發情況解除后，再通過PC端控制模塊處理器發出指令，使四軸飛行器回到預定路線。
[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據有比較大的噪聲，處理器許隊對獲取的四軸飛行器的飛行狀態信息進行軟件濾波，軟件濾波采用的是互補濾波算法。加速度傳感器對震動比較敏感，產生的噪聲比較大，但是其時效性很好且不會產生累計誤差。陀螺儀傳感器測量的是角加速度，對角加速度積分可以得到角度，陀螺儀對震動的干擾比較小，但是由于陀螺儀有零漂，積分會產生累計誤差，所以長時間后數據不準確。因此可以將加速度傳感器和陀螺儀的優缺點相互彌補，對陀螺儀的數據進行高通濾波，對加速度計的數據進行低通濾波，然后將兩個傳感器的濾波數據計算出角度，并進行互補融合。
[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，根據精度對地圖進行大小的縮放。
[0030]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統，其特征在于:包括飛行姿態獲取模塊、GPS模塊、攝像頭模塊、片上系統、PC端控制模塊和手動控制模塊，飛行姿態獲取模塊包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器，片上系統包括處理器、無線通訊模塊和電機控制模塊;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控制模塊和無線通訊模塊，電機控制模塊連接四個電機，無線通訊模塊連接PC端控制模塊，PC端控制模塊連接手動控制模塊。2.根據權利要求1所述的一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統，其特征在于:所述電機控制模塊包括PWM脈寬調制器和電子調速器，PWM脈寬調制器輸入端連接處理器，PWM脈寬調制器輸入端連接電子調速器輸入端，電子調速器輸出端連接四個電機。3.根據權利要求1所述的一種校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統，其特征在于:所述無線通訊模塊為433MHz無線模塊。4.根據權利要求1所述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統的工作方法，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，處理器對上述信息進行預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數據、GPS坐標和實時拍攝圖像； (2)通過PC端控制模塊上的三維模擬軟件，利用姿態數據模擬出四軸飛行器的空間姿態，并將姿態顯示在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合GPS坐標，將四軸飛行器在校園中所處的實時位置標注在校園地圖上，追蹤四軸飛行器的行進軌跡和實時位置，對實時拍攝圖像進行過濾操作，提取需要的圖像信息； (3)當出現突發情況需要四軸飛行器懸停，突然加速，突然停止時，PC端控制模塊向處理器發出指令，中斷四軸飛行器的預定路線，通過手動控制模塊即時操控，突發情況解除后，再通過PC端向處理器發出指令，使四軸飛行器回到預定路線。5.根據權利要求4所述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統的工作方法，其特征在于:處理器對獲取的四軸飛行器的飛行狀態信息進行軟件濾波，軟件濾波采用的是互補濾波算法。6.根據權利要求4所述校園自主巡航四軸飛行器的信息處理系統的工作方法，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】G05D1/08GK105867396SQ201610190156
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】許新征, 南天棋, 王觀英, 晉忠孝, 胡安東, 湯權, 倪健
【申請人】中國礦業大學