一種基于卡爾曼濾波和ppm編碼的無線頭追設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計方法和系統，包括用戶頭部設備和飛機端設備，所述用戶頭部設備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發射器和傳感器板，所述飛機端設備包括接收機、云臺、圖傳發射和攝像頭。本發明采用九軸姿態檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優點，能夠更加精確分析無人機姿態。采用相應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，能夠實現在靜態和動態條件下物體姿態的正確檢測。采用的PPM編碼技術，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，能夠將計算出的兩通道舵機信號采用PPM編碼傳遞給發射模塊。
【專利說明】
一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計方法
技術領域
[0001]本發明涉及視頻監控技術領域，具體涉及一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線 頭追設計方法。
【背景技術】
[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，它不僅能培養人們對航空事業的興趣、普及航空知識和技術、培養航空人才，還 能發展青少年智力、增進人們身體健康。隨著科技的不斷進步和經濟的發展，航模產品的價 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，操作者頭部的轉動會被完全復現在飛機的攝像頭上。
[0003] 除此之外，FPV還可以擴展到無人機實時監視工作上，給以各種飛行器為載體的具 有云臺的空中攝像系統中地面監控部分提供了一種新型監控方式，監控人員只需轉動頭部 就能輕松控制監控畫面中核心內容的捕捉，非常適合應用在無人機地面監控系統。
[0004] 但是現有技術中主要有以下兩個方面的缺點： 1、 現有技術對頭部姿態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測過程中，姿態變化速度很快，三軸測量的精度遠遠達不到檢測要求； 2、 現有技術中采用的三向加速度傳感器存在著在短時間測量范圍內誤差較大的問題， 但是沒有提出相應的解決方案。
[0005] 申請號為201110222250.6的發明提供一種基于頭部姿態控制的隨動遠程視覺系 統，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、無線影音傳輸發射模塊、舵機云臺裝置、通信模塊和控制 器。系統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，實現了攝像 頭的視覺和麥克的聲音復制給了操作者，而且實現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，實現對云臺的運動跟隨控制，增加虛擬現實的沉浸感，給操 作者帶來視頻、聲音和運動的三維一體式操作體驗。但是該發明采用MMA7620傳感器，精度 較差。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的問題是提供一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計方 法，采用九軸姿態檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優點，能夠更加精確分析 無人機姿態，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] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為： 一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計方法，包括如下步驟： 步驟一:飛機端設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， 并經過圖傳發射，以無線形式傳送給用戶頭部設備； 步驟二：用戶頭部設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給操作者； 步驟三:操作者根據無人機或航模發送回來的初始畫面，結合檢測需求進行頭部運動， 用戶頭部設備上的九軸姿態檢測模塊感應操作者頭部運動姿態； 步驟四：用戶頭部設備上的主控板通過i2g通信接口從九軸姿態檢測模塊讀取數據， 然后利用卡爾曼濾波器對數據進行濾波； 步驟五:卡爾曼濾波結束后得到的角度就是頭部的姿態測量結果，并通過主控板進行 信號處理和分析，即對姿態測量結果進行PPM編碼； 步驟六:PPM編碼結束，用戶頭部設備上的發射器將頭部運動姿態控制信號發射到飛機 端設備； 步驟七:飛機端設備上的接收機接收用戶頭部設備中發射器發射來的控制信號，通過 內置的處理模塊將頭部運動姿態控制信號轉換為控制云臺舵機的控制角，輸出到云臺舵 機，并驅動云臺進行相應的運動，實現攝像頭和操作者頭部的隨動運動； 步驟八:飛機端設備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發射發送到操作者頭部運動隨 動系統上，用戶頭部設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檢測模塊 的姿態數據，包括頭部姿態角速度、加速度和磁偏角的三個數據監測，并將數據打包存入數 組開始計算，I 2G通信的寫入函數和讀出函數根據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生的偏置參數，最后得到三個傳感器分別測出的姿態信息，經過分別 計算得出不同傳感器判斷出的角度信息，姿態檢測結束。
[0009] 進一步的，所述步驟四中，卡爾曼濾波為首先設置一個起始值和最佳增益矩陣，并 進行更新估計，得到最優估計輸出、觀測輸入和修正誤差協方陣，并根據仿真數據再次進行 修正直到得到期望的結果位置，濾波結束。
[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 定時器時間達到云臺舵機2值，PPM編碼結束，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，包括用戶頭部設備和飛機端設 備，所述用戶頭部設備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發射器和傳感器板，所述飛機端設 備包括接收機、云臺、圖傳發射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳發射、圖傳接收和視頻眼鏡依次 連接，所述傳感器、主控板、發射器、接收機和云臺依次連接，所述攝像頭設置在所述云臺 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檢測模塊，該九軸姿態檢測模塊包括三軸 陀螺儀、三軸數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，所述發射器和接收機采用無線收發模塊。
[0017] 進一步的，所述用戶頭部設備在用戶佩戴頭追之后，傳感器板測量用戶頭部運動 姿態，通過主控板進行信號處理和分析，并通過發射器將頭部運動姿態控制信號發射到飛 機端設備，圖傳接收把飛機端設備傳過來的畫面顯示在視頻眼鏡上，所述飛機端設備的接 收機接收發射器發射的控制信號，并驅動云臺進行相應的運動，同時把攝像頭的畫面通過 圖傳發射發送到用戶頭部設備的圖傳接收。
[0018] 本發明采用MEMS慣性器件構成姿態檢測系統，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檢測 模塊GY-85,它里面集成了三軸ITG3205陀螺儀、三軸ADXL345B數字加速度計和三軸 HMC5883L磁阻傳感器。整個系統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 據，利用卡爾曼濾波器對這些數據進行快速處理，計算出自身姿態。
[0019] 姿態檢測程序主要通過i2g逐個獲取GY_85傳感器的姿態數據，包括角速度、加速 度和磁偏角的測量，并將數據進行打包存入數組開始計算。通信包含寫入函數和讀出函數， 根據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生的偏置參數，最后 能得到三個傳感器分別測出的姿態信息，經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的短時間測量范圍內誤差較大的問題，可以通過 九軸姿態檢測模塊GY-85內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 場來完成感應頭部轉動方向，以此實現累積誤差。但是動態條件下的數據可靠性非常差，所 以采用卡爾曼濾波算法可以實現檢測數據的推算和融合，大幅度提高傳感器對姿態測量的 實時性和精準度。濾波開始之后，設定起始值，設置最佳增益矩陣并對更新進行估計，依次 對協方陣誤差進行多次修正，并將更新估計輸出到最優估計輸出和觀測輸入。在計算出結 果后，編入數組進行下一步操作。
[0021] 本發明中采用的PPM編碼技術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，引起輸出 信號線電壓的改變，將變化信息送入遙控器內部的單片機中進行編碼，通道的信息會轉換 成一組脈沖編碼信號，再經過遙控器上高頻頭部分的高頻調制電路調制后，最后通過功放 電路從天線發射出去。
[0022] 當姿態檢測部分檢測出準確的頭部姿態后，單片機將運動的變化轉換成舵機的角 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，相對應的方波周期就是20ms，其中表示信號內容的高電 平持續時間為lms至2ms之間，相當于占空比為5~10%。本發明中云臺采用兩軸，將兩路控制 信號通過無線模塊發射出去，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，即脈沖位置調制或脈位調制，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置的獨特的編碼方式，工作流程如圖6所示。
[0023]本發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，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檢測模塊GY-85,該傳感器集成了三軸 陀螺儀ITG3205、三軸數字加速度計ADXL345B和三軸磁阻傳感器HMC5883L，能夠實現對物體 姿態的完美檢測。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] 本發明采用九軸姿態檢測模塊，該模塊具有體積小，重量輕，精度高等優點，能夠 更加精確分析無人機姿態。采用相應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，能夠實現在靜態和動態條件下物體姿態的正確檢測。采用的PPM編碼技 術，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，能夠將計算出 的兩通道舵機信號采用PPM編碼傳遞給發射模塊。
【附圖說明】
[0025] 下面結合附圖對本發明作進一步描述： 圖1是本發明基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計系統的系統結構圖； 圖2是本發明姿態檢測部分整體架構圖； 圖3是本發明本發明中姿態檢測流程圖； 圖4是本發明中卡爾曼濾波軟件流程圖； 圖5是本發明中的PPM編碼流程圖； 圖6是本發明中的傳感器輸出曲線。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合圖1至圖6對本發明技術方案進一步展示，【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編碼的無線頭追設計方法，包括如下步驟： 步驟一:飛機端設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， 并經過圖傳發射，以無線形式傳送給用戶頭部設備； 步驟二：用戶頭部設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給操作者； 步驟三:操作者根據無人機或航模發送回來的初始畫面，結合檢測需求進行頭部運動， 用戶頭部設備上的九軸姿態檢測模塊感應操作者頭部運動姿態，主控板通過I2G通信接口 逐個獲取九軸姿態檢測模塊的姿態數據，包括頭部姿態角速度、加速度和磁偏角的三個數 據監測，并將數據打包存入數組開始計算，I 2G通信的寫入函數和讀出函數根據三個傳感 器的不同地址進行處理，同時考慮傳感器校正時產生的偏置參數，最后得到三個傳感器分 別測出的姿態信息，經過分別計算得出不同傳感器判斷出的角度信息，姿態檢測結束； 步驟四：用戶頭部設備上的主控板通過I 2g通信接口從九軸姿態檢測模塊讀取數據后 利用卡爾曼濾波器對數據進行濾波，卡爾曼濾波為首先設置一個起始值和最佳增益矩陣， 并進行更新估計，得到最優估計輸出、觀測輸入和修正誤差協方陣，并根據仿真數據再次進 行修正直到得到期望的結果位置，濾波結束； 步驟五:卡爾曼濾波結束后得到的角度就是頭部的姿態測量結果，并通過主控板進行 信號處理和分析，即對姿態測量結果進行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，當定時器時間達到云臺舵機2值，PPM編碼結束，PPM置高并再次置低，并等待 下一個周期的到來； 步驟六:PPM編碼結束，用戶頭部設備上的發射器將頭部運動姿態控制信號發射到飛機 端設備； 步驟七:飛機端設備上的接收機接收用戶頭部設備中發射器發射來的控制信號，通過 內置的處理模塊將頭部運動姿態控制信號轉換為控制云臺舵機的控制角，輸出到云臺舵 機，并驅動云臺進行相應的運動，實現攝像頭和操作者頭部的隨動運動； 步驟八:飛機端設備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發射發送到操作者頭部運動隨 動系統上，用戶頭部設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:該發明采用MEMS慣性器件構成姿態檢測系統，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 檢測模塊GY-85,它里面集成了三軸ITG3205陀螺儀、三軸ADXL345B數字加速度計和三軸 HMC5883L磁阻傳感器。整個系統由通過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 據，利用卡爾曼濾波器對這些數據進行快速處理，計算出自身姿態。
[0028] 如圖3所示:姿態檢測程序主要通過逐個獲取GY-85傳感器的姿態數據，包括 角速度、加速度和磁偏角的測量，并將數據進行打包存入數組開始計算。通信包含寫入函數 和讀出函數，根據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生的偏 置參數，最后能得到三個傳感器分別測出的姿態信息，經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的短時間測量范圍內誤差較大的問 題，可以通過九軸姿態檢測模塊GY-85內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頭部轉動方向，以此實現累積誤差。但是動態條件下的數據可靠 性非常差，所以采用卡爾曼濾波算法可以實現檢測數據的推算和融合，大幅度提高傳感器 對姿態測量的實時性和精準度。濾波開始之后，設定起始值，設置最佳增益矩陣并對更新進 行估計，依次對協方陣誤差進行多次修正，并將更新估計輸出到最優估計輸出和觀測輸入。 在計算出結果后，編入數組進行下一步操作。
[0030] 本發明中采用的PPM編碼技術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，引起輸出 信號線電壓的改變，將變化信息送入遙控器內部的單片機中進行編碼，通道的信息會轉換 成一組脈沖編碼信號，再經過遙控器上高頻頭部分的高頻調制電路調制后，最后通過功放 電路從天線發射出去。
[0031]如圖5所示：當姿態檢測部分檢測出準確的頭部姿態后，單片機將運動的變化轉換 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，相對應的方波周期就是20ms，其中表示信號 內容的高電平持續時間為lms至2ms之間，相當于占空比為5~10%。本發明中云臺采用兩軸， 將兩路控制信號通過無線模塊發射出去，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，即脈沖位置調制或脈位調制，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角推測算法，如下所示： 加速度計在靜態條件下測得的重力分量，根據式(1)和(2)可以計算出載體人頭部的滾 動角和俯仰角：
當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：
根據式(4)，利用變換后的磁阻傳感器的數據，便可以解算出偏航角：
(4) 但是在動態條件下，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角，結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，為了解算出更為準確的自身姿態角，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據共同估計出一個更為準確的姿態。從 傳感器自身的性能同時盡可能使狀態空間模型變簡化的方向考慮，將單軸方向上的姿態角 和陀螺儀對應該軸的漂移量組成一個二維向量，作為狀態變量選取的對象：
(5)
把由式（1)-式(4)解算出的結果當作卡爾曼濾波器的觀測數據，此系統的狀態方程如 下： (6) ' , v ^ ^ ^ (7) 再將這些狀態方程離散化，可得：
(8) (9) 令
式中：dt為系統的采樣周期，dotangle是指陀螺儀在采樣間隔內輸出的角度值。
[0033]建立好系統的狀態模型以后，卡爾曼濾波器通過下面的公式，不停地循環迭代可 以得到。
濾波器初值的設置可以按照$=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。根據輸出曲線，能夠分析出頭 追檢測出的姿態變化。
[0036]如圖6所示：晃動頭追，可以得到三個軸輸出的信號曲線，可以發現傳感器工作正 常，反應很靈敏，跟隨很快，信號抖動也不嚴重，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， 包括用戶頭部設備和飛機端設備，所述用戶頭部設備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發 射器和傳感器板，所述飛機端設備包括接收機、云臺、圖傳發射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳 發射、圖傳接收和視頻眼鏡依次連接，所述傳感器、主控板、發射器、接收機和云臺依次連 接，所述攝像頭設置在所述云臺上。
[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檢測模塊，該九軸姿態檢測模塊包括三軸陀螺儀、三 軸數字加速度計和三軸磁阻傳感器。
[0040] 所述圖傳接收和圖傳發射采用歐姆威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] 所述發射器和接收機采用無線收發模塊。
[0043] 用戶頭部設備在用戶佩戴頭追之后，傳感器板測量用戶頭部運動姿態，通過主控 板進行信號處理和分析，并通過發射器將頭部運動姿態控制信號發射到飛機端設備，圖傳 接收把飛機端設備傳過來的畫面顯示在視頻眼鏡上，飛機端設備的接收機接收發射器發射 的控制信號，并驅動云臺進行相應的運動，同時把攝像頭的畫面通過圖傳發射發送到用戶 頭部設備的圖傳接收。
[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檢測模塊GY-85,該傳感器集成了三軸陀螺儀ITG3205、三軸數字加速度計ADXL345B和三軸磁阻傳感器 HMC5883L，能夠實現對物體姿態的完美檢測。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明的技術方案而非限制，本領域普通 技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案 的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟一：飛機端設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， 并經過圖傳發射，W無線形式傳送給用戶頭部設備； 步驟二：用戶頭部設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給操作者； 步驟Ξ:操作者根據無人機或航模發送回來的初始畫面，結合檢測需求進行頭部運動， 用戶頭部設備上的九軸姿態檢測模塊感應操作者頭部運動姿態； 步驟四：用戶頭部設備上的主控板通過通信接口從九軸姿態檢測模塊讀取數據，然 后利用卡爾曼濾波器對數據進行濾波； 步驟五:卡爾曼濾波結束后得到的角度就是頭部的姿態測量結果，并通過主控板進行 信號處理和分析，即對姿態測量結果進行PPM編碼； 步驟六:PPM編碼結束，用戶頭部設備上的發射器將頭部運動姿態控制信號發射到飛機 端設備； 步驟屯：飛機端設備上的接收機接收用戶頭部設備中發射器發射來的控制信號，通過 內置的處理模塊將頭部運動姿態控制信號轉換為控制云臺艙機的控制角，輸出到云臺艙 機，從而驅動云臺進行相應的運動，實現攝像頭和操作者頭部的隨動運動； 步驟八:飛機端設備的攝像頭將采集到的畫面通過圖傳發射發送到操作者頭部運動隨 動系統上，用戶頭部設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. 如權利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計方法，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檢測模塊的姿態數據，包括頭 部姿態角速度、加速度和磁偏角的Ξ個數據監測，并將數據打包存入數組開始計算，I2C：通 信的寫入函數和讀出函數根據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 生的偏置參數，最后得到Ξ個傳感器分別測出的姿態信息，經過分別計算得出不同傳感器 判斷出的角度信息，姿態檢測結束。3. 如權利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計方法，其特征在于： 所述步驟四中，卡爾曼濾波為首先設置一個起始值和最佳增益矩陣，并進行更新估計，得到 最優估計輸出、觀測輸入和修正誤差協方陣，并根據仿真數據再次進行修正直到得到期望 的結果位置，濾波結束。4. 如權利要求1所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追設計方法，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 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，當定時器時間達到云 臺艙機2值，PPM編碼結束，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，其特征在于:包括用戶頭部設備和 飛機端設備，所述用戶頭部設備包括視頻眼鏡、圖傳接收、主控板、發射器和傳感器板，所述 飛機端設備包括接收機、云臺、圖傳發射和攝像頭，所述攝像頭、圖傳發射、圖傳接收和視頻 眼鏡依次連接，所述傳感器、主控板、發射器、接收機和云臺依次連接，所述攝像頭設置在所 述云臺上。6. 如權利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統，其特征在于:所述 主控板包括單片機忍片。7. 如權利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統，其特征在于:所述 傳感器板采用九軸姿態檢測模塊，該九軸姿態檢測模塊包括Ξ軸巧螺儀、Ξ軸數字加速度 計和Ξ軸磁阻傳感器。8. 如權利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統，其特征在于:所述 圖傳接收和圖傳發射采用歐姆威5.8G化頻率500MW圖傳套裝。9. 如權利要求5所述的基于卡爾曼濾波和PPM編碼的無線頭追系統，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，其特征在于:所述 發射器和接收機采用無線收發模塊。
【文檔編號】H04N7/18GK105974948SQ201610578469
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】鄭揚冰, 薛曉, 陳怡翔, 楊磊, 周學建, 劉昊然, 金學明, 黃橋
【申請人】南陽師范學院