一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法和系统，包括用户头部设备和飞机端设备，所述用户头部设备包括视频眼镜、图传接收、主控板、发射器和传感器板，所述飞机端设备包括接收机、云台、图传发射和摄像头。本发明专利技术采用九轴姿态检测模块，该模块具有体积小，重量轻，精度高等优点，能够更加精确分析无人机姿态。采用相应的卡尔曼滤波融合算法，解决了三向加速度计测量时误差较大的问题，能够实现在静态和动态条件下物体姿态的正确检测。采用的PPM编码技术，和目前市场销售的使用PPM通信的无线模块能够相互兼容，通用性较强，能够将计算出的两通道舵机信号采用PPM编码传递给发射模块。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及视频监控
，具体涉及一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法。
技术介绍
航空模型运动是运用航空知识，动手制作模型飞机并用各种不同方式操纵飞机飞行的运动，它不仅能培养人们对航空事业的兴趣、普及航空知识和技术、培养航空人才，还能发展青少年智力、增进人们身体健康。随着科技的不断进步和经济的发展，航模产品的价格不断降低，操作手法也越来越简便，爱好航模的人群也不断壮大，航模的玩法也花样繁多，其中体验最真实、最震憾的要数FPV了。FPV意为第一人称视角，全称是First Person View。它是一种在遥控航模上加装云台摄像头和图传设备，在地面看屏幕操控模型的新玩法。这种玩法的特点在于玩家可以身临其境的以飞机驾驶员的视角观察四周，操纵你的模型飞机翱翔天空，操作者头部的转动会被完全复现在飞机的摄像头上。除此之外，FPV还可以扩展到无人机实时监视工作上，给以各种飞行器为载体的具有云台的空中摄像系统中地面监控部分提供了一种新型监控方式，监控人员只需转动头部就能轻松控制监控画面中核心内容的捕捉，非常适合应用在无人机地面监控系统。但是现有技术中主要有以下两个方面的缺点：1、现有技术对头部姿态的检测传感器采用的是MMA7620，该传感器是一款三向加速度传感器，可以同时测量三个坐标轴的值，视频眼镜与交互装置控制部分如图1所示。但是在航模和无人机飞行监测过程中，姿态变化速度很快，三轴测量的精度远远达不到检测要求；2、现有技术中采用的三向加速度传感器存在着在短时间测量范围内误差较大的问题，但是没有提出相应的解决方案。申请号为201110222250.6的专利技术提供一种基于头部姿态控制的随动远程视觉系统，包括视频显示与交互装置和随动视觉装置，视频显示与交互装置包括无线影音传输接收模块、视频眼镜显示模块、头部姿态检测传感器模块、控制器和通信模块；随动视觉装置包括具有音频采集功能的摄像头、无线影音传输发射模块、舵机云台装置、通信模块和控制器。系统采用体感交互操作方式，通过配戴安装有体感检测传感器的视频眼镜，实现了摄像头的视觉和麦克的声音复制给了操作者，而且实现了操作者就像利用头部运动控制自己眼睛视野一样控制摄像头的视野，实现对云台的运动跟随控制，增加虚拟现实的沉浸感，给操作者带来视频、声音和运动的三维一体式操作体验。但是该专利技术采用MMA7620传感器，精度较差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是提供一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，采用九轴姿态检测模块，该模块具有体积小，重量轻，精度高等优点，能够更加精确分析无人机姿态，且采用卡尔曼滤波融合算法，解决了三向加速度计测量时误差较大的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，包括如下步骤：步骤一：飞机端设备上的摄像头首先采集无人机或航模前方的图像信息和音频信息，并经过图传发射，以无线形式传送给用户头部设备；步骤二：用户头部设备中的图传接收接收到无人机传输来的图像信息和音频信息后，将信号输出到视频眼镜上，视频眼镜将接收到的图像和声音信号呈现给操作者；步骤三：操作者根据无人机或航模发送回来的初始画面，结合检测需求进行头部运动，用户头部设备上的九轴姿态检测模块感应操作者头部运动姿态；步骤四：用户头部设备上的主控板通过 通信接口从九轴姿态检测模块读取数据，然后利用卡尔曼滤波器对数据进行滤波；步骤五：卡尔曼滤波结束后得到的角度就是头部的姿态测量结果，并通过主控板进行信号处理和分析，即对姿态测量结果进行PPM编码；步骤六：PPM编码结束，用户头部设备上的发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备；步骤七：飞机端设备上的接收机接收用户头部设备中发射器发射来的控制信号，通过内置的处理模块将头部运动姿态控制信号转换为控制云台舵机的控制角，输出到云台舵机，并驱动云台进行相应的运动，实现摄像头和操作者头部的随动运动；步骤八：飞机端设备的摄像头将采集到的画面通过图传发射发送到操作者头部运动随动系统上，用户头部设备上的图传接收将图像反馈到视频眼镜中，这样操作者就可以看到自己想要看到的画面。进一步的，所述步骤三中，主控板通过通信接口逐个获取九轴姿态检测模块的姿态数据，包括头部姿态角速度、加速度和磁偏角的三个数据监测，并将数据打包存入数组开始计算，通信的写入函数和读出函数根据三个传感器的不同地址进行处理，同时考虑传感器校正时产生的偏置参数，最后得到三个传感器分别测出的姿态信息，经过分别计算得出不同传感器判断出的角度信息，姿态检测结束。进一步的，所述步骤四中，卡尔曼滤波为首先设置一个起始值和最佳增益矩阵，并进行更新估计，得到最优估计输出、观测输入和修正误差协方阵，并根据仿真数据再次进行修正直到得到期望的结果位置，滤波结束。进一步的，所述步骤五中，PPM编码开始时先进行中断初始化，然后PPM置高开始计时，再将PPM置低，当定时器时间达到云台舵机1值，PPM置高再次开始计时，再将PPM置低，当定时器时间达到云台舵机2值，PPM编码结束，PPM置高并再次置低，并等待下一个周期的到来。一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追系统，包括用户头部设备和飞机端设备，所述用户头部设备包括视频眼镜、图传接收、主控板、发射器和传感器板，所述飞机端设备包括接收机、云台、图传发射和摄像头，所述摄像头、图传发射、图传接收和视频眼镜依次连接，所述传感器、主控板、发射器、接收机和云台依次连接，所述摄像头设置在所述云台上。进一步的，所述主控板包括单片机芯片。进一步的，所述传感器板采用九轴姿态检测模块，该九轴姿态检测模块包括三轴陀螺仪、三轴数字加速度计和三轴磁阻传感器。进一步的，所述图传接收和图传发射采用欧姆威5.8GHz频率500MW图传套装。进一步的，所述云台采用两轴云台，模拟人头的抬头和摇头两个方向的运动。进一步的，所述发射器和接收机采用无线收发模块。进一步的，所述用户头部设备在用户佩戴头追之后，传感器板测量用户头部运动姿态，通过主控板进行信号处理和分析，并通过发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备，图传接收把飞机端设备传过来的画面显示在视频眼镜上，所述飞机端设备的接收机接收发射器发射的控制信号，并驱动云台进行相应的运动，同时把摄像头的画面通过图传发射发送到用户头部设备的图传接收。本专利技术采用MEMS惯性器件构成姿态检测系统，采用8位超低功耗AVR单片机ATmega328P组成的Arduino Nano作为主控板上的控制处理单元，传感器选用九轴姿态检测模块GY-85，它里面集成了三轴ITG3205陀螺仪、三轴ADXL345B数字加速度计和三轴HMC5883L磁阻传感器。整个系统由通过通信的加速度计芯片、陀螺仪芯片、磁力计芯片组成的传感器模块和微处理器模块组成。主控板通过通信接口从传感器模块读取数据，利用卡尔曼滤波器对这些数据进行快速处理，计算出自身姿态。姿态检测程序主要通过逐个获取GY-85传感器的姿态数据，包括角速度、加速度和磁偏角的测量，并将数据进行打包存入数组开始计算。通信包含写入函数和读出函数，根据三个传感器的不同地址进行处理，中间需要考虑传感器校正时产生的偏置参数，最后能得到三个传感器分别测出的姿态信息，经过分别计算得出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：飞机端设备上的摄像头首先采集无人机或航模前方的图像信息和音频信息，并经过图传发射，以无线形式传送给用户头部设备；步骤二：用户头部设备中的图传接收接收到无人机传输来的图像信息和音频信息后，将信号输出到视频眼镜上，视频眼镜将接收到的图像和声音信号呈现给操作者；步骤三：操作者根据无人机或航模发送回来的初始画面，结合检测需求进行头部运动，用户头部设备上的九轴姿态检测模块感应操作者头部运动姿态；步骤四：用户头部设备上的主控板通过通信接口从九轴姿态检测模块读取数据，然后利用卡尔曼滤波器对数据进行滤波；步骤五：卡尔曼滤波结束后得到的角度就是头部的姿态测量结果，并通过主控板进行信号处理和分析，即对姿态测量结果进行PPM编码；步骤六：PPM编码结束，用户头部设备上的发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备；步骤七：飞机端设备上的接收机接收用户头部设备中发射器发射来的控制信号，通过内置的处理模块将头部运动姿态控制信号转换为控制云台舵机的控制角，输出到云台舵机，从而驱动云台进行相应的运动，实现摄像头和操作者头部的随动运动；步骤八：飞机端设备的摄像头将采集到的画面通过图传发射发送到操作者头部运动随动系统上，用户头部设备上的图传接收将图像反馈到视频眼镜中，这样操作者就可以看到自己想要看到的画面。...

【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：飞机端设备上的摄像头首先采集无人机或航模前方的图像信息和音频信息，并经过图传发射，以无线形式传送给用户头部设备；步骤二：用户头部设备中的图传接收接收到无人机传输来的图像信息和音频信息后，将信号输出到视频眼镜上，视频眼镜将接收到的图像和声音信号呈现给操作者；步骤三：操作者根据无人机或航模发送回来的初始画面，结合检测需求进行头部运动，用户头部设备上的九轴姿态检测模块感应操作者头部运动姿态；步骤四：用户头部设备上的主控板通过通信接口从九轴姿态检测模块读取数据，然后利用卡尔曼滤波器对数据进行滤波；步骤五：卡尔曼滤波结束后得到的角度就是头部的姿态测量结果，并通过主控板进行信号处理和分析，即对姿态测量结果进行PPM编码；步骤六：PPM编码结束，用户头部设备上的发射器将头部运动姿态控制信号发射到飞机端设备；步骤七：飞机端设备上的接收机接收用户头部设备中发射器发射来的控制信号，通过内置的处理模块将头部运动姿态控制信号转换为控制云台舵机的控制角，输出到云台舵机，从而驱动云台进行相应的运动，实现摄像头和操作者头部的随动运动；步骤八：飞机端设备的摄像头将采集到的画面通过图传发射发送到操作者头部运动随动系统上，用户头部设备上的图传接收将图像反馈到视频眼镜中，这样操作者就可以看到自己想要看到的画面。2.如权利要求1所述的基于卡尔曼滤波和PPM编码的无线头追设计方法，其特征在于：所述步骤三中，主控板通过通信接口逐个获取九轴姿态检测模块的姿态数据，包括头部姿态角速度、加速度和磁偏角的三个数据监测，并将数据打包存入数组开始计算，通信的写入函数和读出函数根据三个传感器的不同地址进行处理，同时考虑传感器校正时产生的偏置参数，最后得到三个传感器分别测出的姿态信息，经过分别计算得出不同传感器判断出的角度信息，姿态检测结束。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑扬冰，薛晓，陈怡翔，杨磊，周学建，刘昊然，金学明，黄桥，
申请(专利权)人：南阳师范学院，
类型：发明
国别省市：河南;41