用于直升型飞行器的语音遥控系统及直升型遥控飞行器 |
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| 申请号 | CN201610105936.X | 申请日 | 2016-02-26 | 公开(公告)号 | CN105620737A | 公开(公告)日 | 2016-06-01 |
| 申请人 | 厦门大学嘉庚学院; | 发明人 | 周牡丹; 刘兴民; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了用于直升型 飞行器 的语音遥控系统，机载 飞行控制系统 包括第一微 控制器 、 姿态 仪模 块 、 电机 驱动模块、第一 无线通信模块 、第一显示器模块和机载电源模块；地面语音遥控系统包括第二 微控制器 、 语音识别 模块、第二无线通信模块、第二显示器模块和地面电源模块；语音识别模块用于实现非特定人声语音指令的识别并通过第二无线通信模块传送给飞行器；第二无线通信模块用于给飞行器发送语音识别结果并给地面回传飞行器飞行姿态数据；第二显示器模块用于显示飞行器的姿态；地面电源模块为地面语音遥控系统提供所需的供电 电压 和 电流 。本发明还公开了直升型遥控飞行器。本发明的升降与转向控制 算法 简单易行，算法量小,转向控制精准。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于直升型飞行器的语音遥控系统，包括机载飞行控制系统和地面语音遥控系统；其特征在于： |
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| 说明书全文 | 用于直升型飞行器的语音遥控系统及直升型遥控飞行器技术领域[0001] 本发明涉及一种遥控飞行器及其控制系统，尤其涉及一种用于直升型飞行器的语音遥控系统及直升型遥控飞行器。 背景技术[0002] 直升型飞行器的起飞靠飞行器上的上下两个主旋翼高速旋转实现。通过上下主旋冀按顺时钟和逆时钟方式旋转的方式使风往下打产生升力，同时抵消由于旋翼旋转造成的自旋。此外，飞行器可以利用上下旋翼的转速差，使飞行器产生自旋，从而可以使飞行器转向。通过控制尾旋翼正转或反转，从而抬高或拉低飞行器的尾部，使飞行器向前倾斜即向前飞或向后倾斜即向后飞。以三通道直升机为例可以实现升降、左右转向、前进后退等三组动作，以及这三组动作的组合。 [0003] 随着小型航拍器的兴起和流行，使用者对飞行器搭载航拍器的使用需求也逐渐增大。一般的飞行器出厂后，机械结构和重心已经固定，搭载上航拍器后可能导致飞行器的重心发生偏移，从而降低飞行器的可操控性和平衡性。 [0004] 直升型飞行器一般利用遥控器的手柄操作控制，飞行器执行的每一种动作都与遥控器上的几个功能手柄的动作相对应。如果要执行较复杂的飞行动作时，往往需要同时操作两个以上功能手柄并进行细微的调节才能完成，这就需要使用者都具有较高的协调能力和较熟练的操作水平。 [0005] 普通的直升机飞行器玩具配合的遥控器，往往只提供单纯的手柄操作功能。如果直升机玩具在空中飞行时与操控者的距离较远，操控者就无法单纯地凭借视觉获取直升机的飞行数据和状态。另外还有些飞行器玩具配备了PC端的飞行监控软件，用于实时掌握飞行器的飞行状态。但这样导致使用者在户外操控制飞行器时也必须依赖于PC机上的监控软件，使操控者的使用体验大打折扣。 发明内容[0006] 本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种用于直升型飞行器的语音遥控系统及直升型遥控飞行器。本发明的机载飞行控制系统采用惯性导航技术和智能闭环控制保障平稳飞行，并可以减少对机身重心的依赖性；地面的遥控器可利用语音发出较复杂的飞行指令，同时可在遥控器面板实时监测飞行器的飞行状态。 [0007] 1、 为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种用于直升型飞行器的语音遥控系统，包括机载飞行控制系统和地面语音遥控系统；所述机载飞行控制系统包括第一微控制器、姿态仪模块、电机驱动模块、第一无线通信模块、第一显示器模块和机载电源模块；姿态仪模块、电机驱动模块、第一无线通信模块、第一显示器模块和机载电源模块分别与所述第一微控制器为电连接；所述姿态仪模块用于采集飞行器姿态数据并传送给所述第一微控制器；所述电机驱动模块用于执行所述第一微控制器的命令以控制电机的转动方向和速度；所述第一无线通信模块用于接收地面遥控器的飞行指令，并给地面遥控器回传飞行数据；所述第一显示器模块用于显示飞行器的运行参数，便于使用者调试和操控；所述机载电源模块用于为所述机载飞行控制系统提供所需的供电电压和电流； 所述地面语音遥控系统包括第二微控制器、语音识别模块、第二无线通信模块、第二显示器模块和地面电源模块；所述语音识别模块、第二无线通信模块、第二显示器模块和地面电源模块分别和第二微控制器为电连接；所述语音识别模块用于实现非特定人声语音指令的识别，并把识别的结果通过所述第二无线通信模块传送给飞行器；所述第二无线通信模块用于给飞行器发送语音识别结果，即飞行器的动作指令，同时给地面回传飞行器的飞行姿态数据；所述第二显示器模块用于显示飞行器的姿态，以便于进行更直观的操控和实现良好的人机交互；所述地面电源模块为所述地面语音遥控系统提供所需的供电电压和电流。 [0008] 进一步的，所述姿态仪模块由数字加速度计、数字陀螺仪和电子指南针组成；数字陀螺仪用于检测飞行器机身运动的角速度；数字加速度计用于检测飞行器机身运动的角加速度；电子指南针用于检测飞行器机身与大地北的夹角。 [0010] 进一步的，所述姿态仪模块采用由L3G4200D三轴数字陀螺仪、ADXL345三轴数字加速度计和HMC5883L地磁传感器组成的九轴姿态传感器。九轴姿态传感器分辨率高、功耗小、外围电路少、通信方便。 [0011] 进一步的，语音识别模块采用LD3320芯片。LD3320芯片是速度快、稳定性高、识别精度高的非特定人声语音识别专用芯片。 [0012] 进一步的，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块均采用半双工NRF2401无线通信模块。半双工NRF2401无线通信模块传输距离远、稳定性高、功耗小的。 [0014] 为实现上述技术目的，本发明采取的另一种技术方案为：直升型遥控飞行器，包括飞行器，还包括上述所述的用于直升型飞行器的语音遥控系统。 [0017] 本发明有以下优点和效果：本发明的升降与转向控制算法简单易行，算法量小。在飞行器上安装有三个电机，两个大电机负责主旋翼的升降动力，小电机负责尾旋翼的平衡动力。由于大电机不需要正反转，故采用单通道PWM控制主旋翼电机的旋转速度。挑选特性相同的上下主旋冀的大电机，在给定相同的占空比的PWM控制时，经测试发现，飞行器基本没有产生自旋现象，因此不用对上下主旋冀的大电机的占空比进行调整和补偿。飞行器的飞行转向的控制方面不需要复杂的算法，只需要对上下主旋冀的PWM的占空比给定一定差值即可。 [0018] 本发明前进后退时的尾旋冀控制算法计算量小，实时性高，同时减少了飞行器对机身重心的依赖性。尾冀电机需要正反转和速度控制。正反转控制采用H桥电路，通过两通道PWM逻辑输入实现电机的正反转；同时利用PWM的占空比控制电机的转速，从而控制飞行器机体前进与后退。由于飞行器有前后重量的差异，飞行器在飞行时向前或向后会产生一定角度的倾斜，如果倾斜角度过大有可能会影响飞行的平衡性。针对这个问题，本发明通过姿态传感器回传的飞行姿态数据，对尾旋翼的旋转方向和旋转速度进行闭环PID控制，从而减小飞行器前后重量不均匀导致的机身失衡问题，解决飞行器对机身重心的依赖性问题。在尾旋冀电机的控制算法上，采用增量型PI控制算法，它具有计算量小、实时性高的优势。 [0019] 本发明使飞行器按照非特定人发出的语音指令执行飞行动作，提供良好人机语音交互。为减小飞行器本身噪音干扰和语音传送距离对语音识别效果的影响，将语音识别模块与飞行器本身分开，设计独立的地面手持语音控制遥控器。遥控器中的语音识别模块采用语音识别专用芯片 LD3320，该芯片内部集成语音识别处理器、Flash闪存和功放电路等，节省了外围电路，无需录音和训练就可以实现语音识别，识别准确率可以达到95%的精度。该芯片还支持MP3播放功能，第二微控制器只需将所需的语音指令写入芯片内部的指定寄存器，通过简单的串行或并行接口访问就可以实现声音识别和语音播放。使用者无需记忆繁杂的操控指令即可对飞行器的控制快速上手。 [0020] 本发明的主控芯片采用基于ARM cortex m3内核的STM32高速微控制器，运用语音识别技术和惯性导航技术等实现飞行器控制的智能化。由加速度计(ADXL345)、陀螺仪(L3G4200D)和电子指南针(HML5883L)组成的九轴姿态仪构建飞行器姿态航向参考系统(AHRS)。利用基于惯性导航技术的四元数算法解算飞行器的飞行姿态，利用智能PID控制技术实现飞行姿态的精确和稳定控制。地面遥控器的语音识别模块采用LD3320非特定语音识别芯片，通过第二微控制器编程实现语音识别，使飞行器能够按照操控者语音指令执行各种飞行运作，同时可以将飞行器的飞行参数实时地显示在遥控器的OLED显示器上，由于OLED器件本身的特性决定了它不需背光灯。OLED显示器支持SPI数字接口访问，只需4根信号线就可以对其进行操作，节省MCU管脚资源。相比LCD液晶屏，其独特的轻薄、省电、高亮度等优点，提供友好的人机互动界面。 [0021] 总之，本发明的升降与转向控制算法简单易行，算法量小,转向控制精准。本发明前进后退时的尾旋冀控制算法计算量小，实时性高，前进后退控制精准，并减少了飞行器对机身重心的依赖性。本发明的地面遥控系统采用语音识别模块，使飞行器能够按照非特定人发出的语音指令执行飞行动作，提供良好人机语音交互，使用者无需记忆繁杂的操控指令即可对飞行器的控制快速上手。本发明的遥控器显示屏采用OLED显示器，不仅提供友好的人机互动界面，还具有轻薄、省电、高亮度等优势。本发明的语音遥控的飞行器的飞行动作控制精准，遥控器的语音操控简单，给使用者提供优良的智能化与趣味化的体验。附图说明 [0022] 图1是声控飞行装置的整体设计框图。 [0023] 图2是机载飞行控制系统的流程图。 [0024] 图3是系统整体的架构示意图。 [0025] 图4是尾旋冀的增量式PI闭环控制的示意图。 [0026] 图5是地面语音遥控系统的流程图。 [0027] 图6 是语音识别的流程图。 [0028] 图7是飞行器的机械结构模型示意图。 [0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体的实施方式对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。 具体实施方式[0030] 实施例1参见图1至图7，本用于直升型飞行器的语音遥控系统，包括机载飞行控制系统和地面语音遥控系统；所述机载飞行控制系统包括第一微控制器、姿态仪模块、电机驱动模块、第一无线通信模块、第一显示器模块和机载电源模块；姿态仪模块、电机驱动模块、第一无线通信模块、第一显示器模块和机载电源模块分别与第一微控制器为电连接；所述姿态仪模块用于采集飞行器姿态数据并传送给第一微控制器；所述电机驱动模块用于执行第一微控制器的命令以控制电机的转动方向和速度；所述第一无线通信模块用于接收地面遥控器的飞行指令，并给地面遥控器回传飞行数据；所述第一显示器模块用于显示飞行器的运行参数，便于使用者调试和操控；所述机载电源模块用于为所述机载飞行控制系统提供所需的供电电压和电流；所述地面语音遥控系统包括第二微控制器、语音识别模块、第二无线通信模块、第二显示器模块和地面电源模块；所述语音识别模块、第二无线通信模块、第二显示器模块和地面电源模块分别和第二微控制器为电连接；所述语音识别模块用于实现非特定人声语音指令的识别，并把识别的结果通过第二无线通信模块传送给飞行器；所述第二无线通信模块用于给飞行器发送语音识别结果，即飞行器的动作指令，同时给地面回传飞行器的飞行姿态数据；所述第二显示器模块用于显示飞行器的姿态，以便于进行更直观的操控和实现良好的人机交互；所述地面电源模块为所述地面语音遥控系统提供所需的供电电压和电流。 [0031] 进一步的，所述姿态仪模块由数字加速度计、数字陀螺仪和电子指南针组成；数字陀螺仪用于检测飞行器机身运动的角速度；数字加速度计用于检测飞行器机身运动的角加速度；电子指南针用于检测飞行器机身与大地北的夹角。所述第一微控制器和第二微控制器均采用工作频率高、运行速度快、稳定性好、I/O数目多、片上外设丰富、功率损耗小的STM32F103RBT6芯片。所述姿态仪模块采用分辨率高、功耗小、外围电路少、通信方便的由L3G4200D三轴数字陀螺仪、ADXL345三轴数字加速度计和HMC5883L地磁传感器组成的九轴姿态传感器。语音识别模块采用速度快、稳定性高、识别精度高的非特定人声语音识别专用芯片LD3320。所述第一无线通信模块和第二无线通信模块均采用传输距离远、稳定性高、功耗小的半双工NRF2401无线通信模块。所述第一显示器模块和第二显示器模块均采用高亮度、低功耗、体积小、质量轻的0.96寸OLED显示屏。 [0032] 图1所示的机载飞行控制系统设置第一微控制器。所述第一微控制器连接有姿态仪模块、电机驱动模块、第一无线通信模块、第一显示器模块和电源模块；所述的姿态仪模块连接有加速度计、陀螺仪和电子指南针；所述的姿态仪模块采集仰俯角、横滚角、偏航角、地磁方位角等数据以IIC的通信方式传递给第一微控制器；所述的第一微控制器模块根据机身的姿态数据进行解算法，并依据控制指令执行闭环PID控制算法，运算结果以PWM控制的方式传递给所述的电机驱动模块，用于控制电机的转向和速度。所述第一无线通信模块以SPI的方式与第一微控制器进行双向通信，第一无线通信模块接收地面遥控器的飞行指令并发送给飞行器飞行状态数据给地面遥控器。所述的第一显示器模块与第一微控制器采用SPI方式通信，用于显示仰俯角、横滚角、偏航角、地磁方位角、飞行时间等重要参数。 [0033] 图1所示的地面遥控系统设置有第二微控制器。所述的第二微控制器连接语音识别模块、第二无线通信模块、第二显示模块和键盘模块。所述的语音识别模块把识别出的语音指令以SPI的方式传递给地面的第二微控制器模块；所述的第二微控制器再以SPI的通信方式把飞行器动作指令借助第二无线通信模块传送给飞行器上的第一微控制器；同时地面的第二无线通信模块以无线通信的方式接收机载的第一无线通信模块回传的飞行姿态数据；所述的第二显示器模块与第二微控制器采用SPI方式通信，用于显示仰俯角、横滚角、偏航角、地磁方位角、飞行时间等重要参数。所述的键盘模块以普通I/O方式与所述的第二微控制器模块连接,键盘上设置启动、复位、停止等功能键。 [0034] 图2所示为机载飞行控制的流程图。STM32的初始化包括：时钟初始化、GPIO初始化，IIC初始化和SPI初始化。设备初始化包括：姿态仪模块、OLED初始化，NRF2401无线通信模块初始化。设备的自检包括姿态仪模块和NRF2401无线通信模块的自检。姿态仪模块的自检方法是通过目标设备地址0x3C找到设备HMC58X3，再读取寄存器0X00的值是否等于0x70，相等则设备找到且正常；通过目标设备地址0xA6找到设备ADXL345，再读取寄存器0X00的值是否等于0xE5，相等则设备找到且正常；通过目标设备地址0xD2找到设备L3G4200，再读取寄存器0x20的值是否等于0x0f，相等则设备找到且正常；否则提示重新检查该模块；NRF2401无线通信模块的检测办法是向寄存器0x20写入五个0XA5，再从寄存器0x10读取五个数值，如果写入和读出的一样，则NRF2401无线模块工作正常；否则提示重新检查该模块。 机载的第一无线通信工作模式采用相对从机的方式，主要用于接收地面的第二无线通信模块的指令。加速度计、陀螺仪和电子指南针的数据经过四元数法解算与更新后，可得到正确的飞行姿态数据。尾旋冀的控制采用闭环增量式PI控制方式。 [0035] 图3是系统整体的架构示意图。本软件的编程采用模块化的方式，使每个功能模块独立于子程序，从而提高程序的可读性和可优化性。通过主函数循环逻辑调用，使系统正常工作。 [0036] 图4是尾旋冀的控制采用增量式PI控制方式示意图。以飞行器平放时姿态传感器传回的姿态数据作为基准，当飞行时产生的姿态与基准值的差乘于P值，再加上上次的差值乘于I值作为控制量增量，从而控制飞行状态的稳定。 [0037] 图5是地面语音遥控系统的流程图。STM32的初始化包括：时钟初始化、GPIO初始化，IIC初始化，SPI初始化和中断初始化。设备初始化包括：语音识别模块的初始化、OLED初始化，NRF2401无线通信模块初始化。设备的自检主要针对语音识别模块，通过检测LD3320芯片的内部寄存器0x35是否等于0x33、寄存器0x1b是否等于0x55、寄存器0xb30是否等于0xaa来判断语音识别模块是否与第二微控制器正确连接，如果相等则检测可以通过，否则无法执行后续程序。自检通过后，LD3320模块通过喇叭播放提示音，提醒用户可进行语音输入，并不断进行键盘扫描。当按下“语音输入键”后，启动语音识别程序，并通过第二无线通信模块通知飞行器即将有指令输入。语音通过咪头输入，经过语音识别模块识别后，经第二无线通信模块发送到飞行器上。 [0038] 图6是语音识别的流程图。语音识别芯片对采集到的声音进行频谱分析得到语音特征，由语音识别器将提取语音特征与识别条目列表中的内容进行对比，找出相似度最高的关键词语，并输出识别结果。LD3320语音芯片初始化设置后，第二微控制器不断地循环调用语音识别子程序，控制语音芯片正常工作。由于除了语音识别程序外，还有其它子程序可能需要调用，本设计采用子程序被调用一次进行两次语音识别的方法，以提高识别的实时性和准确性。 [0039] 为了减少无线通信传输数据量，本发明定义了简单通信模式和通信协议。第二无线通信模块相对飞行器上的第一无线通信模块来说，起主导作用，但受控于语音识别指令来切换传输模式，并发送语音识别的结果编号给飞行器。机载的无线通信工作模式采用相对从机的方式：初始化为接收模式，当接收到数据时则提示接收成功，并停留在接收模式，否则切换到发送模式；当处在发送模式时，发送成功并提示发送成功，否则又切换到接收模式，如此循环运行，听命于地面无线模块的工作模式，实现地面对机载的支配作用。本发明的无线通信协议采用传送编号的方式，当接收到该编号就执行该编号所对应的指令程序。具体说明如表1所示。 [0040] 表1实施例2 本直升型遥控飞行器，包括飞行器，飞行器包括平衡杆1、上主旋翼2、尾旋翼3、下主旋翼4、主轴5、起落架6，还包括实施例1所述的用于直升型飞行器的语音遥控系统。飞行器上主旋冀2电机和下主旋冀4电机采用大功率开关管IRFR1205构成的驱动电路，同时采用LP521-2进行光耦隔离。飞行器尾旋冀4电机采用小功率集成H桥电动驱动芯片L9110驱动,并串小电阻防止驱动电路对控制信号的干扰。相同之处不再详述。 |
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