[發(fā)明專利]基于隔空手勢和超聲波觸覺反饋的多無人機操控系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109634300B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設計）人: 陽佳;代京;王琳娜;王立偉;袁本立;王振亞;程奇峰;李旗挺;宋盛菊;雍穎瓊;劉冬;杜立超;邵秋虎;海爾翰;潘健
• 申請（專利權）人: 中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

1.基于隔空手勢和超聲波觸覺反饋的無人機操控系統(tǒng)，其特征在于：包括體感控制器、超聲波相控陣、無人機主控計算機；

無人機主控計算機通過體感控制器從不同角度實時捕獲手勢畫面并進行識別，判斷出手勢類別；

無人機主控計算機根據接收的手勢類別發(fā)送對應的控制指令至無人機，并接收無人機的成功響應反饋信息；

無人機主控計算機接收到成功響應反饋信息后，將根據識別的手勢類別確定的觸覺感知點作為焦點坐標下發(fā)給超聲波相控陣；

超聲波相控陣根據焦點坐標通過相位延遲的方式將發(fā)射調制的超聲波在焦點處聚焦，使人獲得觸覺感知以表明當前手勢任務已順利完成；

所述的超聲波相控陣包括換能器陣列、放大器模塊和控制模塊；

換能器陣列由換能器二維數組組成，放大器模塊的數量與換能器數量一致，

控制模塊產生多路矩形波，并利用低頻脈沖信號對其進行調制，每路調制波經放大器模塊進行放大后一一輸入至換能器；

控制模塊根據接收到的焦點坐標以及換能器的位置計算每個換能器的相位延時，根據計算的相位延時控制換能器發(fā)射調制的超聲波，超聲波在焦點坐標處完成聚焦，使其在人手可檢測到的頻率范圍內產生振動；

所述的控制模塊采用CPU+FPGA的控制結構，CPU與無人機主控計算機通信；FPGA內集成配置解析模塊、波形輸出系統(tǒng)控制和波束成型器模塊；配置解析模塊解析無人機主控計算機下發(fā)的配置，生成多路陣源的相位信息和波形參數，下發(fā)給波形輸出系統(tǒng)控制；波形輸出系統(tǒng)控制將相位信息、波形參數對應的調制信息及控制信息分發(fā)到不同的通道；波束成型器模塊根據相位信息、調制信息及控制信息產生相應的波形；

換能器驅動電壓范圍設計為5-20Vp-p；所述矩形波的頻率40kHz，利用1-600Hz脈沖信號進行調制；所述的無人機主控機通過超聲波相控陣動態(tài)庫接口函數設置焦點坐標、函數波形選擇、通道選擇、設置脈沖個數、設置占空比和輸入電壓、調制信號的選擇和啟停相控陣；

所述的體感控制器定義的手勢功能，具體包括每一幀獲取掌心位置、指尖位置、手掌法向量、指尖方向、指尖速度及手指畫圈、平移揮手、向前屏幕敲擊，向下按鍵敲擊和自定義手勢；

所述的體感控制器具體通過下述方式對從不同角度實時捕獲的手勢畫面進行處理：

建立自定義手勢庫，該庫中存儲無人機控制過程中使用的手勢樣本；

通過實時獲取的兩幀圖像的幀差，確定指尖特征向量；根據最近鄰法則對當前手勢進行初步分類；

根據初步分類結果，從自定義手勢庫中獲取同類樣本使用歐式距離進行相似度計算，得出平均歐式距離；

將上述平均歐式距離與識別閾值進行比較，若平均歐式距離超出識別閾值，則當前手勢類別錯誤，不對該手勢進行后續(xù)處理；否則認為手勢類別正確。

2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：在無人機主控計算機上設置圖形用戶界面，圖形用戶界面上顯示與無人機主控計算機接收的手勢類別對應的指令按鈕。

3.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述的體感控制器通過紅外LED燈、攝像頭對設備上方40毫米到600毫米的空間，呈倒立四棱錐體狀空間內的動態(tài)指尖手勢和手掌動作進行捕捉。

4.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述的識別閾值通過下述方式確定：

采集大量的手勢樣本數據并進行數據預處理，提取出軌跡點：所述的提取為找出指尖從靜止狀態(tài)到運動狀態(tài)再到靜止狀態(tài)過程中指尖的位置并記錄下來；

將提取的軌跡點進行優(yōu)化處理制作成手勢模板；

對上述手勢模板進行手勢訓練，確定識別閾值。

5.多無人機在線管理平臺，其特征在于：權利要求1-4之一所述的基于隔空手勢和超聲波觸覺反饋的無人機操控系統(tǒng)建立在該多無人機在線管理平臺上，采用多線程技術實現主機對體感控制器、超聲波相控陣和對無人機的控制。

6.根據權利要求1所述的基于隔空手勢和超聲波觸覺反饋的無人機操控系統(tǒng)實現的多無人機操控方法，其特征在于通過下述方式實現：

從不同角度實時捕獲手勢畫面并進行識別，根據接收的手勢類別發(fā)送對應的控制指令至無人機，當接收到無人機的成功響應反饋信息后執(zhí)行后續(xù)步驟，否則停止當前處理；

根據識別的手勢類別確定的觸覺感知點作為焦點坐標；

產生多路矩形波然后利用低頻脈沖信號對每路矩形波進行調制，得到調制波；

對每路調制波進行放大；

將放大后的每路調制波進行發(fā)射，產生調制的超聲波在空中傳播，并在焦點坐標處完成超聲波聚焦，產生超聲振動，使人獲得觸覺感知以表明當前手勢任務已順利完成。