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基于人机交互技术的飞行器控制方法.pdf

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基于 人机交互 技术 飞行器 控制 方法
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本 科 生 毕 业 论 文(设计) 题目 基于人机交互技术的飞行器控制方法 姓名/学号 刘星索/3110104778 指导教师 毛维杰 年级与专业 自动化 2011 级 所在院系 控制科学与工程学院浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 III 致 谢 时光荏苒,岁月如梭,我即将完成我的本科毕业设计,也要即将结束浙江大 学本科的学业。 本次设计项目受到了许多人的帮助与支持。 首先要感谢的是我的导师许超老师。在完成过程中,许超老师不仅在项目上 给予了许多专业性的指导与帮助,也关心着我的日常生活,未来发展。许超老师 严谨的治学态度,活跃的思维以及深厚的专业知识给我留下深刻的印象。 衷心感谢浙江大学给学生们提供了良好的科研环境,感谢智能控制研究所301 实验室所营造的良好的科研氛围,不论在实验物资还是学术资料上都给了我莫大 的支持。 特别感谢在毕设期间给予我很多帮助的朱疆城学长,叶长春学长,韩滔学 长,叶波学长,他们认真踏实的科研态度一直都是我的学习榜样。感谢一同参与 毕业设计的项目组成员秦通,王钟雷,翁一桢,刘昊俣,唐思远在毕设期间互相 的鼓励和督促,感谢我的室友李东轩,王波,周帅在我生活上的帮助。 最后,衷心感谢我的父母多年以来的养育之恩,是你们的理解与支持鼓励着 我不断前进,感谢你们无私的奉献,你们永远是我最爱的人。 刘星索 浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 IV 摘 要 本文主要介绍了基于人机交互的四旋翼飞行器的控制方法。主要完成了一种 基于Kinect 的手势控制四旋翼方案,具体设计了利用手势进行控制所需要的软 件和硬件平台,手势控制的方案,底层软件与上层软件。完成了一种基于 RGB 颜 色空间的运动目标检测与追踪,介绍了基于 RGB 颜色空间的运动目标检测与追 踪,串级控制方案的设计,实现了一套能够跟踪目标的 飞行器控制方案。最终在 前两部分的基础上,结合增强现实技术, 进行一款交互式控制的飞行器游戏。完 成了游戏的基本方案设计,虚拟场景构建,并与交互控制和目标追踪进行有效整 合。 关键词:四旋翼飞行器,人机交互,手势控制,实境增强 浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 V Abstract This paper describes the interactive control method based on the quadrotor aircraft. We mainly focus on completing a quadrotor Kinect gesture control scheme based on the specific design required the use of gesture control software and hardware platforms, gesture control scheme, the underlying software and upper layer software. The completion of a moving target based on RGB color space detection and tracking, introduced the RGB color space based on the moving object detection and tracking, cascade control scheme designed to achieve a set of objectives can track aircraft control program. Ultimate basis of the previous two parts, with augmented reality technology for an interactive game control aircraft. Complete the basic game design, construct virtual scene, and with the interactive control and target tracking for effective integration. Keywords: Quadrotor aircraft, human computer interaction, Gesture control complex, enhanced reality 浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 VI 目 录 !“ 绪论“#################################################################################################################################################“!! 1.1! 研究背景和意义!“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““!#! 1.2 研究现状!“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““!$! !“#“!体感交互技术简介$““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““$#! !“#“#自然交互设备的研究现状$“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““$#! !“#“%自然交互技术研究现状$“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““$另一方面,传统的人工机器人操作有一定的专业性的 要求,不适宜机器人技术的普及和整个产业的发展。 因此研制出一种操作更加简单, 学习成本更低的控制方法对于无人机在市场的普及有着非常重要的意义。 科技的进步带给人类越来越美妙的人机交互体验,但是,更智能,更自然的交 互方式,是人类永恒的追求,所以,体感技术在如今逐渐进入我们的视野。体感技 术让人们无需借助任何控制设备直接使用肢体动作与数字设备和环境互动,随心 所欲地操控。 所以, 将体感交互技术整合到四旋翼飞行器的控制必然会是之后交互 控制必然的趋势,也是本次毕业设计将着重涉及的领域。 同时, 本次毕业设计还将涉及到虚拟现实技术。 将虚拟现实技术与体感交互技 术相结合,实现一个体感交互游戏的设计。通过查阅资料发现,国内外研究对于体 感交互飞行器控制和飞行器虚拟现实两个领域都有着少量相关研究,但是对于将 两者结合起来的研究却仍处于空白状态,因此展开这方面的研究也是非常必要的, 同时也是本次毕业设计的一个创新点。 浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 2 1.2 研究现状 1.2.1体感交互技术简介 人机交互技术指通过计算机输入、 输出设备, 以有效的方式实现人与计算机对 话的技术。从计算机诞生时起,人机交互一直伴随着计算机的发展。如图1,1所 示,人机交互技术经历着一个从命令行操作到图形界面再到自然界面的发展过程。 图 1.1 人机交互技术发展历程 当前,人机交互方式处于从图形界面(Graphical User Interface,简称 GUI)向 自然用户界面 (Natural User Interface, 简称 NUI) 转变, 包括增强现实、 多点触摸、 虚拟现实、 语音识别、 体感操作和脑机接口等技术在内的新型人机交互技术相继诞 生和发展, 将交互技术从二维空间扩展到三维空间, 从接触式逐渐变为非接触式。 体感交互(Gestural Interaction)作为其中之一,在近几年也得到突飞猛进的发展, 其被称为继鼠标和多点触摸之后“第三次人机交互革命的原点”。 目前常见的体感交互设备主要有 Kinect、 Leap motion、 Wii、 iSec、 CyWee等。 这些体感交互设备经历了从利用特殊控制器至完全由人作为控制器的过程。 1.2.2 自然交互设备的研究现状 (1)国外体感设备研究现状 浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 3 现阶段,体感交互设备的研究,美国日本等国家起步较早,研究也相较于我国 有着优势。 美国微软, 日本任天堂等公司依靠自己的技术优势以及商业占有率率先 发展自己的体感交互标准,同时也促进开发者在这一领域的创新。 Kinect是微软在 2010年 6月 14日对 XBox360体感周边外设正式发布的名字。 如图 1.1, Kinect 有三个镜头,中间的镜头是 RGB 彩色摄影机,用来采集彩色图 像。左右两边镜头则分别为红外线发射器和红外线 CMOS 摄影机所构成的 3结构 光深度感应器,用来采集深度数据(场景中物体到摄像头的距离) [2] 。 图 1.2 Microsoft Kinect Leap Motion(如图 1.2)是面向 PC以及 Mac的体感控制器制造公司 Leap 于 2013年 2 月 27日发布的体感控制器。Leap motion 的主要原理是使用红外 LED+ 灰阶 Camera的方式采集数据,并生成 3D 数据。软件部分,计算效率 [3] 。Leap Motion 在算法上主要采用了 TBD(To-Be-Done/Defined/Determined)技术。该技 术的一大优点就是能够准确跟踪目标,但是缺点是对于内存有一定压力,而且由 于使用高帧率的双摄像头,对 CPU 的计算能力有着较高的需求。根据官方泄露 的资料来看,之后 Leap Motion 会通过数学模型的优化来降低 CPU 的占用资源。 浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 4 图 1.3 Leap Motion操作示意图 Wii 是日本任天堂公司 2006 年 11 月 19 日所推出的第 5 代家用游戏机。其中 Wii Remote(如图 1.3)作为 Wii 的主要遥控器,拥有指向定位及动作感应两项功 能。 前者能够让控制器像光线枪或鼠标一样控制屏幕上的游标, 后者可侦测三维空 间当中的移动和旋转,实现体感操作的功能。为了实现让 Wii 遥控杆在游戏中转 化为的球棒、鼓棒、方向盘、武器等虚拟工具,Wii 主要使用了两种技术,从而能 够判断位置、速度、加速度。 Wii Remote里面装有一枚六轴陀螺仪,可以感应 X、 Y、Z轴的直线运动,和绕着三个轴的转动 [4] 。另外,放在电视端的 Sensor Bar,左 右两端各有五个红外线 LED。Wii Remote里面的光学传感器,可以根据这些 LED 成像的位置、角度、加速度,计算用户距离电视的远近,上下左右移动的方向、距 离、速度。光学传感器的缺点在于只能计算缓慢移动的速度,并且红外光源也容易 受到周围的白炽灯、红外线遥控器的影响。 浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 5 图 1.4 任天堂公司 Wii Remote (2)国内体感设备研究现状 国内的公司在体感交互技术上起步较晚, 技术相对滞后。 从目前网上不多的资 料来看,国内主要有联想公司的 iSec 以及速位互动公司的 CyWee Z两款体感娱乐 设备。 iSec(中文名 “爱赛客”)为联想控股成员企业联合动力于 2011年 5月发布的 一款家庭运动娱乐机产品。 iSec为一款全身体感交互设备,支持通过 3D 摄像头的 人体动态识别和定位,支持语音、遥控器和无线游戏手柄输入。但其技术细节现在 尚未公布,从而无法窥探其工作原理。 CyWee Z为 CyWee 于 2007年推出的一款 3D 感应控制器(如图 1.4),拥有 独家 9轴动作感测的融合技术,是一台针对 PC和 TV 的体感控制器。根据其官方 的资料,该设备融合了动作传感器模块运算技术,包含了传感器的融合、陀螺仪抑 制、光学鼠标控制以及 CyWee的官方 API。具体技术细节同样也不曾公开。 图 1.5 CyWee Z 3D 感应控制器 浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 6 1.2.3自然交互技术研究现状 现阶段,人机交互技术主要有包括增强现实技术,多点触摸技术,虚拟现实技 术,语音识别技术,体感操作技术,脑机接口技术六个主要的技术发展方向。六种 方向分别代表了六种不同的技术领域, 并对不同的交互场景有着广泛的应用。 在本 节内容中,将主要对增强现实技术和体感操作技术研究现状进行简要描述。 (1)增强现实技术 增强现实技术采用以计算机技术为核心,生成逼真的视、听、触觉等一体化的 虚拟环境, 用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互, 相互 影响,从而产生身临其境的感受和体验。它既允许用户看到真实世界,同时也能看 到叠加在真实世界上的虚拟对象,它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系 统。 增强现实中的真实物体和虚拟物体与用户环境必须无缝结合在一起, 而且真实 物体和虚拟物体之间还要能够进行交互, 这样才能实现真正的虚实融合。 因此增强 现实系统具有虚实结合、实时交互、三维定向的新特点。 一个增强现实系统需要有显示技术、跟踪和定位技术、界面和可视化技术、标 定技术构成。 跟踪和定位技术与标定技术共同完成对位置与方位的检测, 并将数据 报告给增强现实系统,实现被跟踪对象在真实世界里的坐标与虚拟世界中的坐标 统一,达到让虚拟物体与用户环境无缝结合的目标。为了生成准确定位,增强现实 系统需要进行大量的标定,测量值包括摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对 象定位以及变形等。 增强现实主要有以下几种实现方法: Monitor-Based:在基于计算机显示器的增强现实实现方案中,摄像机摄取的 真实世界图像输入到计算机中, 与计算机图形系统产生的虚拟景象合成, 并输出到 屏幕显示器。用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。这种方法简单有效,可以方 便的带给用户具有沉浸感的图像。 光学透视式:头盔式显示器(Head-mounted displays,简称 HMD)被广泛应用于 虚拟现实系统中, 用以增强用户的视觉沉浸感。 增强现实技术的研究者们也采用了 类似的显示技术,这就是在 AR中广泛应用的穿透式 HMD。根据具体实现原理又 划分为两大类,分别是基于光学原理的穿透式 HMD(Optical See-through HMD)和 基于视频合成技术的穿透式 HMD(Video See-through HMD)。光学透视式增强现实浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 7 系统实现方案如图 1.6所示。光学透视式增强现实系统具有简单、分辨率高、没有 视觉偏差等优点,但它同时也存在着定位精度求高、延迟匹配难、视野相对较窄和 价格高等不足。 图 1.6 光学透镜式增强现实系统 视频透镜式:视频透视式增强现实系统采用的基于视频合成技术的穿透式 HMD(Video See-through HMD),实现方案如图 1.7所示。 图 1.7 光学透镜式增强现实系统 (2)体感操作技术 体感操作所运用到的技术主要有模式识别和图像处理两方面主要技术。模式 识别指通过计算机用数学方法来对表征事物或现象的各种形式的(数值的、文字的 和逻辑关系的)信息进行处理和分析,以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解 释的过程,是信息科学和人工智能的重要组成部分。图像处理一般指数字图像处 理。数字图像是指用工业相机、摄像机、扫描仪等设备经过拍摄得到的一个大的 二维数组,该数组的元素称为像素,其值称为灰度值。图像处理技术的一般包括 图像压缩,增强和复原,匹配、描述和识别 3个部分。浙江大学本科生毕业论文 基于人机交互技术的飞行器控制方法 8 !“# $ K 最近邻分类法:K-Nearest Neighbor,简称 KNN,是一个理论上比较成熟 的方法,也是最简单的机器学习算法之一。该方法的思路是:如果一个样本在特 征空间中的 k个最相似(即特征空间中最邻近)的样本中的大多数属于某一个类 别,则该样本也属于这个类别。KNN算法中,所选择的邻居都是已经正确分类的 对象。该方法在定类决策上只依据最邻近的一个或者几个样本的类别来决定待分 样本所属的类别。 KNN方法虽然从原理上也依赖于极限定理,但在类别决策 时,只与极少量的相邻样本有关。由于 KNN方法主要靠周围有限的邻近的样 本,而不是靠判别类域的方法来确定所属类别的,因此对于类域的交叉或重叠较 多的待分样本集来说,KNN方法较其他方法更为适合。 贝叶斯分类法:贝叶斯分类器的分类原理是通过某对象的先验概率,利用贝 叶斯公式计算出其后验概率,即该对象属于某一类的概率,选择具有最大后验概 率的类作为该对象所属的类。也就是说,贝叶斯分类器是最小错误率意义上的优 化。目前研究较多的贝叶斯分类器主要有四种,分别是:Naive Bayes、TAN、 BAN 和 GBN。 主成分分析法:主成分分析是采取一种数学降维的方法,找出几个综合变量 来代替原来众多的变量,使这些综合变量能尽可能地代表原来变量的信息量,而 且彼此之间互不相关。这种将把多个变量化为少数几个互相无关的综合变量的统 计分析方法就叫做主成分分析或主分量分析。主成分分析所要做的就是设法将原 来众多具有一定相关性的变量,重新组合为一组新的相互无关的综合变量来代替 原来变量。 主要的图像识别有以下常用方法: 图像变换:由于图像阵列很大,直接在空间域中进行处理,涉及计算量很 大。因此,往往采用各种图像变换的方法,如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余 弦变换等间接处理技术,将空间域的处理转换为变换域处理,不仅可减少计算 量,而且可获得更有效的处理(如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理)。 目前新兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性,它在图像处 理中也有着广泛而有效的应用。 图像分割:图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像 中有意义的特征部分提取出来,其有意义的特征有图像中的边缘、区域等,这是 进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提取、区 域分割的方法,但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此,对图像分 割的研究还在不断深入之中,是目前图像处理中研究的热点之一。 图像描述:图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像 可采用其几何特性描述物体的特性,一般图像的描述方法采用二维形状描述,它 有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描
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