馬振江 ，李漢林 ，董 悅 ，李夢(mèng)迪 ，張 鑫 ，2*，馬國(guó)利 ，2

（1．濱州學(xué)院 航空工程學(xué)院，山東 濱州 256600；2.山東省航空材料與器件工程技術(shù)研究中心，山東 濱州 256600）

1 概述

現(xiàn)在隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)的技術(shù)越來越高，反之其成本越來越低，這不僅讓無人機(jī)走進(jìn)了更多個(gè)人愛好者的手中，也讓它在許多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，無人機(jī)未來發(fā)展前景向好。

VR 眼鏡是利用頭戴式顯示設(shè)備將人對(duì)外界的視覺、聽覺封閉，引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。其顯示原理是左右眼屏幕分別顯示左右眼的圖像，人眼獲取這種帶有差異的信息后在腦海中產(chǎn)生立體感[1]。也就是佩戴上虛擬設(shè)備后，如同身臨其境，具有很高的沉浸性的特點(diǎn)。讓操作者完美領(lǐng)略空中的美景，好像飛在空中一般，給人們不一樣的感受。

如今技術(shù)發(fā)展飛速，5.8G 實(shí)時(shí)圖傳接收機(jī)，手機(jī)可當(dāng)顯示屏，兼容所有5.8G 圖傳發(fā)射器，通過手機(jī)APP，可雙屏顯示，放入VR 眼鏡可體驗(yàn)飛行，但無法真正以第一視角飛行。上帝的視角不僅僅顯示在手機(jī)或平板電腦上，還可以帶上VR 虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，以一種更加立體方式的感受上帝的視角，飛鳥一樣看整個(gè)世界。然而并不是全部的無人機(jī)都能連接VR 眼鏡實(shí)現(xiàn)第一人稱視角[2]。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 空中觀測(cè)站的總體設(shè)計(jì)

將STM32F103C8T6 作為控制核心，MPU6050 結(jié)合VR 技術(shù)，配合外部線路控制器，實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)空中美景的欣賞，通過無人機(jī)上攝像頭圖傳回的圖像經(jīng)VR 技術(shù)處理，讓操作者感覺自己的視線在無人機(jī)上，通過MPU6050 模塊，確追蹤快速與慢速動(dòng)作，使無人機(jī)上云臺(tái)跟隨操作者視線的改變而改變，使操作者感覺到“身臨其境”的逼真性?？蚣苋鐖D1 所示。

圖1 空中觀測(cè)站的硬件系統(tǒng)構(gòu)架圖

2.2 空中觀測(cè)站的硬件結(jié)構(gòu)

空中觀測(cè)站是一套基于無人機(jī)的擴(kuò)展設(shè)備，主要分為兩個(gè)部分，安裝在無人機(jī)上的智能云臺(tái)與VR 眼鏡。智能云臺(tái)分別為數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)處理，電源管理三個(gè)模塊。數(shù)據(jù)接收模塊為5.8G 圖傳和NRF24L01 無線射頻收發(fā)器分別傳輸圖像信號(hào)與舵機(jī)舵位信號(hào)。數(shù)據(jù)處理模塊為STM32F103C8T6 單片機(jī)，對(duì)實(shí)時(shí)傳來的舵機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行處理，通過pid 算法使得舵機(jī)旋轉(zhuǎn)更加平滑，用戶體驗(yàn)更好。電源管理模塊為舵機(jī)，數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)接收模塊提供穩(wěn)定的電壓。VR 眼鏡由顯示器，陀螺儀，數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)處理，電源管理模塊組成。手機(jī)可當(dāng)顯示屏，兼容所有5.8G 圖傳發(fā)射器，通過手機(jī)APP，可雙屏顯示。陀螺儀選用MPU6050，免除了組合陀螺儀和加速器時(shí)間軸之差的問題，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，為舵機(jī)舵位提供了準(zhǔn)確的參數(shù)。數(shù)據(jù)處理為STM32F103C8T6 單片機(jī)通過IIC通信協(xié)議將MPU6050 數(shù)據(jù)傳輸至下位機(jī)[3]。VR 眼鏡實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 VR 眼鏡實(shí)物圖

2.2.1 微控制器

采用STM32F103RCT6 單片機(jī)作為主控制芯片。STM32 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3 內(nèi)核。低功耗模式：STM32F103RCT6 支持3 種低功耗模式，從而在低功耗，短啟動(dòng)時(shí)間和可用喚醒源之間達(dá)到一個(gè)最好的平衡點(diǎn)。休眠模式：只有CPU 停止工作，所有外設(shè)繼續(xù)運(yùn)行，在中斷/事件發(fā)生時(shí)喚醒CPU；停止模式：允許以最小的功耗來保持SRAM 和寄存器的內(nèi)容。

2.2.2 MPU6050

MPU6050 為全球首例整合性6 軸運(yùn)動(dòng)處理軟件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀和加速器時(shí)間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間；MPU6050 的角速度全格感測(cè)范圍可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作；模塊傳輸可透過最高至400kHz 的IIC；MPU6050 不只是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單整合了3 軸陀螺儀和3 軸加速器，而且由I2C 端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整9 軸融合演算技術(shù)。

圖3 MPU6050 陀螺儀

2.2.3 VR 技術(shù)

VR 技術(shù)具有超越現(xiàn)實(shí)的虛擬性，虛擬現(xiàn)實(shí)。利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺感覺器官，使人不僅能夠讓人感覺到“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破空間、時(shí)間以及其他客觀限制。

2.2.4 實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位

實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位（DGPS），就是用兩臺(tái)接收機(jī)在兩個(gè)測(cè)站上同時(shí)測(cè)量來自相同GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào)，用以聯(lián)合測(cè)得動(dòng)態(tài)用戶的精密位置。其中一個(gè)檢測(cè)站坐標(biāo)信息是已知，基準(zhǔn)接收機(jī)就是設(shè)在該基準(zhǔn)點(diǎn)的GPS 信號(hào)接收機(jī)。動(dòng)態(tài)接收機(jī)，即GPS 信號(hào)接收機(jī)安設(shè)在運(yùn)動(dòng)載體上，基準(zhǔn)接收機(jī)和動(dòng)態(tài)接收機(jī)同時(shí)測(cè)量來自相同的GPS 衛(wèi)星的定位信號(hào)。利用基準(zhǔn)接收機(jī)所測(cè)得的三維位置信息并與該點(diǎn)已知三維位置信息進(jìn)行比較，便可得到該GPS 定位的三維坐標(biāo)信息的改正值。及時(shí)將GPS 三維坐標(biāo)信息的改正值發(fā)送給其他客戶的動(dòng)態(tài)接收機(jī)組，及時(shí)改正后面所檢測(cè)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置信息，這就被稱為實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位。實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位原理如圖4。

2.3 空中觀測(cè)站的軟件架構(gòu)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要為了實(shí)現(xiàn)對(duì)VR 眼鏡空間位置的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)回傳、解析生成控制信號(hào)控制舵機(jī)等功能。因此軟件設(shè)計(jì)由空中觀測(cè)站下位機(jī)固件和VR 眼鏡固件兩個(gè)部分組成。

（1）下位機(jī)固件。由于VR 眼鏡每10ms 發(fā)送一次20byte 的數(shù)據(jù)，下位機(jī)一方面要做好接收工作，保證數(shù)據(jù)不擁擠在串口接收緩沖區(qū)；另一方面也要實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前從串口讀到的最新數(shù)據(jù)。如果采用傳統(tǒng)多線程+鎖的機(jī)制是可以的，但是當(dāng)多線程中加入鎖勢(shì)必會(huì)影響程序執(zhí)行效率，通過綜合分析該問題最終抽象出一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)模型——自動(dòng)更新的環(huán)形棧[4]。

（2）VR 眼鏡固件。避免由電路噪聲，信號(hào)時(shí)延等系統(tǒng)誤差造成的偏移量過大，信號(hào)波動(dòng)較大導(dǎo)致舵機(jī)抖動(dòng)，延遲較大的問題。因此在軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮將數(shù)據(jù)接收單元接收到的數(shù)據(jù)設(shè)定閾值并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)取均值，從而減小數(shù)據(jù)的奇異點(diǎn)對(duì)舵機(jī)控制信號(hào)的影響，再通過pid算法優(yōu)化舵機(jī)控制信號(hào)，降低由系統(tǒng)延遲造成的誤差。

圖4 實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位原理圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

可以直接將智能云臺(tái)安裝置無人機(jī)架下方，將5.8G圖傳與NRF24L01 分別配對(duì)完成后即可帶上VR 眼鏡，體驗(yàn)沉浸式的空中觀測(cè)站。將STM32F103C8T6 作為控制核心，MPU6050 結(jié)合VR 技術(shù)，配合外部線路控制器，實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)空中美景的欣賞，通過無人機(jī)上攝像頭圖傳回的圖像經(jīng)VR 技術(shù)處理，讓操作者感覺自己的視線在無人機(jī)上，通過MPU6050 模塊，確追蹤快速與慢速動(dòng)作，使無人機(jī)上云臺(tái)跟隨操作者視線的改變而改變，使操作者感覺到“身臨其境”的逼真性。讀取 MPU6050 原始數(shù)據(jù)，對(duì) MPU6050 進(jìn)行讀寫傳感器數(shù)據(jù)就是對(duì)MPU6050的寄存器用 I2C 進(jìn)行讀寫，可以進(jìn)行快速與慢速動(dòng)作的捕捉，以及對(duì)動(dòng)作的處理，以及如何傳輸?shù)綗o人機(jī)上對(duì)云臺(tái)進(jìn)行控制，達(dá)到與地面上的視線一致。

4 結(jié)束語

模塊化設(shè)計(jì)，可以適配與各種款式的無人機(jī)。近年VR 技術(shù)開辟了曠闊的市場(chǎng)，而且無人機(jī)也是具有消費(fèi)潛力的市場(chǎng)，將兩者結(jié)合起來，具有極大消費(fèi)市場(chǎng)，前景光明。無人機(jī)越來越貼近人們的生活，廣泛應(yīng)用于各個(gè)場(chǎng)景中，而且無人機(jī)拍攝的景色非常迷人。兩者的結(jié)合使我們可以“親身”從空中領(lǐng)略一番。