基于Kinect传感器的四旋翼无人机运动控制研究

PAGE11-国家级大学生创新创业训练计划立项申请书（2015版）项目编号：项目名称：基于Kinect传感器的四旋翼无人机运动控制研究项目类别创新训练项目□创业训练项目□创业实践项目项目申请人：所在院系：自动化工程学院联系电话：申请日期：2015年10月7日

填表说明申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。课题组成成员由3-5名同学和1-2位指导教师组成，其中，一名同学作为项目负责人。项目结题时间必须是在项目负责人毕业之前。立项申请书要求按顺序逐项填写，要实事求是，表达明确、严谨，空缺项填“无”。表格可续页，经费预算条目可添加行，申请者及参与人不足5名可将多余表格删除。项目编号由创新教学管理委员会填写。格式要求：表格中的字体小四号楷体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸打印，于左侧装订成册。在项目实施过程中，项目组需撰写《大学生创新活动计划周记》，并记录每位成员的工作进展。有关问题可通过邮件咨询，邮箱：suepsjk@126.com二、研究方案（创新训练项目）研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标使四旋翼无人机能够根据操作者的不同手势做出相应的起飞，停止，转弯等一系列动作。二、研究内容（1）Kinect传感器的静态识别。研究静态识别时，采用Hu矩阵，结合神经网络算法准确的识别出手势。（2）研究动态识别时，利用Kinect传感器获取操作者的骨骼节点数，并采用DTW算法进行模板匹配，寻找它和已建好模板指尖的最优匹配，进而准确识别手势内容。（3）无线数传模块传输控制命令。实现将手势识别的结果也就是无人机的控制命令，通过无线数传模块发送给四旋翼无人机控制器,达到控制无人机动作的目的。三、拟解决的关键问题（1）能利用Kinect传感器的进行准确的手势识别；（2）能把手势识别的结果发送给无人机，对无人机进行控制。项目描述（对项目基本情况进行阐述）；项目市场前景分析及项目论证（包括市场调研、发展潜力、预期效益等）；项目人员管理及运营构想；项目运营构想及具体实施方案。通过对现有比较成功的Kinect传感器对四旋翼无人机的运动控制实例进行研究借鉴，综合试用多种手势识别研究方法，实现在已知环境和未知环境下的实验成功。项目市场前景分析及项目论证（包括市场调研、发展潜力、预期效益等）市场调研。无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多个领域。据2015年中国无人机发展现状及前景分析预计，在航空装备无人化、小型化和智能化的趋势下，未来20年我国民用无人机需求有望达到460亿元。近年来，随着科学技术的发展，Kinect传感器技术已得到广泛应用，遍及工业、国防、农业、宇宙空间、海洋开发、抢险救灾、医疗康复、家庭服务、原子能电站的维护等领域。相比消费型无人机，工业型无人机续航时间长，载重量大，主要应用于电力巡线、农业植保、森林防火、灾害搜救、警用巡视、地图测绘等领域。传统的人工电力巡线不仅效率低下，而且面临强辐射、自然灾害等安全问题，而无人机巡线一次可以飞行十几公里，既提高了效率，又降低了人工成本。而且无人机搭载热成像设备，实时传输数据及时处理分析，实现了信息化、智能化巡检。发展潜力。Kinect传感器的手势识别将成为未来市场炙手可热的领域，世界各国都在抢占先机，以期赢在“第一起跑线”。时代在发展，社会在进步，对智能的要求也越来越高，实现自然的人机交互是未来发展的一个必然的方向，中国潜在的巨大市场需求也初露端倪。随着各国武器越来越先进，无人机必然大有用途，那么，让无人机越来越智能是值得我们好好研究的。预期效益。根据Teal集团这一权威研究机构预计，到2023年无人机市场将达到115亿美元。而对于军用和民用的市场占比，TealGroup给出了民用市场更加乐观的判断(大约为年化复合增速为9%，到2023年达到15亿美元，当然TealGroup在报告中特别提到了Google、Facebook和Amazon等高科技巨头给民用军用无人机产业带来的潜在的现在难以量化预判的颠覆性变化)。项目人员管理及运营构想对于本项目人员管理，本课题组团队研究人员结构合理，包括一名指导老师和六名学生，其中指导老师连续几年指导大学生科技创新活动，积累了丰富的经验，同时对机器人研究、无人机的运动控制算法有专业的理论支持和实践经验。五名学生都是自控专业的学生，专业知识扎实，对本课题有一定的掌握和独特的见解。其中指导老师和学生分工明确，指导老师负责大方向的把握，一名学生负责搭建所需的无人机模块。两名学生负责查找资料，找出Kinect传感器的使用方法以及其注意事项等相关事宜，两名学生负责图像处理这一块的算法研究，两名学生负责研究DTW算法，找出最优匹配，一名学生负责无线数传这一模块，把获得的手势识别指令传输给无人机，实现对无人机的运动控制。运营构想及具体实施方案运营构想在进行了市场调研以及查阅一些关于无人机以及Kinect传感器在当下社会的发展等相关资料后，深刻体会到基于Kinect传感器的手势识别很有发展前景。在军事、国防、农业、宇宙空间、海洋开发、抢险救灾、医疗康复、家庭服务、原子能电站的维护等领域都有所涉及。3.本项目的特色与创新之处(1)使用Kinect传感器，用手势识别的方法控制无人机的起飞以及飞行方向。摆脱了以往鼠标键盘以及遥控器对无人机的控制。(2)采用DTW算法进行模板匹配，建立多个模板进行最优匹配。以提高手势识别的准确度和精确性。4.计划进度（按学期列出计划，注意项目完成的关键节点）本项目计划用1年时间完成，具体计划如下：2015年-2016年(1)资料的整理收集，掌握Kinect传感器的基本原理与基本控制方法。(2)研究Kinect传感器的手势识别达到最佳的图像识别效果，控制算法的研究分析将其实现。对无人机进行控制实验研究。2015年-2016年通过Kinect传感器对无人机的控制实验研究，对获得参数进行调整，以期改进控制算法，使无人机完成预定的任务。完成研究计划，撰写结题报告。三、研究基础1.与本项目有关的研究工作积累和已具备的条件研究工作积累申请者的指导老师张国伟在移动机器人的研究方面积累了较为丰富的经验。多次指导学生参与机器人的研究，同时带队参加过全国性的机器人大赛，这方面拥有雄厚的基础和经验，并且张国伟老师在控制算法研究中，取得了一些阶段性突破。在张国伟老师的指导下，申请者在训练实践课中，已进行过与本项目有关的训练。具备的实验条件申请者所在的上海电力学院自动化学院研究室为老师和做科研的学生免费开放，同时，申请者中都有自己的计算机可供使用。2.尚缺少的条件和拟解决的途径缺乏相关的实验器件，包括Kinect传感器，四旋翼无人机，单片机等。预期研究成果1预期的项目成果、考核指标及提供成果的形式（成果形式：论文、作品展示、研究或调研报告、商业计划书、销售业绩、用户报告等）(1)先进控制算法源程序。(2)搭建无人机实体模型(3)视频成果展示(手势控制无人机运动)2.项目完成后的经济、社会效益(1)该类研究可用于军事方面,利用无人机获取敌方情报、地面战场侦察、监视、近距离空中巡逻、电子战、地面通信等方面，民用方面自然灾害之后的搜索与救援，巡逻监视和目标跟踪，缉毒和反走私，高压线、大桥、水坝和地震后路段的检查，航拍和图像传输等。（2）Kinect传感器手势识别已是当前一个大的研究方向，实现真正的人机交互，此外，不仅是无人机，在以后的机器人研究方面也是势在必行的。因此，研究Kinect传感器对无人机的控制具有重大的社会意义和经济意义。经费预算（元）12000预算科目金额（元）计算根据及理由1.资料费1000书刊杂志、电子资料费用等2.调研费2000复印、打印费等3器材购买费5000Kinect传感器，无人机等4.实验材料费2000软件、结构材料费等5.其他费用2000其他与本项目有关的费用项目学生信息（含立项负责人）学生姓名学号院系名称年级联系电话电子邮箱项目分工项目负责人个人研究兴趣、特长学生（签名）：年月日学生姓名学号院系名称年级联系电话电子邮箱项目分工个人研究兴趣、特长学生（签名）：年月日学生姓名学号院系名称专业年级联系电话电子邮箱项目分工个人研究兴趣、特长学生（签名）：年月日学生姓名学号院系名称专业年级联系电话电子邮箱项目分工个人研究兴趣、特长学生（签名）：年月日学生姓名学号院系名称专业年级联系电话电子邮箱项目分工个人研究兴趣特长学生（签名）：年月日指导教师意见(对立题、经费预算、项目可行性等签署具体意见)签名年月日项目诚信承诺本项目全体成员慎重承诺，该项目研究将遵守学校有关规定，恪守学术规范，不抄袭他人成果，不弄虚作假，诚信做学问和研究，按项目研究进度保质保量完成各项研究任务。如有违规行为，愿承担一切责任，接受学校的处理。项目组成员签名：指导教师签字：年月