基于Leap Motion的體感遙控小車(chē)設(shè)計(jì)

盧佳偉，張秋菊

（江南大學(xué) 機(jī)械工程及其自動(dòng)化系，無(wú)錫 214122）

隨著微軟Kinect的發(fā)展和普及，深度攝像頭吸引了越來(lái)越多人的注意，各類(lèi)3D體感設(shè)備也是層出不窮[1]。其中，Kinec和Leap Motion均使用光學(xué)傳感器進(jìn)行動(dòng)作采集與跟蹤，前者的捕捉對(duì)象是全身，難以保證快速地估計(jì)手部姿態(tài)[2-3]。而后者Leap Motion采用雙目紅外攝像頭成像原理可快速構(gòu)建手在三維空間的運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)時(shí)獲取它們的位置、方向和部分手勢(shì)信息，其追蹤精度高達(dá)0.01 mm，且價(jià)格低廉易于普及[4-5]。在此，通過(guò)對(duì)Leap Motion系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)基本的動(dòng)作、手勢(shì)來(lái)控制遙控小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)人體簡(jiǎn)單的動(dòng)作、手勢(shì)來(lái)控制遙控小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1 遙控小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)影響到遙控小車(chē)的靈活性，快速性和抗干擾等，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。從機(jī)構(gòu)的角度講，遙控小車(chē)的整體機(jī)構(gòu)包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)和主體框架2部分[6]。動(dòng)力機(jī)構(gòu)如圖1所示，由直流伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、L型支架、軸承座和定位底板組成。其中，電機(jī)采用Maxon RE40直流伺服電機(jī)，配備14∶1的減速器，扭矩1.25 N·m。傳動(dòng)軸需要根據(jù)傳遞的扭矩和所受彎矩來(lái)加工，通過(guò)梅花撓性聯(lián)軸器將電機(jī)的輸出軸與傳動(dòng)軸進(jìn)行連接，將電機(jī)支架與軸承座全部嵌入定位底板的凹槽內(nèi)，加工及裝配過(guò)程要確保電機(jī)軸與傳動(dòng)軸的同軸度。整體框架呈正三角形配置，如圖2所示，3個(gè)全向輪呈120°均勻分布，定位底板與整體框架采用螺栓連接。

圖1 遙控小車(chē)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)Fig.1 Remote control car power mechanism

圖2 遙控小車(chē)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Remote control car overall structure

2 遙控小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體控制系統(tǒng)包括上層PC控制系統(tǒng)和底層ARM控制系統(tǒng)。

上層PC控制系統(tǒng)通過(guò)PC實(shí)時(shí)處理Leap Motion傳感器采集到的手勢(shì)數(shù)據(jù)，采用Visual studio作為L(zhǎng)eap Motion傳感器的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)程序，在上位機(jī)上進(jìn)行編譯、調(diào)試與處理，并將其轉(zhuǎn)化為控制指令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)將其發(fā)送給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制。

底層ARM控制系統(tǒng)以STM32F407ZGT6作為主MCU，用于控制遙控小車(chē)具體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括準(zhǔn)確的行駛與定位。主MCU與3個(gè)直流伺服驅(qū)動(dòng)器之間可建立CAN通訊。同時(shí)，若要實(shí)現(xiàn)精確行走還需選擇合適的定位傳感器，在此采用的定位傳感器模塊可與主MCU建立RS232通訊，把獲得的位置與姿態(tài)角信息發(fā)送給主MCU。整體控制流程如圖3所示。

圖3 控制流程Fig.3 Control flow chart

3 Leap Motion工作原理及控制手勢(shì)設(shè)計(jì)

3.1 Leap Motion數(shù)據(jù)跟蹤列表

Leap Motion傳感器遵循右手笛卡爾直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于傳感器的中心，坐標(biāo)軸X，Y，Z的方向如圖4所示。

圖4 Leap Motion直角坐標(biāo)系Fig.4 Leap Motion cartesian coordinate system

Leap Motion系統(tǒng)以一個(gè)數(shù)據(jù)集合描述在其視野中的手、手指或桿狀物體。每幀數(shù)據(jù)包含1個(gè)基本的數(shù)據(jù)跟蹤列表。在Leap Motion中，1個(gè)Frame類(lèi)對(duì)象代表1個(gè)數(shù)據(jù)幀，F(xiàn)rame類(lèi)的成員函數(shù)hands（）返回1個(gè)容器——Handlist類(lèi)對(duì)象，它包含了若干個(gè)Hand類(lèi)的對(duì)象，每個(gè)Hand類(lèi)對(duì)象包含了Leap Motion檢測(cè)到的1只手的全部信息[7]。

3.2 控制手勢(shì)的設(shè)計(jì)

Leap Motion體感傳感器的掃描頻率高達(dá)290幀/s，通過(guò)上一幀與當(dāng)前幀的相關(guān)參數(shù)的變化趨勢(shì)可以計(jì)算出相應(yīng)的手勢(shì)。Leap Motion通?？梢垣@取比較簡(jiǎn)單的手勢(shì)，比如畫(huà)圓、揮手、點(diǎn)擊鼠標(biāo)、點(diǎn)擊屏幕等動(dòng)作，如圖5所示。但是如果手勢(shì)過(guò)于復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象，出現(xiàn)漏檢就會(huì)造成對(duì)遙控小車(chē)的控制延遲。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免復(fù)雜的手勢(shì)[8]。體感遙控小車(chē)對(duì)應(yīng)的控制手勢(shì)見(jiàn)表1。

圖5 典型的手勢(shì)Fig.5 Typical gestures

表1 控制手勢(shì)的確定及相應(yīng)的變化參數(shù)Tab.1 Determination of controls gestures and corresponding change parameters

4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的構(gòu)建

整體控制系統(tǒng)包括上層PC控制系統(tǒng)和底層ARM控制系統(tǒng)，采用ATK-ESP8266模塊構(gòu)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。其中，底層ARM控制系統(tǒng)作為服務(wù)器端，初始化時(shí)首先檢測(cè)ATK模塊是否在線(xiàn)，然后只需向其發(fā)送相應(yīng)的指令，即可開(kāi)啟服務(wù)器模式并處于監(jiān)聽(tīng)模式以等待客戶(hù)端的連接。圖6所示為ATK模塊與MCU的連接關(guān)系，兩者之間采用UART通訊。

圖6 ATK-ESP8266與MCU連接關(guān)系Fig.6 ATK-ESP8266 connection with the MCU

5 平面定位系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)遙控小車(chē)的準(zhǔn)確行走，就必須時(shí)刻獲取其自身的位置和姿態(tài)信息，只有這樣才能判定出是否偏移目標(biāo)位置并做出相應(yīng)的調(diào)整。如圖7所示為采用的定位模塊，2個(gè)全向輪相互垂直，與全向輪同軸有2個(gè)編碼器，安裝板與輪子之間采用滑塊導(dǎo)軌連接即可時(shí)刻保證輪子與地面的有效接觸[9]。

圖7 平面定位傳感器Fig.7 Plane positioning sensor

該定位模塊可以與主MCU建立RS232通訊，直接將其獲得的位置和姿態(tài)角信息發(fā)至主MCU。如圖8所示X軸與Y軸的交點(diǎn)即為定位傳感器的定位中心。如圖9所示，由于平面定位傳感器的定位中心與遙控小車(chē)的中心不重合，因此需要將定位傳感器的中心轉(zhuǎn)換到遙控小車(chē)的中心。定位傳感器的Y軸與遙控小車(chē)的Y軸重合，故轉(zhuǎn)換公式為

式中：XO1，YO1為遙控小車(chē)的中心坐標(biāo)；XO2，YO2為定位模塊的中心坐標(biāo)；L為遙控小車(chē)坐標(biāo)原點(diǎn)與定位模塊坐標(biāo)原點(diǎn)之間的距離。

圖8 定位中心（俯視圖）Fig.8 Location center

圖9 定位中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換Fig.9 Positioning center coordinate transformation

6 閉環(huán)反饋算法的建立及試驗(yàn)結(jié)果

6.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

在確定了遙控小車(chē)的實(shí)時(shí)位置與姿態(tài)角后，有必要確定遙控小車(chē)的中心速度與3個(gè)輪子之間的轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了構(gòu)建遙控小車(chē)的閉環(huán)控制算法需要對(duì)整體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，如圖10所示，3個(gè)全向輪呈正三角形分布。

圖10 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.10 System kinematics model diagram

根據(jù)底盤(pán)3個(gè)全向輪與底盤(pán)運(yùn)動(dòng)中心的幾何關(guān)系，得到底盤(pán)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

6.2 閉環(huán)控制算法的建立

遙控小車(chē)前進(jìn)的過(guò)程中會(huì)發(fā)生實(shí)際軌跡與目標(biāo)軌跡偏離的現(xiàn)象，偏移的原因是因?yàn)樾≤?chē)自身的姿態(tài)角與設(shè)定的目標(biāo)姿態(tài)角發(fā)生了偏移，實(shí)際位置脫離了目標(biāo)直線(xiàn)。因此必需建立姿態(tài)角閉環(huán)和位置閉環(huán)控制算法。

姿態(tài)角閉環(huán)就是在行走的過(guò)程中，為遙控小車(chē)添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)速度，以克服其姿態(tài)的偏轉(zhuǎn)，使姿態(tài)角回到初始值。該旋轉(zhuǎn)速度需要與前進(jìn)速度進(jìn)行疊加。姿態(tài)角閉環(huán)的調(diào)整原理如圖11所示，假設(shè)姿態(tài)角度的誤差為φ，為遙控小車(chē)添加一個(gè)右旋的角速度，角速度的值由PID算法計(jì)算得出。此時(shí)，遙控小車(chē)的前進(jìn)方向就變?yōu)槌跏冀o定的角度在加上該偏移角度φ。

在底盤(pán)前進(jìn)的過(guò)程中，為了保持行進(jìn)的軌跡為一條直線(xiàn)，需要引入位置閉環(huán)，以克服行進(jìn)過(guò)程中的干擾。位置閉環(huán)如圖12所示，假定，Vx為給定的前進(jìn)速度，Vy為底盤(pán)的總速度，V為調(diào)節(jié)量，此時(shí)底盤(pán)的中心點(diǎn)與目標(biāo)直線(xiàn)的距離為D。

圖11 姿態(tài)角閉環(huán)的調(diào)整方法Fig.11 Adjustment method of attitude angle closed loop

圖12 位置閉環(huán)的調(diào)整方法Fig.12 Location closed loop adjustment method

閉環(huán)直線(xiàn)算法需要獲取目標(biāo)速度、目標(biāo)直線(xiàn)角度、目標(biāo)姿態(tài)角度、實(shí)際坐標(biāo)及實(shí)際角度等參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)可計(jì)算出實(shí)際位置與期望直線(xiàn)的距離，通過(guò) PID算法，計(jì)算得到對(duì)距離和姿態(tài)的調(diào)節(jié)量，將最終計(jì)算結(jié)果分解到3個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上，最后通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)層函數(shù)向電機(jī)發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)到直線(xiàn)距離以及底盤(pán)角度的負(fù)反饋[10]。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果

遙控小車(chē)在走三角形時(shí)，根據(jù)定位模塊獲取的位姿參數(shù)繪制出位置曲線(xiàn)，如圖13所示。由圖可見(jiàn)，實(shí)際軌跡與理想軌跡大致擬合，誤差在1 cm范圍內(nèi)。在三角形的3個(gè)頂點(diǎn)有一個(gè)調(diào)整坐標(biāo)點(diǎn)的過(guò)程，只有遙控小車(chē)準(zhǔn)確地到達(dá)了目標(biāo)點(diǎn)才會(huì)開(kāi)始執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。因此，該遙控小車(chē)滿(mǎn)足使用要求，同時(shí)也驗(yàn)證了位置閉環(huán)控制算法的合理性。

遙控小車(chē)在行走過(guò)程中的姿態(tài)角曲線(xiàn)，如圖14所示，其曲線(xiàn)橫坐標(biāo)軸表示采樣個(gè)數(shù)，采樣頻率為5ms。由圖可見(jiàn)，姿態(tài)角波動(dòng)劇烈，但是波動(dòng)的最大正負(fù)偏差＜0.3°。因此姿態(tài)角閉環(huán)控制算法的設(shè)計(jì)合理。

圖13 位置曲線(xiàn)Fig.13 Position curve

圖14 姿態(tài)角曲線(xiàn)Fig.14 Attitude angle curve

7 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)很好地將Leap Motion體感傳感器與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，通過(guò)簡(jiǎn)單的動(dòng)作手勢(shì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)遙控小車(chē)的準(zhǔn)確控制，解決了傳統(tǒng)機(jī)械類(lèi)按鍵控制方式的單一性問(wèn)題。同時(shí)，設(shè)計(jì)了遙控小車(chē)的機(jī)械本體及其控制系統(tǒng)，在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析后建立了閉環(huán)控制算法，從而實(shí)現(xiàn)了遙控小車(chē)的準(zhǔn)確行駛與定位。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性與合理性。

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