基于手勢(shì)識(shí)別的小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李芊均 胡立夫 冉興強(qiáng) 吳佳銘

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于手勢(shì)識(shí)別的小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Arduino Nano作為微控制器，利用姿態(tài)角度傳感器采集并處理手勢(shì)指令數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)信息的識(shí)別，通過無(wú)線通信模塊將手勢(shì)指令發(fā)送給小車運(yùn)動(dòng)端，目標(biāo)角度與實(shí)際角度等通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示，最終達(dá)到手勢(shì)控制小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停止等動(dòng)作。本文完成了基于手勢(shì)識(shí)別的小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，將手勢(shì)識(shí)別技術(shù)與移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合一體，在疫情環(huán)境下無(wú)接觸運(yùn)動(dòng)控制方向研究具有實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：手勢(shì)識(shí)別；無(wú)線通信；PID控制

手勢(shì)是人類社會(huì)長(zhǎng)期存在的重要肢體語(yǔ)言。它具有簡(jiǎn)單、直接、高效、清晰，內(nèi)容豐富的特點(diǎn)，手勢(shì)識(shí)別是指跟蹤人類手勢(shì)并識(shí)別其表示含義的整個(gè)過程。靜態(tài)手勢(shì)識(shí)別實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的研究目的是在不直接觸摸設(shè)備的情況下使用的手勢(shì)的位置信息識(shí)別作為輸入[1]，并將命令映射到輸出。

本文設(shè)計(jì)的基于手勢(shì)識(shí)別的小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，用戶佩戴傳感器裝置，傳感器將人與機(jī)器進(jìn)行連接，傳感器通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到角度等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，然后將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部對(duì)傳感器傳輸過來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終得到用戶指令并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。與語(yǔ)音識(shí)別、觸摸屏識(shí)別、鍵盤和鼠標(biāo)等其他人機(jī)交互技術(shù)相比，人機(jī)距離限制小，語(yǔ)言獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)。在應(yīng)用層面，手勢(shì)識(shí)別小車的發(fā)展可以使人機(jī)交互更加精確、穩(wěn)定，范圍更廣，有利于推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為兩部分：手部控制端和小車運(yùn)動(dòng)端，由五大模塊構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、顯示模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。軟件設(shè)計(jì)主要包括：手部控制程序設(shè)計(jì)和小車運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

手部端傳感器采集不同手勢(shì)的各軸的角度數(shù)據(jù)，傳感器將數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)最小系統(tǒng)，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行濾波處理，辨別指令信息，并且通過無(wú)線通信模塊傳輸給小車端。小車端傳感器采集車體姿態(tài)的各軸的角度數(shù)據(jù)，傳感器將數(shù)據(jù)傳輸回單片機(jī)的同時(shí)無(wú)線通信模塊接收手部控制端的指令信息，單片機(jī)將兩部分信息對(duì)比處理，對(duì)誤差運(yùn)用經(jīng)典PID算法處理，并將處理結(jié)果反饋給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，調(diào)整小車左右電機(jī)PWM，目的是使小車按照手勢(shì)指令行駛并且行駛穩(wěn)定，顯示模塊顯示小車行駛的目標(biāo)角度和實(shí)際角度。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)中在手部控制端和小車運(yùn)動(dòng)端均采用Arduino Nano作為主控芯片，其處理器核心是ATmega328（Nano3.0），同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口，8路模擬輸入[2]，ATmega328具有32個(gè)引腳，由于引腳數(shù)量有限，所以很多功能都共同使用一個(gè)引腳，具體功能可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。這款單片機(jī)便捷靈活、方便上手，具有豐富的接口，適用于本系統(tǒng)。Arduino Nano電路原理圖如圖2所示。

2.2 姿態(tài)角度傳感器

本設(shè)計(jì)中采用姿態(tài)角度傳感器JY61采集手勢(shì)指令信息和小車姿態(tài)信息，處理器以高精度陀螺儀MPU6050為核心，讀取MPU6050的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過串口輸出[3]JY61模塊工作電壓3.3 V/5 V，測(cè)量數(shù)據(jù)包括三維角度、三維加速度和三維角速度數(shù)據(jù)，其角度數(shù)據(jù)在X軸和Z軸的測(cè)量范圍是±180°，Y軸的測(cè)量范圍是±90°，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度為0.1°，靜態(tài)測(cè)量精度為0.05°。

2.3 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)中采用藍(lán)牙模塊HC05實(shí)現(xiàn)手部控制端和小車運(yùn)動(dòng)端的數(shù)據(jù)通訊。HC05是一款主從一體式串口藍(lán)牙模塊，使用方便快捷，配對(duì)后只需要當(dāng)成固定波特率的串口一樣使用即可，因此只要是以“固定波特率，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校檢”通信格式的串口設(shè)備都可以直接取代原來(lái)的有線串口而不需要修改程序。HC05藍(lán)牙模塊電路原理圖3如圖所示。

2.4 顯示模塊

本設(shè)計(jì)中使用LCD1602顯示屏顯示目標(biāo)角度（手部控制姿態(tài)）和當(dāng)前角度（小車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)），可以實(shí)時(shí)地觀測(cè)小車行進(jìn)中的角度變化。本設(shè)計(jì)中采用LCD1602的IIC驅(qū)動(dòng)方式，通過IIC適配器板實(shí)現(xiàn)IIC接口，只采用兩個(gè)IO端口用于驅(qū)動(dòng)LCD1602，適配器板的SDA、SCL分別連接到開發(fā)板A4和A5。LCD1602電路原理如圖4所示。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)中使用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制小車電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和行駛速度。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊擁有發(fā)熱小，無(wú)需散熱片、體積小、省電，溫度下降后自動(dòng)恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)A輸出口對(duì)應(yīng)IN1和IN2控制1個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，電機(jī)B輸出口對(duì)應(yīng)IN3和IN4控制另1個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，能滿足直流電機(jī)大電流的驅(qū)動(dòng)條件[4]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 手部控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)不同手勢(shì)姿態(tài)其各軸角度不同，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理做出判斷后發(fā)送至小車端，最終小車依照手勢(shì)指令實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停止等行駛狀態(tài)。角度數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。

確定前進(jìn)、停止、后退狀態(tài)：確定前進(jìn)、后退、停止行駛狀態(tài)的手勢(shì)指令信息，需要對(duì)X軸角度進(jìn)行判斷。行駛狀態(tài)手勢(shì)指令信息表如表3所示。

3.2 小車運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

小車運(yùn)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容：上電后系統(tǒng)初始化，進(jìn)入循環(huán)程序，行進(jìn)過程中設(shè)定小車左右電機(jī)的PWM均為80，采用位置式PID算法減小擾動(dòng)和誤差，將PID運(yùn)算結(jié)果PID_out加在右側(cè)電機(jī)PWM，實(shí)現(xiàn)小車沿直線行駛和準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎。若藍(lán)牙模塊未接收到字符“0”，則手勢(shì)指令無(wú)效，小車靜止。小車運(yùn)動(dòng)端程序流程圖如圖6所示。

在本設(shè)計(jì)中，基于手勢(shì)識(shí)別的小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)沿直線行駛和準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎，首選簡(jiǎn)單高效的PID控制算法，以保證控制系統(tǒng)快速到達(dá)并穩(wěn)定于目標(biāo)值[5]。PID控制算法公式為：

本設(shè)計(jì)中小車沿直線行駛時(shí)先給左右電機(jī)相同的PWM，在行進(jìn)過程中由于誤差和擾動(dòng)肯定會(huì)走偏，此時(shí)傳感器采集各軸角度，采用位置式PID算法控制的目的就是使小車轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度并沿目標(biāo)角度走直線，控制方法是將PID運(yùn)算結(jié)果PID_out加在右側(cè)電機(jī)PWM。小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制策略如表4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過硬件和軟件的聯(lián)合調(diào)試，基于手勢(shì)識(shí)別的小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：手部控制端可以識(shí)別不同的手勢(shì)指令，手部端與小車端能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、小車接收手勢(shì)指令后可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)彎等不同行駛狀態(tài)，顯示屏可以顯示目標(biāo)角度和實(shí)際角度。測(cè)試結(jié)果表明，基于手勢(shì)識(shí)別的小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地運(yùn)行，證明了該系統(tǒng)的可行性和識(shí)別算法的有效性。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步與社會(huì)的發(fā)展，人類生活趨于智能化，智能識(shí)別技術(shù)與智能機(jī)器人一定是未來(lái)研究的熱門課題，基于手勢(shì)識(shí)別的小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將手勢(shì)識(shí)別技術(shù)與移步機(jī)器人結(jié)合為一體，高效地實(shí)現(xiàn)了人與小車的交互控制，同時(shí)因其智能、安全、工作效率高等特點(diǎn)，有效節(jié)約了人力資源，可以在很多場(chǎng)合中得到應(yīng)用。身處于疫情時(shí)期，采用無(wú)接觸模式實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制小車幫助人們安全、高效地完成一些工作，具有一定的實(shí)際意義，做到了真正方便人們的生活，具有廣闊的市場(chǎng)前景與實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫亞星，黃帥銘，王宇鵬，等.基于電容傳感器的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2020，41（2）：10-19.

[2] 倪文彬，毛耀，陸廣華.基于Arduino的體感機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2017，45（23）：5-9.

[3] 張金山.四足步行機(jī)器人的3-5R并聯(lián)腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與步態(tài)規(guī)劃[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

[4] 楊小博，胡強(qiáng)，蘇玉香.基于STC12C5A60S2的循跡避障智能小車的設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2017，33（11）：19-20.

[5] 候帥.多自由度機(jī)器人搬運(yùn)平臺(tái)調(diào)平控制系統(tǒng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2017.