基于數據手套的遙控小車控制系統

蔣本立　張小平

摘要：針對目前智能小車主要采用手柄、鍵盤等方式實現遙控操作而存在功能單一、攜帶不便、操控不直觀等缺點，提出采用數據手套實現智能小車的遙控操作，取得了良好的控制效果。介紹該系統的總體結構與基本工作原理，闡述采用數據手套實現智能小車遙控的具體設計方法，并研制出樣機對其控制效果進行實驗驗證，結果表明：該控制系統能滿足智能小車的各項控制要求，具有較好的應用價值。

關鍵詞：智能遙控小車；數據手套；控制系統；樣機實驗

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

Abstract：Nowadays， intelligent remote control cars are mainly controlled by using hand shank or keyboard， which is inconvenient and inflexible. In this paper， the data gloves were proposed to solve the problem， and desirable experimental results were obtained. The principle and the structure of the data glove were introduced. The design method was explained in detail and verified by experimental test. The results show that the design can meet the requirements of remote control cars and has application value.

Key words：intelligent remote control car； data glove； control system； prototype development

1引言

目前，智能遙控小車主要采用遙控手柄、鍵盤等方式實現遙控操作，這些操作方式雖已獲得實際應用，但均存在不同程度的缺點，如遙控手柄能實現的功能較簡單，缺乏完善的功能選擇與參數設置功能，而鍵盤則存在攜帶不便、操控不直觀等缺點[1-3]。為克服上述方式存在的不足，提出采用數據手套實現對智能小車進行遙控操作[4]，取得了較好的控制效果。文中介紹了該控制系統的總體結構與基本工作原理，闡述了采用數據手套實現智能小車遙控的具體設計方法，并研制出實驗樣機對其控制效果進行了實驗驗證，結果證明了該控制系統的有效性。

2系統結構及基本工作原理

基于數據手套的智能遙控小車控制系統總體結構如圖1所示[3， 5-8]。該控制系統包括右數據手套、左數據手套及智能小車控制器三部分，其中右數據手套主要用于小車控制模式選擇、參數設置以及小車運動方向的實時控制，左數據手套主要用于配合右數據手套進行控制參數設置以及控制參數與小車運動狀態的實時顯示，小車控制器則通過接收右數據手套發出的控制指令對小車的運動狀態進行實時控制等，各部分基本原理簡要介紹如下。

2.1右數據手套基本工作原理

右數據手套的基本構成參見圖1，其結構示意圖如圖2所示。圖中序號1-9分別表示：微控制器Ⅰ、方位傳感器Ⅰ、無線通信模塊Ⅰ、拇指指套、食指指套、中指指套、無名指套、小指指套及直流穩壓電源Ⅰ。

該數據手套的各指尖采用金屬指套，其中拇指指套與直流穩壓電源Ⅰ相連，其余四指指套分別與微控制器Ⅰ的I/O口相連，當拇指指套分別與其它手指指套接觸時，不同的接觸組合會使微控制器Ⅰ接收到不同的接觸信號，微控制器Ⅰ根據采集到的手指接觸信號實現對小車控制模式的選擇與參數設置，同時微控制器Ⅰ還通過其方位傳感器Ⅰ來獲得操作者的手勢信號，并根據該手勢信號實現對小車運動方向的實時控制。

2.2左數據手套基本工作原理

左數據手套的基本構成參見圖1，其基本結構及與右數據手套的操作示意圖如圖3所示。圖中序號10-14分別表示左數據手套的微控制器Ⅱ、無線通信模塊Ⅱ、顯示模塊、金屬膜操作區及直流穩壓電源Ⅱ。該數據手套的基本工作原理是：微控制器Ⅱ通過無線通信模塊Ⅱ接收右數據手套發送的控制參數及小車控制器發送的小車運動狀態信息，并將相關數據信息通過其顯示模塊予以顯示；其中金屬膜操作區主要用于配合右數據手套的手指接觸操作，即當右數據手套的拇指接觸于該金屬膜操作區時，其它四指指套只要點擊該金屬膜操作區，就可實現相應的手指接觸操作。

2.3小車控制器基本工作原理

小車控制器的基本構成如圖1所示。該控制器包括微控制器Ⅲ、驅動模塊、速度傳感器、方位傳感器Ⅲ、無線通信模塊Ⅲ及直流穩壓電源Ⅲ。其基本工作原理是：微控制器Ⅲ通過無線通信模塊Ⅲ接收右數據手套發出的控制指令，同時采集其方位傳感器與速度傳感器的反饋信號，經相關運算處理后輸出相應的控制信號使小車的實際運動速度和方向與相應的設定值保持一致，從而實現對小車運動狀態進行有效控制的目的；同時微控制器Ⅲ還將采集的各傳感器的反饋信號經無線通信模塊Ⅲ反饋給左數據手套，以實現對小車運動狀態的實時顯示等。

3手勢采集原理

如上所述，右數據手套的拇指指套與直流穩壓電源Ⅰ相連，其余四指指套分別與微控制器Ⅰ的I/O口相連，各手指指套分配的I/O口情況如表1所示。

當四指指套分別與拇指指套接觸時，微控制器Ⅰ對應的I/O口會收到一高電平信號。如圖4所示為手指接觸操作示意圖，其中圖4（a）為中指、無名指及小指同時與拇指的接觸操作，則微控制器Ⅰ的P3.3、P3.4和P3.5口會檢測到高電平信號；圖4（b）為無名指與小指同時與拇指的接觸操作，則微控制器Ⅰ的P3.4和P3.5口會檢測到高電平信號等。手指間不同的接觸組合代表不同的操作模式或設置不同的參數，其基本組合如表2所示，表中手掌平放和手掌豎起由微控制器Ⅰ通過方位傳感器采集手掌方位信息予以識別，微控制器Ⅰ即根據采集到的不同手指接觸信號實現小車控制模式選擇與參數設置。

4系統控制軟件設計

系統控制軟件包括右數據手套、左數據手套及小車控制器控制軟件三部分，各部分控制軟件的基本功能分別簡要介紹如下：

4.1右數據手套控制軟件設計

右數據手套控制軟件流程如圖5所示。如上所述，該數據手套主要用于對小車進行控制模式選擇與參數設置，以及對小車的運動方向進行實時控制等。其中控制模式包括自動模式和手動模式，自動模式用模式1表示，手動模式用模式2表示；自動模式指小車可按預先設置的控制參數自動運動，其基本原理是：選擇模式1后系統進入參數設置界面，需設置的參數包括小車運動速度、方向及距離，所設參數可由左數據手套的液晶顯示器予以顯示，當參數設置完并確認后，微控制器Ⅰ即將所設置的參數發送給小車控制器，小車控制器根據接收到的控制參數對小車的運動狀態進行自動控制；而手動模式指小車的運動方向由右數據手套實時采集右手手勢信號進行控制，即微控制器Ⅰ通過其方位傳感器Ⅰ實時采集右手手勢信號，并將該信號發送給小車控制器以對小車的運動方向進行實時控制，而小車的運動速度可預先設定，運動距離不受限制。

4.2左數據手套控制軟件設計

左數據手套控制軟件流程如圖6所示。如上所述，該數據手套主要用于顯示右數據手套設置的控制參數及小車的運動狀態信息。其基本工作原理是：開機后，其顯示器首先進入模式選擇界面，如選模式1（即自動模式），則接著顯示右數據手套設置的控制參數，包括小車的運動速度、方向及距離，參數設置完后如收到右數據手套發送的參數確認信號，則左數據手套將開始接收小車控制器發送的小車運動狀態信息，包括實際運動速度、方向和距離，并將接收的信息通過其顯示器予以顯示；如選模式2（即手動模式），則顯示器只顯示小車的運動狀態信息，同樣包括實際運動速度、方向和距離。如接收到操作完成信號，則顯示器返回到模式選擇界面。

4.3小車控制器控制軟件設計

小車控制器控制軟件流程如圖7所示。其基本工作原理是：系統開機后，控制器首先接收控制模式參數并進行判斷，若為模式1（即自動模式），則接著接收右數據手套發送的小車運動速度、方向和距離等控制參數，并根據控制參數向小車執行機構發出相應的控制指令，使小車按控制參數的要求自動運行，同時小車控制器還將小車的運動狀態信息即實際速度、方向和距離發送給左數據手套予以顯示，當小車的運動距離達到設定值時，小車停止運動；如果為模式2（手動模式），則小車控制器首先接收小車運動速度參數，接著接收右數據手套發送的小車運動方向信號（該信號由右數據手套的方位傳感器實時采集操作者的手勢而獲得），并根據上述速度參數和方向信號向小車執行機構發出控制指令，使小車按操作者的手勢確定的方向以指定速度運行，手動模式下的運動距離不受限制，可由操作者隨時發出控制指令予以停車；在手動模式下，小車控制器同樣將小車的運動狀態信息即速度、方向和距離發送給左數據手套予以顯示。

5樣機實驗

5.1樣機研制

根據上述系統設計方案，研制出相應的實驗樣機，如圖8所示。其中圖8（a）、（b）、（c）分別為右數據手套、左數據手套及智能遙控小車實物照片。樣機中各微控制器均采用STC公司型號為STC89C52RC的單片機[10，11]，右數據手套中的方位傳感器Ⅰ選用InvenSense公司的MPU6050型傳感器[12]，小車控制器中的方位傳感器Ⅲ采用基于HMC1022磁阻傳感器的電子羅盤模塊[13， 14]等。

5.2樣機實驗

針對研制的實驗樣機，進行了相應的性能實驗，部分實驗圖片分別如圖9-11所示。其中：

圖9為左數據手套顯示器顯示的模式選擇界面。通過右數據手套輸入數字1或2，即可選擇自動模式或手動模式。

圖10所示為自動模式控制參數設置界面。在圖9所示模式選擇界面輸入數字1，即進入該參數設置界面，該界面實時顯示右數據手套設置的控制參數，包括運動速度、角度和路程。其中運動速度分8個檔位，每個檔位代表不同的運動速度；角度以正北方向為參考方向，表示小車實際運動方向偏離該參考方向的角度，單位為度（°）；路程表示小車的運動距離，單位：厘米。通過該界面最多可同時設置3組參數，每組參數為一條執行指令，即小車如按第1組參數確定的指令執行完后，則自動執行第2組參數對應的指令，然后第3組，待3組參數對應的指令全部執行完畢，則系統回到模式選擇界面。

圖11所示為小車運行狀態顯示界面。圖中第1行顯示的為小車當前運動速度，第2行為小車運動方向相對于參考方向的偏轉角度，第3行為小車已行駛的距離。

6結論

針對目前智能遙控小車主要采用遙控手柄、鍵盤等方式實現遙控操作存在的不足，提出采用數據手套實現對智能小車進行遙控操作。文中介紹了系統的基本結構與工作原理，闡述了采用數據手套實現小車遙控操作的具體設計方法，并研制出實驗樣機對所設計的控制系統進行實驗驗證，結果表明：該控制系統能實現智能遙控小車確定的各項控制要求，具有較好的應用價值。

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