一種手勢(shì)控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉梁++滕鵬++周詩(shī)華++展文豪

摘要：手勢(shì)識(shí)別技術(shù)作為自然人機(jī)交互發(fā)展迅速，本文基于手勢(shì)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種手勢(shì)控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于微型機(jī)電系統(tǒng)、慣性傳感器和無(wú)線通信模塊構(gòu)建了硬件平臺(tái)，可采集手指的手勢(shì)信息，通過(guò)手勢(shì)特征數(shù)據(jù)提取及模板匹配算法，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)信息的識(shí)別。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了該系統(tǒng)的可行性和識(shí)別算法的有效性。

關(guān)鍵詞：手勢(shì)控制；遙控小車(chē)；手勢(shì)識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0026-02

1 引言

人機(jī)交互（Human-Computer Interaction，簡(jiǎn)稱HCI）是指人與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)某種對(duì)話語(yǔ)言交流與通信，完成確定任務(wù)的人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以手勢(shì)識(shí)別、表情識(shí)別、姿態(tài)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等為基礎(chǔ)的自然用戶界面（Natural User Interface）技術(shù)。其中手勢(shì)是一種符合人類(lèi)日常習(xí)慣的交互手段，在日常生活中人之間的交流通常會(huì)輔以手勢(shì)來(lái)傳達(dá)一些信息或表達(dá)某種特定的意圖。本文結(jié)合手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種手勢(shì)控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

2 總體介紹

手勢(shì)控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)由手勢(shì)傳感器、無(wú)線傳輸模塊和一個(gè)遙控小車(chē)組成。如圖1所示，手勢(shì)傳感器穿戴在使用者手指上采集手勢(shì)指令信息，通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給遙控小車(chē)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)前進(jìn)、停車(chē)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，使用手勢(shì)控制相比傳統(tǒng)的遙控器控制，人機(jī)交互更加的自然。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 小車(chē)設(shè)計(jì)

小車(chē)主要由底盤(pán)和控制板組成，其中控制板主要由無(wú)線模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制器組成，系統(tǒng)使用12V鋰電供電。其中無(wú)線模塊使用24L01模塊，nRF24L01芯片工作于2.4GHz全球開(kāi)放的 ISM 頻段，集成了頻率合成器、晶體振蕩器和調(diào)制解調(diào)器，外圍元件極少。nRF24L01沒(méi)有復(fù)雜的通信協(xié)議，完全對(duì)用戶透明，通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI 接口與外圍控制器連接，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。系統(tǒng)中的控制器使用意法半導(dǎo)體16MHz STM8S103F，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N雙路，L298芯片內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。控制時(shí)左前輪向前旋轉(zhuǎn)時(shí)向右轉(zhuǎn)，右前輪旋轉(zhuǎn)時(shí)向左轉(zhuǎn)，兩輪同時(shí)向前時(shí)小車(chē)前進(jìn)，兩輪同時(shí)向后時(shí)小車(chē)停止。

3.2 手勢(shì)傳感器設(shè)計(jì)

手勢(shì)傳感器佩戴在手上，慣性傳感器可以采集手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，控制器獲取傳感器數(shù)據(jù)后，進(jìn)行手勢(shì)信息識(shí)別，將識(shí)別到的有效手勢(shì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制指令，通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給小車(chē)，控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)。傳感器的控制器采用基于Cortex-M3內(nèi)核增強(qiáng)型芯片STM32L103RCT6。無(wú)線模塊與小車(chē)使用的模塊相同。

慣性傳感器使用的是君悅智控生產(chǎn)的JY901九軸慣性傳感器，該傳感器集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測(cè)量精度0.01度。模塊自帶電壓穩(wěn)定電路，工作電壓3V～6V，引腳電平兼容3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。支持串口和IIC兩種數(shù)字接口，方便用戶連接，串口速率2400bps～921600bps可調(diào)，本系統(tǒng)即使用單片機(jī)串口與模塊連接。模塊輸出包括時(shí)間、加速度、角速度、角度、磁場(chǎng)等信息。

4 算法設(shè)計(jì)

4.1 坐標(biāo)定義

慣性傳感器使用時(shí)，傳感器佩戴在右手掌心面內(nèi)中指上，四指并攏成一個(gè)平面，如圖1所示，沿中指向前為x軸正方向，垂直掌心并指向掌心外側(cè)方向?yàn)閦軸正方向，根據(jù)右手螺旋法則確定垂直中指并指向小指方向?yàn)閥軸正方向。

4.2 手勢(shì)定義

手勢(shì)是指通過(guò)手臂的移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的各種姿勢(shì)和動(dòng)作，是一種自然、 直觀、 易于學(xué)習(xí)的人機(jī)交互手段。選取的手勢(shì)定義要?jiǎng)幼骱?jiǎn)單、便于操作，手勢(shì)語(yǔ)義易于記憶和理解，另外手勢(shì)信號(hào)特征明顯，易于識(shí)別。針對(duì)控制小車(chē)移動(dòng)，定義了前進(jìn)、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)四種動(dòng)態(tài)控制手勢(shì)，具體如圖所示，右手佩戴傳感器，手腕內(nèi)收定義為前進(jìn)，手腕外展定義為停止，手掌掌曲定義為左轉(zhuǎn)，手掌背曲定義為右轉(zhuǎn)。

4.3 手勢(shì)識(shí)別算法

手勢(shì)識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)效手勢(shì)的過(guò)濾和對(duì)有效手勢(shì)的提取和識(shí)別。手勢(shì)識(shí)別的流程如圖2所示。

手勢(shì)信號(hào)采集：通過(guò)穿戴在中指的慣性傳感器獲取手勢(shì)數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)包括三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)、三軸角度數(shù)據(jù)等信號(hào)，該信號(hào)是16位整型數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的加速度、角速度和角度數(shù)據(jù)。

手勢(shì)信號(hào)截取：手勢(shì)識(shí)別首先要從采集的連續(xù)信號(hào)中截取出可能包含手勢(shì)信息的數(shù)據(jù)。針對(duì)定義的四種控制手勢(shì)，沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，角速度信號(hào)相對(duì)平穩(wěn)；手勢(shì)動(dòng)作開(kāi)始時(shí)，角速度信號(hào)變化劇烈。選取合適的閾值對(duì)信號(hào)進(jìn)行截取可以獲取到可能包含手勢(shì)信息的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)10人穿戴手勢(shì)傳感器進(jìn)行無(wú)手勢(shì)和有手勢(shì)的數(shù)據(jù)采集分析，將閾值設(shè)置為100°/s。手勢(shì)信息持續(xù)時(shí)間0.5s

手勢(shì)特性提取：針對(duì)定義的四種手勢(shì)，其主要特征是角速度變化劇烈，將截取的手勢(shì)信號(hào)提取三個(gè)方向角速度的最大值和最小值及最值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)。

手勢(shì)信息識(shí)別：將手勢(shì)特性數(shù)據(jù)與四種手勢(shì)的特性模板對(duì)比，以左轉(zhuǎn)手勢(shì)為例。首先在背曲的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)Y軸方向角速度的峰值，在掌曲過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)Y軸負(fù)方向角速度的峰值，整個(gè)過(guò)程中，正方向峰值在負(fù)方向峰值之前。在x軸和z軸上也會(huì)出現(xiàn)角速度信號(hào)，與y軸信號(hào)對(duì)比，會(huì)比y軸角速度峰值小的多。

后續(xù)處理：將手勢(shì)識(shí)別數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制指令，通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給小車(chē)，執(zhí)行相關(guān)操作。如表1所示。

5 驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的手勢(shì)識(shí)別算法及小車(chē)控制的有效性，將可穿戴手勢(shì)傳感器佩戴在用戶的右手上，開(kāi)展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)選取了5名受試者，每名受試者操作前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)各20次。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，手勢(shì)識(shí)別結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，本文采用的手勢(shì)識(shí)別算法能自動(dòng)提取手勢(shì)動(dòng)作的有效信號(hào)并實(shí)現(xiàn)小車(chē)移動(dòng)控制。

6 結(jié)語(yǔ)

慣性傳感器具有不受空間限制的特點(diǎn)，用于手勢(shì)識(shí)別可以靈活的應(yīng)用于各種場(chǎng)合。本文設(shè)計(jì)了一種手勢(shì)遙控小車(chē)系統(tǒng)，算法簡(jiǎn)單，使用方便，應(yīng)用新型的手勢(shì)交互方式，更自然的實(shí)現(xiàn)了人與小車(chē)的交互控制。

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