基于手勢控制的智能車設(shè)計

唐培智

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，玩具也變的更加的智能化。基于此，本設(shè)計設(shè)計了一種新型的基于手勢控制的智能車模型來用于滿足人們的需求。該款智能車分為控制手套與智能車本體兩個本部分。其中控制手套由陀螺儀、單片機(jī)與藍(lán)牙發(fā)送模塊3個部分組成，其中陀螺儀用于檢測手勢信息，單片機(jī)負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)換以及發(fā)送陀螺儀的信息，藍(lán)牙發(fā)送模塊則用于發(fā)送單片機(jī)的信息。而智能車本體包含單片機(jī)、藍(lán)牙接收模塊以及電機(jī)驅(qū)動三部分組成，其中電機(jī)驅(qū)動接收單片機(jī)的命令，驅(qū)動兩個車輪，以完成智能車的運(yùn)動、轉(zhuǎn)彎等動作。通過不斷的論證，本設(shè)計是可行的，可以完成預(yù)定的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 手勢控制；單片機(jī)；陀螺儀

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）216-0121-02

目前的玩具產(chǎn)品已經(jīng)變得越來越受歡迎，并且范圍也不僅僅局限于兒童。并且玩具所包含的科技元素也越來越多，這也都得益于科技的發(fā)展。而在玩具方面，玩具車是最受大眾歡迎的玩具之一。而且玩具車的種類很多，比如無動力的玩具車，電動類的玩具車以及借助發(fā)條或者慣性的玩具車。這其中，電動類的玩具車最受各類人群的歡迎，甚至已經(jīng)出現(xiàn)了專門用于競技的賽車。在電動玩具車領(lǐng)域內(nèi)，遙控車又是其中很重要的一個組成部分。目前市面上的遙控車大多都是利用手持的遙控器來完成，這在一定程度上影響到了控制時真實(shí)性的體驗(yàn)。為了更進(jìn)一步的完善玩具的功能與控制方式，使得玩具持有者具有更佳的體驗(yàn)，設(shè)計一款新型控制方式的智能車就顯得非常重要。有鑒于現(xiàn)在人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，本設(shè)計擬采用手勢識別的方式來簡單的控制智能車，以此達(dá)到更好的控制體驗(yàn)效果。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計制作的是一款智能車，采用的方式是基于手勢控制的方法。具體實(shí)施的方式是通過識別手掌的下壓、上抬、左偏以及右偏來控制完成智能車的運(yùn)動、轉(zhuǎn)彎等動作。為此，該設(shè)計要解決的問題主要有以下幾個方面：

1）手勢動作的識別問題。

2）手勢動作信息的傳遞問題。

3）手勢動作信息的接收問題。

4）智能車的運(yùn)動控制問題。

本設(shè)計所有的動作都是自動完成的，不再需要人為過多的參與，本設(shè)計的核心是關(guān)于智能車的控制，在控制領(lǐng)域，單片機(jī)由于在體積、功耗以及效能方面的巨大優(yōu)勢無疑是一個非常好的選擇，因此本設(shè)計采用單片機(jī)控制的方法。而在手勢動作的識別問題方面，如若直接通過影像識別，牽扯的技術(shù)將會非常復(fù)雜，為了簡化難度以及成本，本設(shè)計制作了專門的手套，以此來作為識別以及傳遞手勢信息的手段。在手套的手掌部位安裝有陀螺儀、單片機(jī)以及藍(lán)牙模塊。其中陀螺儀用于檢測手勢動作信息，單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)陀螺儀信息的接收以及控制藍(lán)牙模塊發(fā)送信息。為了進(jìn)一步簡化車體，本設(shè)計不再采用舵機(jī)，而是采用差速轉(zhuǎn)彎的方法。智能車內(nèi)置有藍(lán)牙接收裝置、單片機(jī)以及傳動裝置。其中藍(lán)牙接收裝置負(fù)責(zé)接收手套發(fā)送的信息，單片機(jī)負(fù)責(zé)信息的接收轉(zhuǎn)換以及命令的發(fā)送，傳動裝置則負(fù)責(zé)整個車體的運(yùn)動。手套以及車體的整體結(jié)構(gòu)圖見圖1、圖2。

2 硬件設(shè)計

單片機(jī)：單片機(jī)是該系統(tǒng)的控制核心，其在控制領(lǐng)域是非常重要的存在。并且單片機(jī)在家用電器、網(wǎng)絡(luò)通信、設(shè)備領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域等等方面都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。由于其體積、功耗、功能等方面的巨大優(yōu)勢，非常適合本設(shè)計。

陀螺儀：陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統(tǒng)，一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。利用陀螺儀指示方向，就可以對軸所指的方向進(jìn)行讀取與傳輸，現(xiàn)代陀螺儀精確度很高，這在現(xiàn)代的航空、航天、航海以及國防工業(yè)的慣性制導(dǎo)方面應(yīng)用非常廣泛。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)代的陀螺儀結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，并且工作更加可靠，體積也更加趨向于小型化。本設(shè)計的智能車需要完成在平面上的運(yùn)動以及轉(zhuǎn)彎，因此對于本設(shè)計中陀螺儀的選取，至少能夠繞2個軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即至少為二自由度陀螺儀。基于此，本設(shè)計選取的為GY-521三維角度傳感器。其內(nèi)部設(shè)置有MPU6050芯片模塊，該芯片采用標(biāo)準(zhǔn)IIC通信協(xié)議，所以其使用的信號線只有SCL信號線以及SDA時鐘線兩個，并且該種通信方式具有自動尋址以及仲裁等功能。

藍(lán)牙：藍(lán)牙是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙的適用范圍非常廣，尤其是在藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙音箱設(shè)備上應(yīng)用非常廣泛。本設(shè)計采用的藍(lán)牙模塊為HC-05。該模塊在空曠地帶有效傳輸距離10m，超過10m，連接的質(zhì)量就難以保證了。

電機(jī)驅(qū)動：本設(shè)計應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動為L298N。供電范圍為7V到35V，通過PWM調(diào)速就可以很輕松的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，也就控制了智能車的運(yùn)動速度。本設(shè)計的車身采用的是差速轉(zhuǎn)彎的方式，即兩個電機(jī)帶動的運(yùn)動輪與一個萬向輪組成，該種方式結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，并且成本低廉，轉(zhuǎn)彎的方向以及角度完全由兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定，甚至可以原地轉(zhuǎn)彎，很適合該設(shè)計。L298N模塊可以驅(qū)動兩個電機(jī)，因此，本設(shè)計只需要一個就可以完成預(yù)設(shè)目的。

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計要實(shí)現(xiàn)的功能為根據(jù)手勢的變化來控制智能車的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎。本設(shè)計要解決的第一個問題為手勢動作的識別問題。本設(shè)計利用的陀螺儀，其采用IIC總線通信方式，本設(shè)計利用的單片機(jī)的型號為STC89C51，其沒有IIC接口，因此只能通過普通的I/O口模擬IIC接口。一個標(biāo)準(zhǔn)的IIC通信由4個部分組成：開始信號、從機(jī)地址輸出、數(shù)據(jù)輸出、停止信號。只要控制程序正確，51單片機(jī)就可以通過使用引腳模擬IIC時序，完成IIC通信的四個時序部分，達(dá)到IIC通信的目的。本設(shè)計要解決的下一個問題為手勢動作信息的傳遞與接收，這個過程由藍(lán)牙模塊解決。最后要解決的問題為智能車運(yùn)動的控制問題，本設(shè)計利用的是L298N電機(jī)驅(qū)動模塊，其利用的很重要的技術(shù)為PWM技術(shù)，即脈沖寬度調(diào)試。每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖的寬度或占空比就可以調(diào)壓。如今絕大部分的單片機(jī)都有PWM模塊功能，本設(shè)計所使用的51單片機(jī)也有，只要通過中斷程序的設(shè)定，就可以完成任意的輸出電壓控制。通過這些問題的解決，本設(shè)計就能順利的完成各項(xiàng)功能。本設(shè)計中手掌與地面持平，當(dāng)手掌繞手腕左轉(zhuǎn)的時候，智能車左轉(zhuǎn)，當(dāng)手掌右轉(zhuǎn)的時候，智能車右轉(zhuǎn)。手掌往前壓低的時候，智能車前進(jìn)，當(dāng)手掌向后抬高的時候，智能車后退。具體的流程圖如圖3所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計是結(jié)合了各方面的信息技術(shù)才實(shí)現(xiàn)功能的，通過各項(xiàng)技術(shù)的柔和，相信本設(shè)計還會有更深層次的提升。本設(shè)計實(shí)現(xiàn)的是手勢控制智能車，但是本設(shè)計所利用的方法技術(shù)絕對不僅限于此，例如對于一些危險的場合，完全可以利用本設(shè)計的思想制作出專門的器械，利用遠(yuǎn)程監(jiān)控、手勢控制的方式，在保證人員安全的情況下，依然能夠順利的完成預(yù)定目標(biāo)。對于一些密閉且不能隨意打開的空間，預(yù)先放置一個類似的器械以應(yīng)對突發(fā)狀況也是一個很好的選擇，相信該設(shè)計的思想一定能在未來的工業(yè)生產(chǎn)以及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)得到進(jìn)一步的發(fā)展。