體感識別的平衡車控制系統設計與實現

李佳怡

摘要：本設計基于Kinect攝像頭實現對兩輪平衡車的體感控制，當人體做出相應動作時，系統能自動獲取骨骼信息并轉換成控制指令發送至平衡車，對小車實現前進、后退、左右轉向等體感控制。

關鍵詞：Kinect攝像頭;平衡車;體感控制;骨骼信息

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0007-02

近年來，人機交互技術的研究非?；钴S，體感識別是一種自然且符合用戶行為習慣的交互方式，具有直觀性和便捷性的特點，是新型人機交互技術的理想選擇[1]。體感識別的研究意義在于能夠使計算機識別人類肢體的各種動作，并按預定規則轉換成控制指令，從而控制被控對象。

1 系統整體設計

本設計是基于Kinect攝像頭和Visual Studio 2012平臺，實現根據骨骼節點信息對人體姿態識別并轉換命令，通過藍牙的數據傳輸完成圖像的骨骼跟蹤，實現人體姿態轉換成相應指令控制平衡車動作[2]。其中，平衡車控制系統包括單片機STM32F103、姿態傳感器MPU6050、編碼器、藍牙模塊、顯示模塊、電機驅動模塊和穩壓模塊。系統總體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 Kinect攝像頭

Kinect體感攝像頭是美國微軟公司的一款體感外設，利用軟件可以調節攝像頭的上下角度，通過身體動作或者語音就能夠直接完成操作，使其具有更好的視場。第二代Kinect for Windows還提供了拇指追蹤、手指末端追蹤、打開和收縮的手勢識別等功能，可支持6人同時操作[3]，Kinect攝像頭如圖2所示。

2.2 單片機STM32F103

本設計采用STM32F103單片機為控制核心，內核為ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPSMHz，STM32F103工作電路圖如圖3所示。

2.3 姿態傳感器MPU6050

MPU6050是世界上首款用于智能手機、平板電腦和可穿戴設備的低功耗、低成本和高性能移動跟蹤傳感器[4]。MPU6050六軸傳感器芯片有3軸陀螺儀和3軸加速度計，對快速和慢速運動可實現精確跟蹤，提供一個可編程的陀螺儀，其工作電路圖如圖4所示。

2.4 藍牙模塊HC-05

HC-05藍牙模塊是主從一體的串口模塊，當建立連接時，兩設備共同使用同一個串口，一個設備發送數據到通道中，另外一個設備便可以接收通道中的數據。

2.5 電機驅動電路

TB6612FNG是東芝半導體公司生產的一款直流電機驅動器件，它具有大電流MOSFET-H橋結構，雙通道電路輸出，可選四種工作模式，同時驅動2個電機，工作電路如圖5所示。

2.6 顯示模塊

OLED12864為自發光材料，無需背光板，視角廣、畫質均勻、反應速度快、較易彩色化、用簡單驅動電路即可達到發光、制程簡單、可制作成撓曲式面板，符合輕薄短小的原則，應用范圍屬于中小尺寸面板。驅動電壓低、能耗低，可與太陽能電池、集成電路等相匹配。

3 軟件設計

整個系統程序設計主要包括主程序、車速采集子程序、姿態采集子程序、Kinect圖像識別子程序等[5]。軟件的功能分為監控軟件（主程序）和執行軟件（子程序），其中監控軟件（主程序）作為控制系統的核心部分，作用是協調主程序和各子程序之間的關系，而執行程序（子程序）是用來完成各種具體的實質性功能。

4 系統調試

4.1 平衡車靜態調試

平衡車在靜止時，運動控制任務可以分解成以下三個基本任務：（1）平衡控制：驅動兩個電機轉動以保持小車保持直立平衡;（2） 速度控制：通過控制小車與垂直方向偏轉角以實現其速度控制，本質上是利用電機轉速控制實現控制車速;（3）轉向控制：憑借兩電機差速控制完成小車控制轉向。

4.2 Kinect體感識別調試

系統經過測試Kinect圖像數據，人體雙臂平直，雙手握拳，控制平衡車進行前進動作，前進姿態獲取及自衡車動作圖如圖6所示。

5 結語

本設計實現了基于Kinect攝像頭對平衡車的體感控制，能夠實現顯示采集圖像、骨骼識別和處理。當肢體姿態符合預設動作時，產生相應控制指令。本設計能快速準確的識別人體動作，并以圖像形式進行顯示，還能夠通過藍牙將數據發送至兩輪自平衡車，將體感識別與自衡車結合的交互系統對機器人在復雜環境中導航定位、科學勘探等工作領域有著重要意義。

參考文獻

[1] 陳玉敏，謝瑋，孟憲民.基于體感控制的智能車設計[J].現代電子技術，2016，39（03）：155-158.

[2] 董士海.人機交互的進展及面臨的挑戰[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004，15（01）：70-78.

[3] 韓崢，劉華平，黃文炳.基于Kinect的機械臂目標抓取[J].智能系統學報，2013，8（2）：149-155.

[4] 賴義漢，王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統設計[J].河南工程學院學報，2014，25（01）：53-57.

[5] 付京遜.機器人學[M].北京：中國科學技術出版社，2003.