基于手勢控制的智能車設計

唐培智

摘 要 隨著科學技術的發展進步，玩具也變的更加的智能化?；诖?，本設計設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、單片機與藍牙發送模塊3個部分組成，其中陀螺儀用于檢測手勢信息，單片機負責接收、轉換以及發送陀螺儀的信息，藍牙發送模塊則用于發送單片機的信息。而智能車本體包含單片機、藍牙接收模塊以及電機驅動三部分組成，其中電機驅動接收單片機的命令，驅動兩個車輪，以完成智能車的運動、轉彎等動作。通過不斷的論證，本設計是可行的，可以完成預定的目標。

關鍵詞 手勢控制；單片機；陀螺儀

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

目前的玩具產品已經變得越來越受歡迎，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，甚至已經出現了專門用于競技的賽車。在電動玩具車領域內，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性的體驗。為了更進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，設計一款新型控制方式的智能車就顯得非常重要。有鑒于現在人工智能技術的飛速發展，本設計擬采用手勢識別的方式來簡單的控制智能車，以此達到更好的控制體驗效果。

1 總體設計

本設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動、轉彎等動作。為此，該設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）智能車的運動控制問題。

本設計所有的動作都是自動完成的，不再需要人為過多的參與，本設計的核心是關于智能車的控制，在控制領域，單片機由于在體積、功耗以及效能方面的巨大優勢無疑是一個非常好的選擇，因此本設計采用單片機控制的方法。而在手勢動作的識別問題方面，如若直接通過影像識別，牽扯的技術將會非常復雜，為了簡化難度以及成本，本設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、單片機以及藍牙模塊。其中陀螺儀用于檢測手勢動作信息，單片機作為系統的核心，負責陀螺儀信息的接收以及控制藍牙模塊發送信息。為了進一步簡化車體，本設計不再采用舵機，而是采用差速轉彎的方法。智能車內置有藍牙接收裝置、單片機以及傳動裝置。其中藍牙接收裝置負責接收手套發送的信息，單片機負責信息的接收轉換以及命令的發送，傳動裝置則負責整個車體的運動。手套以及車體的整體結構圖見圖1、圖2。

2 硬件設計

單片機：單片機是該系統的控制核心，其在控制領域是非常重要的存在。并且單片機在家用電器、網絡通信、設備領域以及航空航天領域等等方面都發揮著關鍵的作用。由于其體積、功耗、功能等方面的巨大優勢，非常適合本設計。

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，一個旋轉物體的旋轉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行讀取與傳輸，現代陀螺儀精確度很高，這在現代的航空、航天、航海以及國防工業的慣性制導方面應用非常廣泛。經過多年的發展，現代的陀螺儀結構緊湊，靈敏度高，并且工作更加可靠，體積也更加趨向于小型化。本設計的智能車需要完成在平面上的運動以及轉彎，因此對于本設計中陀螺儀的選取，至少能夠繞2個軸進行旋轉，即至少為二自由度陀螺儀?；诖耍驹O計選取的為GY-521三維角度傳感器。其內部設置有MPU6050芯片模塊，該芯片采用標準IIC通信協議，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。

藍牙：藍牙是一種無線技術標準，能夠實現設備之間的短距離數據交換。藍牙的適用范圍非常廣，尤其是在藍牙耳機、藍牙音箱設備上應用非常廣泛。本設計采用的藍牙模塊為HC-05。該模塊在空曠地帶有效傳輸距離10m，超過10m，連接的質量就難以保證了。

電機驅動：本設計應用的電機驅動為L298N。供電范圍為7V到35V，通過PWM調速就可以很輕松的控制電機的轉動，也就控制了智能車的運動速度。本設計的車身采用的是差速轉彎的方式，即兩個電機帶動的運動輪與一個萬向輪組成，該種方式結構簡單，控制方便，并且成本低廉，轉彎的方向以及角度完全由兩個電機的轉速決定，甚至可以原地轉彎，很適合該設計。L298N模塊可以驅動兩個電機，因此，本設計只需要一個就可以完成預設目的。

3 軟件設計

本設計要實現的功能為根據手勢的變化來控制智能車的前進、后退以及轉彎。本設計要解決的第一個問題為手勢動作的識別問題。本設計利用的陀螺儀，其采用IIC總線通信方式，本設計利用的單片機的型號為STC89C51，其沒有IIC接口，因此只能通過普通的I/O口模擬IIC接口。一個標準的IIC通信由4個部分組成：開始信號、從機地址輸出、數據輸出、停止信號。只要控制程序正確，51單片機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，達到IIC通信的目的。本設計要解決的下一個問題為手勢動作信息的傳遞與接收，這個過程由藍牙模塊解決。最后要解決的問題為智能車運動的控制問題，本設計利用的是L298N電機驅動模塊，其利用的很重要的技術為PWM技術，即脈沖寬度調試。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壓。如今絕大部分的單片機都有PWM模塊功能，本設計所使用的51單片機也有，只要通過中斷程序的設定，就可以完成任意的輸出電壓控制。通過這些問題的解決，本設計就能順利的完成各項功能。本設計中手掌與地面持平，當手掌繞手腕左轉的時候，智能車左轉，當手掌右轉的時候，智能車右轉。手掌往前壓低的時候，智能車前進，當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 結論

本設計是結合了各方面的信息技術才實現功能的，通過各項技術的柔和，相信本設計還會有更深層次的提升。本設計實現的是手勢控制智能車，但是本設計所利用的方法技術絕對不僅限于此，例如對于一些危險的場合，完全可以利用本設計的思想制作出專門的器械，利用遠程監控、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定目標。對于一些密閉且不能隨意打開的空間，預先放置一個類似的器械以應對突發狀況也是一個很好的選擇，相信該設計的思想一定能在未來的工業生產以及相關領域內得到進一步的發展。