基于Kinect體感器手勢控制無人機(jī)

李夢 曾林鵬 黃旭陽

摘 要：本設(shè)計(jì)通過電子技術(shù)、機(jī)械裝置設(shè)置和應(yīng)用程序編寫來設(shè)計(jì)體感無人機(jī)，以STC15W貼片單片機(jī)為無人機(jī)的控制核心，分為無人機(jī)模塊、Kinect傳感器模塊、地面站模塊和控制程序模塊，用Kinect傳感器作為用戶肢體采集的核心部件，通過對用戶動(dòng)作的采集，用程序來識別出用戶的當(dāng)前動(dòng)作，傳輸指令到地面站，再發(fā)送給無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的體感控制。同時(shí)，為了地面人員的安全，對一些危險(xiǎn)姿態(tài)采用了一定的安全措施，使新手用戶在使用時(shí)，不會(huì)因?yàn)椴僮鞑划?dāng)造成不必要的傷害，并且由遙控器到體感這一控制系統(tǒng)的變化，提高了無人機(jī)操作的樂趣。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；Kinect傳感器；體感

近年來，無人機(jī)在民用方面的應(yīng)用越來越多，各國在無人機(jī)的民用方面逐漸開放。引用大疆創(chuàng)新創(chuàng)始人汪滔的話：“人類對于飛行的夢想與生俱來。”隨著無人機(jī)的迅速發(fā)展，無人機(jī)也越來越常見。而無論是工業(yè)級無人機(jī)還是消費(fèi)級無人機(jī)，絕大多數(shù)無人機(jī)都配備有遙控器。遙控器提供精準(zhǔn)操作方式的同時(shí)，也讓小白用戶望而卻步。有人說，遙控器是無人機(jī)的痛點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)也是如此，而體感手勢操作不僅是一種新的操控方式，更是降低了操控的難度。

手朝上升空，手朝下降低，伸左手朝左，伸右手朝右等。不同手勢對應(yīng)不同的無人機(jī)操作。新的操作方式，不僅添加了無人機(jī)的可玩性，還更利于新手入門。這種操作方式極大地降低了操控的難度，也更利于新手掌握無人機(jī)飛行時(shí)的方向感，提高學(xué)習(xí)無人機(jī)飛行的效率。

1 體感無人機(jī)設(shè)計(jì)方法

本設(shè)計(jì)是通過電子技術(shù)、機(jī)械裝置設(shè)置和應(yīng)用程序編寫來設(shè)計(jì)體感無人機(jī)，無人機(jī)主要分為無人機(jī)模塊、Kinect傳感器模塊、地面站模塊和控制程序模塊，由這幾個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)體感無人機(jī)的功能，無人機(jī)的總體控制原理如圖1所示。

1.1 無人機(jī)模塊

無人機(jī)模塊設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)體感無人機(jī)可以成功起飛升空，并在空中停留一定的時(shí)間，以及可以完成空中的前后左右運(yùn)動(dòng)。

在滿足微型旋翼無人機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的情況下，應(yīng)盡量減少開發(fā)過程中帶來的風(fēng)險(xiǎn)，降低開發(fā)成本。因此，應(yīng)盡量選擇低功耗、高性能、性價(jià)比高的電子元器件[1]。所以我們選用STC15W貼片芯片作為單片機(jī)、選用MPU-6050陀螺儀、無線2.4 G模塊LT8910、設(shè)計(jì)4軸電機(jī)模塊、并配置下載和電池模塊。MPU-6000的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1 000與±2 000°/sec（dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2 g，±4 g，±8 g與±16 g，對姿態(tài)的變化較為敏感，符合我們的制作需求。在STC15W中下載編寫的源程序，通過陀螺儀監(jiān)測無人機(jī)的姿態(tài)狀況，返回?zé)o人機(jī)的姿態(tài)狀態(tài)到單片機(jī)，如果無人機(jī)有所傾斜，則陀螺儀就會(huì)傳回?cái)?shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的判斷，可以判斷出無人機(jī)向哪一側(cè)傾斜，然后由主芯片控制電機(jī)模塊的4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，高度較低的一側(cè)電機(jī)輸出增加，轉(zhuǎn)速加快，通過一直判斷無人機(jī)的姿態(tài)，返回姿態(tài)數(shù)據(jù)給單片機(jī)，從而控制無人機(jī)的平衡。同時(shí)，無線模塊接收到地面站的信號，會(huì)將信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，然后由單片機(jī)控制4個(gè)電機(jī)，來完成前后左后上下等動(dòng)作。

1.2 Kinect傳感器模塊

Kinect是由微軟公司開發(fā)，可以使用肢體動(dòng)作來操作各種軟件、硬件的一套平臺。如圖2所示，它共有3個(gè)鏡頭，分別位于Kinect的兩側(cè)和中間位置。其中，中間的鏡頭是基于RGB的三基色普通攝像機(jī)，作用是用來采集彩色影像。而左邊的鏡頭為微紅外線發(fā)射裝置，右邊的鏡頭是微紅外線（CMOS）攝像機(jī)構(gòu)成的3D立體結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)裝置，是用來采集深度數(shù)據(jù)的實(shí)物距離[2]。

通過傳感器捕捉人物的肢體動(dòng)作，通過深度攝像功能，拍攝出運(yùn)用深淺體現(xiàn)遠(yuǎn)近的圖片，獲得突出手和手臂的動(dòng)作的圖片，通過算法，去除其他部分，分割出手部動(dòng)作，通過識別手勢的一些基本特征來進(jìn)行編號，手指向上則上升，向下則下降，如果手部顏色由深到淺則是拉近，由淺到深則是遠(yuǎn)離，手指向左和向右對應(yīng)的無人機(jī)飛行方向也是向左向右。

1.3 地面站模塊

地面站模塊設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)地面控制終端和無人機(jī)之間的無線通信，使得兩者之間有相互的運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)反饋以及圖像的傳輸與顯示。

在無人機(jī)起飛、飛行、降落的過程中與無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，保證無人機(jī)是在地面控制終端的控制之下。在確定地面控制指令的情況下，地面站通過無線鏈路，在串口通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，將人所發(fā)出的指令傳輸至無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，使得無人機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。與此同時(shí)，無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)也將無人機(jī)上各種傳感器所得的姿態(tài)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)回傳至地面站，并通過地面站的顯示程序和顯示器進(jìn)行顯示。使得操作者可以實(shí)時(shí)看到無人機(jī)的具體運(yùn)行狀態(tài)以及對無人機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

在此設(shè)計(jì)中，地面站連接電腦串口，在電腦程序判斷出來人的手勢動(dòng)作后，串口輸出前后左右上下等指令，通過地面站把指令轉(zhuǎn)換成無線信號的方式發(fā)送出去，從而控制無人機(jī)的飛行，同時(shí)也增加了無人機(jī)的控制距離。同時(shí)，無人機(jī)的飛行狀態(tài)也可以發(fā)送回地面站，再通過地面站傳回電腦，在電腦上顯示一些飛行的參數(shù)，比如高度和角度等。

1.4 控制程序模塊

控制程序模塊設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)Kinect傳感器模塊、地面站模塊和無人機(jī)模塊之間的協(xié)調(diào)控制，使得整體的系統(tǒng)具有良好的完整性和良好的協(xié)調(diào)性。

在控制模塊中，使用了C語言程序進(jìn)行編程，對Kinect傳感器模塊所返回的圖像進(jìn)行程序內(nèi)的算法處理，得到相應(yīng)的手勢動(dòng)作，通過手勢動(dòng)作的辨別得到相應(yīng)的飛行控制指令，通過電腦串口將執(zhí)行指令傳送至地面站模塊，之后控制地面站模塊與無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行無線鏈路的串口通信，將指令傳送至無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，飛行控制系統(tǒng)再控制無人機(jī)上的電機(jī)，完成指定的飛行動(dòng)作。并同時(shí)通過地面站模塊來讀取無人機(jī)飛控所回傳的相應(yīng)的無人機(jī)姿態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并顯示在控制程序的前面板界面上。在電腦程序接收到一些極端姿態(tài)信息（比如連續(xù)翻轉(zhuǎn)，機(jī)身翻轉(zhuǎn)1 s以上默認(rèn)為姿態(tài)危險(xiǎn)）的時(shí)候，那么電腦程序會(huì)發(fā)送緊急停止指令，通過地面站發(fā)送出去，從而使無人機(jī)螺旋槳瞬間停止，從而保證地面人員的安全。在人的動(dòng)作指令沒有發(fā)送時(shí)，無人機(jī)將會(huì)自動(dòng)懸停于空中?？刂瞥绦蛟诒ＷC無人機(jī)受到操控者控制以及回傳數(shù)據(jù)顯示的同時(shí)，也保證了3個(gè)系統(tǒng)模塊的實(shí)時(shí)同步性，以及無人機(jī)操作的安全性，這也是系統(tǒng)整體聯(lián)動(dòng)協(xié)作的基礎(chǔ)。

2 結(jié)語

在本項(xiàng)目中，Kinect體感器手勢控制無人機(jī)擺脫了傳統(tǒng)的遙控器操控方式，為入門級新手提供更加簡單的控制方法，降低了操控的難度。手朝上升空，手朝下降低，伸左手朝左，伸右手朝右等。不同手勢對應(yīng)不同的無人機(jī)操作。新的操作方式，添加了無人機(jī)的可玩性，從遙控器轉(zhuǎn)化為肢體動(dòng)作，降低了上手難度。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張翔，吳嘉敏，王慧，等.微型旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦與電信，2017（12）：5-9.

[2]楊瓊楠，張苗苗，楊聰錕，等.基于Kinect手勢識別的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2018（9）：85-89.