體感識(shí)別的平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李佳怡

摘要：本設(shè)計(jì)基于Kinect攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輪平衡車的體感控制，當(dāng)人體做出相應(yīng)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)獲取骨骼信息并轉(zhuǎn)換成控制指令發(fā)送至平衡車，對(duì)小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向等體感控制。

關(guān)鍵詞：Kinect攝像頭;平衡車;體感控制;骨骼信息

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0007-02

近年來，人機(jī)交互技術(shù)的研究非常活躍，體感識(shí)別是一種自然且符合用戶行為習(xí)慣的交互方式，具有直觀性和便捷性的特點(diǎn)，是新型人機(jī)交互技術(shù)的理想選擇[1]。體感識(shí)別的研究意義在于能夠使計(jì)算機(jī)識(shí)別人類肢體的各種動(dòng)作，并按預(yù)定規(guī)則轉(zhuǎn)換成控制指令，從而控制被控對(duì)象。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于Kinect攝像頭和Visual Studio 2012平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)骨骼節(jié)點(diǎn)信息對(duì)人體姿態(tài)識(shí)別并轉(zhuǎn)換命令，通過藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸完成圖像的骨骼跟蹤，實(shí)現(xiàn)人體姿態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)指令控制平衡車動(dòng)作[2]。其中，平衡車控制系統(tǒng)包括單片機(jī)STM32F103、姿態(tài)傳感器MPU6050、編碼器、藍(lán)牙模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和穩(wěn)壓模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(shè)，利用軟件可以調(diào)節(jié)攝像頭的上下角度，通過身體動(dòng)作或者語音就能夠直接完成操作，使其具有更好的視場(chǎng)。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(shì)識(shí)別等功能，可支持6人同時(shí)操作[3]，Kinect攝像頭如圖2所示。

2.2 單片機(jī)STM32F103

本設(shè)計(jì)采用STM32F103單片機(jī)為控制核心，內(nèi)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(tài)傳感器MPU6050

MPU6050是世界上首款用于智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備的低功耗、低成本和高性能移動(dòng)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(jì)，對(duì)快速和慢速運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，提供一個(gè)可編程的陀螺儀，其工作電路圖如圖4所示。

2.4 藍(lán)牙模塊HC-05

HC-05藍(lán)牙模塊是主從一體的串口模塊，當(dāng)建立連接時(shí)，兩設(shè)備共同使用同一個(gè)串口，一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個(gè)設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

TB6612FNG是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可選四種工作模式，同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，工作電路如圖5所示。

2.6 顯示模塊

OLED12864為自發(fā)光材料，無需背光板，視角廣、畫質(zhì)均勻、反應(yīng)速度快、較易彩色化、用簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路即可達(dá)到發(fā)光、制程簡(jiǎn)單、可制作成撓曲式面板，符合輕薄短小的原則，應(yīng)用范圍屬于中小尺寸面板。驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括主程序、車速采集子程序、姿態(tài)采集子程序、Kinect圖像識(shí)別子程序等[5]。軟件的功能分為監(jiān)控軟件（主程序）和執(zhí)行軟件（子程序），其中監(jiān)控軟件（主程序）作為控制系統(tǒng)的核心部分，作用是協(xié)調(diào)主程序和各子程序之間的關(guān)系，而執(zhí)行程序（子程序）是用來完成各種具體的實(shí)質(zhì)性功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 平衡車靜態(tài)調(diào)試

平衡車在靜止時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)基本任務(wù)：（1）平衡控制：驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)角以實(shí)現(xiàn)其速度控制，本質(zhì)上是利用電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)控制車速;（3）轉(zhuǎn)向控制：憑借兩電機(jī)差速控制完成小車控制轉(zhuǎn)向。

4.2 Kinect體感識(shí)別調(diào)試

系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試Kinect圖像數(shù)據(jù)，人體雙臂平直，雙手握拳，控制平衡車進(jìn)行前進(jìn)動(dòng)作，前進(jìn)姿態(tài)獲取及自衡車動(dòng)作圖如圖6所示。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Kinect攝像頭對(duì)平衡車的體感控制，能夠?qū)崿F(xiàn)顯示采集圖像、骨骼識(shí)別和處理。當(dāng)肢體姿態(tài)符合預(yù)設(shè)動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)控制指令。本設(shè)計(jì)能快速準(zhǔn)確的識(shí)別人體動(dòng)作，并以圖像形式進(jìn)行顯示，還能夠通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至兩輪自平衡車，將體感識(shí)別與自衡車結(jié)合的交互系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航定位、科學(xué)勘探等工作領(lǐng)域有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 董士海.人機(jī)交互的進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004，15（01）：70-78.

[3] 韓崢，劉華平，黃文炳.基于Kinect的機(jī)械臂目標(biāo)抓取[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013，8（2）：149-155.

[4] 賴義漢，王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，25（01）：53-57.

[5] 付京遜.機(jī)器人學(xué)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2003.