基于人機(jī)互動(dòng)技術(shù)的體感控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的進(jìn)步，電子科技也在飛速的發(fā)展，從鼠標(biāo)、鍵盤、手柄到觸摸屏，再到現(xiàn)在的體感傳感器，電子產(chǎn)品輸入與輸出設(shè)備在不斷改進(jìn)。然而，以前傳統(tǒng)的手控人機(jī)互動(dòng)形式已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代人強(qiáng)烈的個(gè)性化需求，因此隨著時(shí)代的發(fā)展，提出了更加深層次的人機(jī)互動(dòng)智能化需求。本設(shè)計(jì)以此為出發(fā)點(diǎn)構(gòu)建并設(shè)計(jì)了此款體感控制系統(tǒng)。項(xiàng)目基于Windows平臺(tái)，結(jié)合了景深圖像采集、人機(jī)交互、體感識(shí)別、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了人體姿態(tài)動(dòng)作遠(yuǎn)程操控智能小車完成相應(yīng)指令動(dòng)作。對(duì)此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究，旨在為后期舞蹈機(jī)器人的動(dòng)作訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)，起到拋磚引玉作用。

關(guān)鍵詞：人機(jī)交互;體感識(shí)別;Kinect;無線智能車

Abstract：In recent years，with the development of society and the progress of human beings， electronic technology is also developing rapidly. From mouse，keyboard，handle to touch screen，and now to the body sensor，the input and output devices of electronic products are constantly improving. However，the traditional form of human-computer interaction has been increasingly unable to meet the strong personalized needs of modern people，so with the development of the times，a deeper demand for human-computer interaction intelligence has been put forward. This design takes this as a starting point to construct and design the somatosensory control system. Based on Windows platform，the project combines depth-of-field image acquisition，human-computer interaction，somatosensory recognition，wireless transmission and other technologies to achieve the remote control of human gesture action intelligent car to complete the corresponding command actions. The design and research of this project aims to lay a foundation for the later stage of the dance robots action training and play a role in attracting valuable ideas.

Keywords：human-computer interaction;motion recognition;Kinect;wireless intelligent car

1? 項(xiàng)目介紹

1.1? 項(xiàng)目研究背景

大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，對(duì)于整個(gè)信息行業(yè)來說無疑是一個(gè)意義深遠(yuǎn)的革新，顛覆了傳統(tǒng)時(shí)代的傳播模式，而人機(jī)互動(dòng)體感控制系統(tǒng)，作為媒體信息傳播的一個(gè)載體，也是最先深受大數(shù)據(jù)影響的一個(gè)信息領(lǐng)域之一。本系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)的多次模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲覀冋幱谛畔⒋蟊ǖ臅r(shí)代，海量的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)和管理，數(shù)據(jù)會(huì)不斷地增多，所以我們需要有新的技術(shù)對(duì)這個(gè)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和模擬。通過多次的模擬訓(xùn)練，能夠借助人體的感受去改進(jìn)機(jī)器的運(yùn)行軌跡，這也是人工智能化的需求方向。

1.2? 項(xiàng)目方案的研究?jī)?nèi)容和特色

軟件的需求分析是了解用戶的需求，滿足用戶對(duì)軟件的需要的一步。本系統(tǒng)使用的是Microsoft公司的Kinect體感控制模塊，相對(duì)于其他控制系統(tǒng)效率更高，基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)和分析，作為控制核心部分可對(duì)內(nèi)外都進(jìn)行支持。我們?cè)谶@里使用了它的一個(gè)非常優(yōu)秀的功能，Kinect是一款非常優(yōu)秀的人機(jī)互動(dòng)的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)單方便。將Kinect收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)nRF2401發(fā)送至小車控制端，小車接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過分析判斷，手臂張開：停止，雙手合：后退，雙收伸開：前進(jìn)，還有左拐和右拐體感控制。此設(shè)計(jì)的特色是：不同于以往的其他方式，Kinect體感控制模塊是一個(gè)輕量級(jí)的人機(jī)互動(dòng)管理系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)管理方便，高效。Kinect體感控制模塊的優(yōu)點(diǎn)就是相比較其他的控制管理系統(tǒng)，在操作中是非常簡(jiǎn)單的，這是它很重要的一個(gè)性質(zhì)，所以，使用它是有很大優(yōu)勢(shì)的，并非常符合時(shí)代的特性。

2? 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1? 項(xiàng)目的需求分析

此次的設(shè)計(jì)功能分析是本系統(tǒng)根據(jù)用戶調(diào)查、網(wǎng)站比較后，找出的用戶需求，為了更貼近用戶的需求，得出本系統(tǒng)需要完成的功能。具體功能如下：首先本系統(tǒng)可以分為兩個(gè)組成部分，體感識(shí)別和智能小車。不同的角色分別有不同的功能。所以，我們可以分析不同角色的意義。此次的設(shè)計(jì)為基于無線nRF2401智能車的體感控制系統(tǒng)，具體要求為：Kinect采集人體動(dòng)作信息，通過無線通信設(shè)備向智能小車發(fā)出指令，小車根據(jù)體感命令做出預(yù)定指令動(dòng)作。

2.2? 項(xiàng)目整體方案設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈魂，如果在這一步?jīng)]有認(rèn)真對(duì)待，對(duì)于系統(tǒng)的完成和后期的維護(hù)將會(huì)造成很大的影響。人機(jī)互動(dòng)，是人工智能工程中必不可少的部分，對(duì)于每個(gè)開發(fā)者來說都是很重要的。人機(jī)互動(dòng)能夠幫助我們以更加直觀的方式來表現(xiàn)系統(tǒng)的后臺(tái)設(shè)計(jì)，同時(shí)又能使我們更加清晰地明白每個(gè)模塊與模塊之間的聯(lián)系和區(qū)別。所以，我們需要用體感識(shí)別控制系統(tǒng)的方式來表現(xiàn)我們的設(shè)計(jì)。

3? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

此次的設(shè)計(jì)任務(wù)為基于無線Wi-Fi智能車的體感控制系統(tǒng)，具體要求為：Kinect采集人體動(dòng)作信息，通過無線通信設(shè)備向智能小車發(fā)出指令，小車根據(jù)體感命令做出預(yù)定指令動(dòng)作。此次設(shè)計(jì)任務(wù)由兩個(gè)部分組成，分別是體感識(shí)別部分和智能小車部分。

3.1? Kinect資源簡(jiǎn)介

Kinect是美國(guó)微軟公司的一款自然交互設(shè)備，在2010年11月4日正式推出，其硬件研發(fā)綜合了聲、光、電、機(jī)械學(xué)等多項(xiàng)復(fù)雜技術(shù)，有近千個(gè)單元模塊組成，在學(xué)術(shù)界和游戲界有極高的關(guān)注度。Kinect下屬兩大版本：Kinect for Xbox和Kinect for Windows，本次設(shè)計(jì)項(xiàng)目中使用的為Kinect for Xbox版本。Kinect作為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集傳感設(shè)備，其硬件構(gòu)成可分為四大部分，分別是圖像采集攝像頭、立體音頻采集源、數(shù)據(jù)處理器和傳動(dòng)外設(shè)。

Kinect包括了3組攝像頭、4個(gè)麥克風(fēng)陣列和一個(gè)機(jī)動(dòng)馬達(dá)。3組攝像頭，中間的是RGB攝像頭，可以用來捕獲640×480的彩色圖像，高速處理每秒鐘最多可獲取30幀的靜態(tài)圖像。在Kinect的兩邊是兩個(gè)深度傳感器，紅外線發(fā)射器和紅外線接收器分別在左側(cè)和右側(cè)，他們用來檢測(cè)玩家相對(duì)模塊的位置。Kinect的兩側(cè)是元麥克風(fēng)陣列，他們用來定位聲音的來源和進(jìn)行語音識(shí)別，從而可以有效地消除噪聲干擾，近而達(dá)到完美的識(shí)別聲音，在操作的同時(shí)配合軟件就可以實(shí)現(xiàn)特定語音識(shí)別。Kinect傳感器下方有個(gè)底座內(nèi)置了可編程控制馬達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整俯仰角度，自動(dòng)對(duì)焦，以獲取最佳視場(chǎng)和擴(kuò)展適用場(chǎng)合。

3.2? 無線智能車的硬件結(jié)構(gòu)

無線智能車作為體感控制系統(tǒng)的受控部分，其主要功能表現(xiàn)為兩點(diǎn)：

（1）接收體感遠(yuǎn)程指令，完成相應(yīng)預(yù)制動(dòng)作。

（2）有效智能避障。

因此，智能車基于此兩項(xiàng)主要功能的硬件搭建包含了電源部分、主控部分、動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)部分、無線通訊部分。

3.2.1? 電源部分

每一件電子作品的功能實(shí)現(xiàn)，都需要優(yōu)良穩(wěn)定的電源作為前提，因此電源部分的設(shè)計(jì)很大程度上決定著整個(gè)系統(tǒng)的工作正常與否。鑒于智能車涉及了帶有感應(yīng)線圈的直流減速電機(jī)動(dòng)力源以及數(shù)字主控部分，為避免二者產(chǎn)生不必要的干擾，特采用單電源雙穩(wěn)壓輸出以及繼電器隔離設(shè)計(jì)。鑒于智能車特殊應(yīng)用及車體設(shè)計(jì)，常規(guī)鋰電池不足以滿足使用要求，因此主電源采用了硅能太陽能電池，實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)力、長(zhǎng)放電的需求。而穩(wěn)壓隔離保護(hù)部分采用了雙開關(guān)電源模塊的設(shè)計(jì)，主芯片LM2576-ADJ低功耗輸出穩(wěn)定，最大電流輸出為3A。模塊特別加入了濾波、穩(wěn)壓、保護(hù)部分，實(shí)現(xiàn)了主控的穩(wěn)定、純凈電源需求和動(dòng)力電機(jī)的穩(wěn)定、大電流輸出。

3.2.2? 主控部分

從實(shí)用性、性價(jià)比綜合考慮，最終智能車主控部分采用了基于STC12C5A60S2的增強(qiáng)型主控，滿足了本次設(shè)計(jì)的各項(xiàng)需求。

3.2.3? 無線通信部分

目前，世界上短距離的無線傳輸主要有兩類實(shí)現(xiàn)途徑，其中一類是基于IrDA的紅外無線通信技術(shù)，另外一類是基于ISM頻段射頻通信技術(shù)。這兩種技術(shù)各有千秋，應(yīng)用場(chǎng)合分工不同。至于選擇哪種技術(shù)更加優(yōu)越，則由實(shí)際的工作環(huán)境和器件性價(jià)比來共同決定。通過常用通信技術(shù)的分析，他們都滿足了短距離無線傳輸?shù)目煽總鬏敚壳氨容^流行的無線傳送技術(shù)主要是：藍(lán)牙、紅外技術(shù)、ISM單片射頻技術(shù)。前兩種技術(shù)不具備相應(yīng)硬件基礎(chǔ)并且通信距離相對(duì)較短，ISM單片射頻技術(shù)為硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一的嵌入式環(huán)境提供了一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、簡(jiǎn)單的解決方案。

4? 系統(tǒng)測(cè)試

本章將介紹對(duì)整個(gè)體感識(shí)別系統(tǒng)的測(cè)試情況，首先介紹測(cè)試軟硬件平臺(tái)與測(cè)試環(huán)境，然后介紹測(cè)試目的和方法，最后分析系統(tǒng)輸出結(jié)果。最終結(jié)果表明體感識(shí)別系統(tǒng)完成了既定的所有功能與任務(wù)。

4.1? 測(cè)試平臺(tái)

本系統(tǒng)硬件構(gòu)成：一臺(tái)本地PC計(jì)算機(jī)、一個(gè)Kinect、若干攝像頭、一個(gè)帶nRF2401通信控制器的四輪智能小車。

4.2? 測(cè)試對(duì)象和方法

（1）測(cè)試骨骼跟蹤算法。此算法就是通過觀察骨骼窗口收集后產(chǎn)生的骨骼跟蹤圖像而分析結(jié)果。為了區(qū)分不同距離產(chǎn)生的不同識(shí)別情況，本設(shè)計(jì)中也做了大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及觀察。最后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，識(shí)別的有效距離為2.0m到5.1m，在這個(gè)范圍內(nèi)都可以有效識(shí)別骨骼圖像，如果超過有效范圍，則會(huì)出現(xiàn)未知錯(cuò)誤。

（2）測(cè)試動(dòng)作識(shí)別算法。受測(cè)試人站在Kinect攝像頭可識(shí)別的范圍之內(nèi)，做出規(guī)定的動(dòng)作比如“雙手合”等，然后觀察電腦的上位機(jī)運(yùn)行操作界面對(duì)應(yīng)的顯示窗口中識(shí)別輸出結(jié)果，如表1所示。

（3）上位機(jī)對(duì)控制體智能車的控制實(shí)現(xiàn)。先使整個(gè)體感識(shí)別系統(tǒng)聯(lián)機(jī)正常工作，通過nRF2401發(fā)送串口識(shí)別命令，實(shí)現(xiàn)體感的各種信息對(duì)小車的正確控制。接著就是對(duì)比體感命動(dòng)作命令，然后觀察小車的運(yùn)行狀態(tài)，以此對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確。由于使用nRF2401與串口通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換信號(hào)，通訊基本沒有空間干擾等產(chǎn)生嚴(yán)重性錯(cuò)誤。最后得出識(shí)別結(jié)果和（2）測(cè)試動(dòng)作識(shí)別算法的結(jié)果是相同的，上位機(jī)通過Kinect能夠非常完美的來控制下位機(jī)近而控制小車完成所有的既定動(dòng)作。

5? 結(jié)? 論

體感控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，編寫的上位機(jī)軟件可以順利地處理Kinect采集的圖像數(shù)據(jù)并生成相應(yīng)的串口數(shù)據(jù)，然后經(jīng)串口轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)化為2.4G無線數(shù)據(jù)。單片機(jī)可以順利地控制2.4G無線模塊和PC機(jī)進(jìn)行通信。單片機(jī)作為下位機(jī)控制智能小車做出相應(yīng)的動(dòng)作。但是，在制作的過程中遇到了反應(yīng)不靈敏等現(xiàn)象。例如：小車在行進(jìn)過程中出現(xiàn)了抖動(dòng)的現(xiàn)象，主要原因是單片機(jī)程序處理串口數(shù)據(jù)并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)斷續(xù)，后來通過延長(zhǎng)電機(jī)的動(dòng)作時(shí)間得以解決。從目前的情況來看，這個(gè)系統(tǒng)依然存在圖像數(shù)據(jù)分析不精細(xì)的情況，例如：在人體動(dòng)作里面有兩個(gè)人同時(shí)做出動(dòng)作，就會(huì)出現(xiàn)混亂的情況。而且無線數(shù)據(jù)通信距離有限的問題，如果PC機(jī)和智能小車存在一堵墻或者距離較遠(yuǎn)時(shí)，就無法完成數(shù)據(jù)通信。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余濤.Kinect應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)：用最自然的方式與機(jī)器對(duì)話 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2] [美]Kenneth A.Reek著.C和指針 [M].徐波，譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[3] 薛凱.新型人機(jī)互動(dòng)技術(shù)在游戲中的應(yīng)用探索 [J].寧夏師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，32（6）：55-58.

[4] 孫金山.基于體感技術(shù)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用 [J].藝術(shù)科技，2017，30（10）：103.

[5] 崔鵬.基于前臂運(yùn)動(dòng)的體感控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D].秦皇島：燕山大學(xué)，2016.

[6] 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（3）：155-158.

[7] 孫勇.微功率分組無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].北京：北京郵電大學(xué)，2004.

作者簡(jiǎn)介：張林強(qiáng)（1990.08-），男，漢族，河南駐馬店人，教師，副科級(jí)輔導(dǎo)員，助教，助理工程師，自動(dòng)化專業(yè)，本科，主要研究方向：電氣工程、思想政治。