基于手勢識別技術(shù)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

唐亮 TANG Liang；陳立 CHEN Li

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，萍鄉(xiāng) 337000）

0 引言

人工智能的浪潮正在席卷全球，機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等名詞逐漸走進(jìn)人們的生活，它們都同屬于人工智能的范疇。手勢一直被認(rèn)為是一種可以提供更自然、更有創(chuàng)意和更直觀的能與計算機(jī)進(jìn)行通信的交互方式。因此，基于人工智能的手勢識別成為計算機(jī)科學(xué)和語言技術(shù)中的一個重要主題。

接觸式的檢測識別控制系統(tǒng)，存在著諸多的問題。如操作較為復(fù)雜，不夠智能化，對老人和小孩極度不友好；有一些手持式的或者穿戴式的智能識別設(shè)備會有電輻射，對人體會有損害。基于以上實(shí)際，非接觸式的檢測識別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中語音識別、手勢識別是杰出代表。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2008 年，北京航空航天大學(xué)的任程等人用頭盔和數(shù)據(jù)手套研究了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬手；2010 年，清華大學(xué)的沙亮等人研究了基于無標(biāo)記全手勢視覺的人機(jī)交互技術(shù)，提出了一種使用通用攝像頭的車載手勢視覺交互系統(tǒng)的解決方案，復(fù)雜環(huán)境識別率達(dá)80%；2011 年，微軟公司公布了Kinect，該攝像頭可以借助紅外線來識別手勢運(yùn)動；2014 年，中國科學(xué)院大學(xué)的薛姣等人研究了一種基于觸摸屏的手勢遙控系統(tǒng)，平均識別率達(dá)99%；2015 年，江南大學(xué)的姜克等人使用Kinect 研究了基于深度圖像的3D手勢識別，識別率達(dá)76.6%；2015 年，谷歌ATAP 部門公布了Project Soli，該項(xiàng)目采用微型雷達(dá)來識別手勢運(yùn)動，可以捕捉微小動作；2017 年，電子科技大學(xué)的王琳琳等人研究了基于慣性傳感器的手勢交互方法，準(zhǔn)確率達(dá)96.7%。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文以手勢識別系統(tǒng)為研究對象，通過研究分析，獨(dú)立設(shè)計出一套完整的高精度的手勢識別系統(tǒng)，并應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)與教學(xué)實(shí)踐中。根據(jù)前期調(diào)研，具有廣泛的應(yīng)用前景，對科研、生產(chǎn)有極大的促進(jìn)作用。

本文以STC89C51 單片機(jī)芯片為整個系統(tǒng)的控制核心，前置PAJ7620U2 傳感器最為控制系統(tǒng)的手勢檢測模塊，主要用于檢測實(shí)時傳輸?shù)氖謩菪盘枴Ｊ謩菪盘柾ㄟ^傳感器檢測后，進(jìn)行分析處理，實(shí)時比對樣本數(shù)據(jù)庫，識別出檢測樣本，將對應(yīng)的手勢信號傳輸給控制核心的輸入引腳，控制核心通過內(nèi)部邏輯運(yùn)算，將輸出命令通過輸出引腳傳輸給外圍電路，啟動繼電器和電子電氣電路，實(shí)時控制智能家居設(shè)備、智能汽車、輔助醫(yī)療設(shè)備、智能穿戴設(shè)備等。整個系統(tǒng)通過手勢就能完成非接觸式的工程控制。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

3.1 STC89C51 單片機(jī)芯片

STC89C51 是一款低功耗、高性能的微控制處理芯片，是Atmel 公司生產(chǎn)的一種高密度非易失性高性能芯片。具有在線編程與高精度的控制功能。本文選擇這款單片機(jī)的主要原因是，價格實(shí)惠，選取簡單，相關(guān)技術(shù)資料容易獲得。這款單片機(jī)工作電壓、工作溫度、存儲容量等性能參數(shù)能完全滿足項(xiàng)目需求。STC89C51 單片機(jī)開發(fā)板如圖2 所示。

圖2 STC89C51 單片機(jī)開發(fā)板

3.2 PAJ7620U2 傳感器

PAJ7620U2 是一款集成3D 手勢識別和運(yùn)動跟蹤為一體的交互式傳感器，傳感器可以在有效范圍5~15cm 內(nèi)識別9 種基本手勢動作，分別是：上、下、左、右、前、后、順時針選擇旋、轉(zhuǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)、揮動等，具有尺寸小、功能多、反應(yīng)快、抗干擾，能夠搭配各種型號的單片機(jī)。PAJ7620U2傳感器能識別的九種動作如圖3 所示。

圖3 PAJ7620U2 傳感器能識別的九種動作

PAJ7620U2 的工作原理是通過傳感器自身搭載的LED 驅(qū)動器和傳感器感應(yīng)整列，目標(biāo)信息提取陣列和手勢識別陣列。手勢信號通過傳感器檢測后，進(jìn)行分析處理，實(shí)時比對樣本數(shù)據(jù)庫，識別出檢測樣本，將對應(yīng)的手勢信號傳輸給控制核心的輸入引腳，控制核心通過內(nèi)部邏輯運(yùn)算，將輸出命令通過輸出引腳傳輸給外圍電路，啟動繼電器和電子電氣電路，實(shí)時控制智能家居設(shè)備、智能汽車、輔助醫(yī)療設(shè)備、智能穿戴設(shè)備等。可以用于各類產(chǎn)品的控制，如手勢控制臺燈、手勢智能風(fēng)扇、手勢控制小車等智能產(chǎn)品。PAJ7620U2 的電子原理圖如圖4 所示。

圖4 PAJ7620U2 的電子原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

4.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

基于手勢識別技術(shù)的智能控制系統(tǒng)的軟件部分由單片機(jī)仿真軟件、單片機(jī)PCB 制圖軟件、單片機(jī)程序編程軟件、單片機(jī)程序燒入軟件組成。單片機(jī)軟硬件聯(lián)調(diào)仿真軟件為：Proteus 7 Professional ，可以實(shí)現(xiàn)不依賴硬件的在線或者離線仿真，判斷編寫的程序和設(shè)計的電路圖是否能夠仿真實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)編程軟件為Keil uVision4，可以實(shí)現(xiàn)基于C 語言的程序編寫，編譯。單片機(jī)PCB 制版軟件為Altium Designer 6，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)硬件從原理圖到3D 實(shí)物圖的轉(zhuǎn)變方便后續(xù)實(shí)物制版。軟件的應(yīng)用極大降低了開發(fā)成本和開發(fā)周期。 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要由系統(tǒng)初始化、手勢模式識別、手勢模式識別判斷、控制驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

5 系統(tǒng)應(yīng)用場景與后期展望

基于手勢識別技術(shù)的智能控制系統(tǒng)在智能家居、智能玩具、輔助醫(yī)療、智能穿戴都有廣泛的應(yīng)用。在工程應(yīng)用方面，計算機(jī)通過對手勢的分析理解，可以進(jìn)一步開發(fā)出相應(yīng)的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。特別是在疫情肆虐的當(dāng)下，可以更好地實(shí)現(xiàn)非接觸控制操作。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，在智能家電、家用機(jī)器人、可穿戴、兒童教具等硬件設(shè)備上，通過手勢識別，并用手勢控制對應(yīng)的功能，人機(jī)交互方式將會變得趨于更加自然、更加智能、更加靈活。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于手勢識別技術(shù)的智能控制系統(tǒng)，搭建了先應(yīng)的軟、硬件平臺框架，介紹了本文論述系統(tǒng)的應(yīng)用場景，并做了后期展望。該設(shè)計電路原理圖簡單，選擇的硬件平臺合理，有穩(wěn)定性高、成本低、非接觸、操作簡單等特點(diǎn)。通過該系統(tǒng)的設(shè)計與研究，可以應(yīng)用到生活生產(chǎn)中的多種場景本文利用STC89C51 單片機(jī)芯片和PAJ7620手勢傳感器設(shè)計了一套基于手勢識別技術(shù)的智能控制系統(tǒng)，能夠應(yīng)用在非接觸的生活場景中，替代了傳統(tǒng)的接觸式的控制方式。具有較高的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價值。