基于壓電光能互補(bǔ)的手勢識(shí)別防碰撞小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王威 田碩 王旭 王弘燁 何晨陽 韓芝俠

摘 要：【目的】本研究設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基于壓電光能互補(bǔ)的手勢識(shí)別防碰撞小車控制系統(tǒng)。【方法】該系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)為主控系統(tǒng)，包含超聲波避障單元、手勢識(shí)別遙控單元、電源單元及小車被控對象。【結(jié)果】該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手勢遙控操作，能檢測和顯示小車與障礙物的距離，并自動(dòng)避障的防碰撞小車系統(tǒng)。【結(jié)論】該設(shè)計(jì)方案簡單實(shí)用，具有低功耗、智能控制特點(diǎn)，且基于太陽能發(fā)電板和壓電發(fā)電這兩種互補(bǔ)式清潔能源的供電方式，能大大提高系統(tǒng)的續(xù)航能力。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波避障；手勢識(shí)別；防碰撞小車

中圖分類號：TP23? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）08-0018-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.004

Design of Gesture Recognition Anti-Collision Car Control System Based on Piezoelectric Light Energy Complementation

WANG Wei TIAN Shuo WANG Xu WANG Hongye HE Chenyang HAN Zhixia

（Baoji University of Arts and Sciences， School of Electronic and Electrical Engineering， Baoji 721016， China）

Abstract： [Purposes] This study designs and makes a gesture recognition anti-collision car control system based on piezoelectric light energy complementation. [Methods] This system uses Arduino microcontroller as the main control system， including ultrasonic obstacle avoidance unit， gesture recognition remote control unit， power unit and car controlled object.? [Findings] An anti-collision car system based on gesture remote control is realized， which can detect and display the distance between the vehicle and obstacles and automatically avoid obstacles. [Conclusions] The scheme， which is simple and practical， has the characteristics of low power consumption and intelligent control. Based on two complementary clean energy power supply modes of solar panel and piezoelectric power generation， the battery endurance of the system is greatly improved.

Keywords： singlechip;ultrasonic obstacle avoidance; gesture recognition;anti-collision car

0 引言

隨著汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，汽車已成為日常生活中的必需品。由于跟車距離過近、汽車與障礙物之間距離過短及駕駛員面對意外情況時(shí)錯(cuò)誤應(yīng)急反應(yīng)等容易導(dǎo)致交通事故頻發(fā)。為了便于駕駛者進(jìn)行操作，未來汽車需要具有防碰撞系統(tǒng)和智能化控制，手勢識(shí)別控制必然會(huì)成為人機(jī)交互、智能控制不可或缺的一部分［1］。此外，為解決汽車行駛帶來的污染問題，可將太陽能和壓電技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)式清潔供能，能更加穩(wěn)定、高效、安全地提高系統(tǒng)續(xù)航能力［2］。

1 設(shè)計(jì)方案

本研究給出的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)為控制核心，包括由超聲波模塊、舵機(jī)云臺(tái)、LCD顯示器及蜂鳴器組成的超聲波避障單元，由運(yùn)動(dòng)傳感器、處理器及藍(lán)牙模塊組成的手勢遙控單元，由蓄電池、太陽能電池板、壓電發(fā)電組件組成的電源單元，由驅(qū)動(dòng)芯片和電機(jī)組成的被控對象車輛及按鍵和復(fù)位電路。系統(tǒng)上電后，主機(jī)藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī)藍(lán)牙上，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，對數(shù)據(jù)整合處理，手勢識(shí)別遙控單元據(jù)此來控制車輛的行駛方向和速度，由安裝在舵機(jī)云臺(tái)上的超聲波傳感器進(jìn)行測距。單片機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果顯示在液晶屏上，同時(shí)判斷車輛是否繼續(xù)行進(jìn)或轉(zhuǎn)彎避開。若檢測到的距離小于安全閾值，則發(fā)送指令給驅(qū)動(dòng)芯片，對電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，同時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)。整個(gè)系統(tǒng)由蓄電池作為中轉(zhuǎn)，采用太陽能發(fā)電和壓電發(fā)電兩種清潔能源。按鍵電路可避免錯(cuò)誤操作，若操作者誤碰車輛開關(guān)，仍需按下按鍵進(jìn)行二次確認(rèn)，復(fù)位電路的設(shè)計(jì)有利于對程序進(jìn)行初始化。

2 核心單元硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 手勢識(shí)別遙控單元

RF-NANO微處理器有14路數(shù)字輸入/輸出口、8路模擬輸入、一個(gè)16 MHz晶體振蕩器、一個(gè)USB-Micro口、一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。MPU6050運(yùn)動(dòng)傳感器有兩個(gè)處理組件，一個(gè)是三軸陀螺儀，可感知方向，用來控制小車行駛的方向；另一個(gè)是三軸加速器，可感知傾斜角度，用來控制小車行駛的速度。該芯片包含一個(gè)內(nèi)置硬件濾波算法的數(shù)據(jù)處理子模塊DMP，無須再做濾波處理［3］。

JDY-16是主從一體的藍(lán)牙模塊，設(shè)置手勢識(shí)別控制系統(tǒng)上的藍(lán)牙為主模式，小車上的藍(lán)牙為從模式。通電后兩者相互連接，主機(jī)藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)，通過手勢識(shí)別控制系統(tǒng)來控制車輛行駛方向和速度。

2.2 超聲波避障單元

HC-SR04超聲波模塊具有2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)3 mm［4］。根據(jù)超聲波發(fā)出到收回的時(shí)間差，可計(jì)算出超聲波模塊與障礙物的距離［5-6］，見式（1）。

L=C×T? ?（1）

式中：L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時(shí)間差，即發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半。

2.3 清潔能源互補(bǔ)式供能單元

安裝在車輛頂部的太陽能電池板將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能，輸送給蓄電池。為保證能量供應(yīng)充足穩(wěn)定，還設(shè)計(jì)了壓電發(fā)電組件與其互補(bǔ)。壓電發(fā)電使用的材料是壓電陶瓷，當(dāng)其受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象，且極化值與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)被稱為正壓電效應(yīng)［7］。將該組件安裝在車輛輪胎上，以輪胎在行進(jìn)中的擠壓力作為壓電發(fā)電的動(dòng)力來源，使車輛具有更持久的續(xù)航能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體流程

該系統(tǒng)是在Arduino IDE開發(fā)環(huán)境中用C語言來完成編程的［8］。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。開機(jī)后對按鍵進(jìn)行掃描，在確定是操作者按下按鍵后啟動(dòng)車輛，開始超聲波測距，判斷車輛與前方障礙物的距離，液晶屏實(shí)時(shí)顯示測量距離。若距離大于安全閾值，車輛根據(jù)手勢遙控指令行進(jìn)。若小于閾值，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)，車輛自動(dòng)進(jìn)行避障。在行進(jìn)過程中采集手勢信息、障礙信息等進(jìn)行處理，將指令反饋給各個(gè)運(yùn)行單元。

3.2 手勢識(shí)別遙控流程

MPU6050芯片自帶的坐標(biāo)系是以芯片中心為坐標(biāo)原點(diǎn)、水平向右為X軸、豎直向上為Y軸、指向自己為Z軸。將車輛正前方、正后方、正左方、正右方分別定義為90°、270°、180°、360°。則0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°分別為車輛的右前方、左前方、左后方、右后方。將其安裝到手勢識(shí)別遙控系統(tǒng)中，建立同樣的坐標(biāo)系，在操作者手所在平面上形成X-O-Y平面直角坐標(biāo)系，以垂直于手所在平面為Z軸，形成X-Y-Z空間直角坐標(biāo)系。初始狀態(tài)時(shí)，手平面與XY平面平行，四指指向Y軸正方向。當(dāng)手勢發(fā)生改變時(shí)，OA（四指指向）與XY、XZ、YZ平面均形成夾角，將與XZ平面形成的夾角AOA "定義為Roll角，與YZ平面形成的夾角AOA'''定義為Pitch角。通過Pitch角和Roll角可計(jì)算出手勢在XY平面的投影與X軸的夾角Degree，見式（2）。

Degree= arctan（[RollPitch]） （2）

由公式（２）得轉(zhuǎn)向余弦角度，在轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)度數(shù)時(shí)要乘以系數(shù)180/π=57.3，即車輛行駛方向。當(dāng)Pitch<0且Roll<0時(shí)，操作者手勢向右前方傾斜，即向0°～90°區(qū)域傾斜，車輛向右前方行駛；當(dāng)Pitch>0且Roll<0時(shí)，操作者手勢向左前方傾斜，即向90°～180°區(qū)域傾斜，車輛向左前方行駛。

此外，MPU6050芯片還有四個(gè)不同的倍率范圍，可用來擴(kuò)展加速度測量范圍。16位存儲(chǔ)器的取值個(gè)數(shù)為65 536，選擇-32 768～32 767為存儲(chǔ)器的取值范圍。例如，設(shè)置的倍率為2 g，3軸加速度的X軸在存儲(chǔ)器某一時(shí)刻存儲(chǔ)值為正數(shù)c，此時(shí)芯片在X軸所感受的加速度a的計(jì)算見式（３）。

a=-[c32 767] × 2? （3）

以此類推，通過XYZ軸配合，便能測得芯片在空間各個(gè)方向的加速度。

手勢傾斜有兩種角度，一是與陀螺儀自帶的XYZ軸的夾角，夾角不同，車輛的行駛方向角也就不同；二是與水平面的夾角，夾角不同，重力在加速度傳感器上施加的力也不同，就會(huì)有不同的參數(shù)傳回，通過不同參數(shù)范圍和車輛速度范圍的對應(yīng)，就可實(shí)現(xiàn)對車輛速度的控制。

3.3 超聲波避障控制流程

當(dāng)車輛與障礙物的距離小于安全閾值時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)，車輛停止行駛，超聲波探頭左右掃描，對車輛的左方和右方進(jìn)行測距，將測量到的數(shù)據(jù)上傳給單片機(jī)進(jìn)行處理，再由單片機(jī)下達(dá)指令給電機(jī)，使得車輛向測距最遠(yuǎn)的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向。超聲波避障控制流程如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

車輛進(jìn)行測試的實(shí)物如圖4所示，通過程序?qū)④囕v的測距報(bào)警閾值設(shè)置為15 cm。將車輛放在一片空地上，并在車輛前方距10 cm、100 cm、800 cm處放置障礙物，進(jìn)行三次試驗(yàn)。

①試驗(yàn)一（車輛與障礙物距離為10 cm）。啟動(dòng)車輛，車輛瞬間發(fā)出警報(bào)，測距顯示為9 cm（有誤差），車輛停在原地約0.5 s后，超聲波探頭配合舵機(jī)對車輛左方、右方進(jìn)行測距，并向左方更為空曠區(qū)域轉(zhuǎn)向1 s左右，然后進(jìn)入直行狀態(tài)約0.5 s后，操作者可使用手勢對其進(jìn)行操作。

②試驗(yàn)二（車輛與障礙物距離為100 cm）。啟動(dòng)車輛，車輛直接向前行駛，隨后將距離信息顯示在液晶屏上，約0.5 s后小車按操作者的手勢來行駛。當(dāng)車輛與前方障礙物距離約為15 cm時(shí)，小車發(fā)出警報(bào)。

③試驗(yàn)三（車輛與障礙物距離為800cm）。啟動(dòng)車輛，車輛直接向前行駛，約0.5 s后按照操作者手勢行駛。測距信息在液晶屏上長時(shí)間不顯示，隨后跳變成各種異常數(shù)字。直到操作者操縱車輛距障礙物400 cm左右時(shí)，測距信息逐漸顯示正常，這說明該超聲波模塊的最大測量范圍為400 cm。

5 結(jié)語

聯(lián)合測試證明，車輛可實(shí)現(xiàn)良好的防碰撞功能，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與理論設(shè)計(jì)分析一致。基于壓電光能互補(bǔ)的供電方式符合目前節(jié)能減排的綠色環(huán)保要求，壓電材料一般僅用于傳感器這種對電量需求不大的硬件設(shè)備上，難以承擔(dān)車輛絕大部分能源消耗，所以該車是以蓄電池供電為主、清潔能源為輔。其利用舵機(jī)控制超聲波模塊的檢測方向，增大障礙信息檢測范圍，提高防碰撞功能的可靠性。利用手勢識(shí)別遙控單元，通過改變手勢傾斜角度來控制車輛行駛方向和速度。通過加速度傳感器來對位置進(jìn)行感知，在增加高集成度的芯片和無線通信后可拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，如無線手勢鼠標(biāo)、智能家居家電操作等。本研究的設(shè)計(jì)原理和思路可為同類產(chǎn)品研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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收稿日期：2022-10-18

基金資助：寶雞文理學(xué)院省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（S202110721088）。

作者簡介：王威（2000—），男，本科生，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

通信作者：韓芝俠（1970—），女，碩士，教授，研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置。