体感识别的平衡车控制系统设计与实现

李佳怡

摘要：本设计基于Kinect摄像头实现对两轮平衡车的体感控制，当人体做出相应动作时，系统能自动获取骨骼信息并转换成控制指令发送至平衡车，对小车实现前进、后退、左右转向等体感控制。

关键词：Kinect摄像头;平衡车;体感控制;骨骼信息

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0007-02

近年来，人机交互技术的研究非常活跃，体感识别是一种自然且符合用户行为习惯的交互方式，具有直观性和便捷性的特点，是新型人机交互技术的理想选择[1]。体感识别的研究意义在于能够使计算机识别人类肢体的各种动作，并按预定规则转换成控制指令，从而控制被控对象。

1 系统整体设计

本设计是基于Kinect摄像头和Visual Studio 2012平台，实现根据骨骼节点信息对人体姿态识别并转换命令，通过蓝牙的数据传输完成图像的骨骼跟踪，实现人体姿态转换成相应指令控制平衡车动作[2]。其中，平衡车控制系统包括单片机STM32F103、姿态传感器MPU6050、编码器、蓝牙模块、显示模块、电机驱动模块和稳压模块。系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 Kinect摄像头

Kinect体感摄像头是美国微软公司的一款体感外设，利用软件可以调节摄像头的上下角度，通过身体动作或者语音就能够直接完成操作，使其具有更好的视场。第二代Kinect for Windows还提供了拇指追踪、手指末端追踪、打开和收缩的手势识别等功能，可支持6人同时操作[3]，Kinect摄像头如图2所示。

2.2 单片机STM32F103

本设计采用STM32F103单片机为控制核心，内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPSMHz，STM32F103工作电路图如图3所示。

2.3 姿态传感器MPU6050

MPU6050是世界上首款用于智能手机、平板电脑和可穿戴设备的低功耗、低成本和高性能移动跟踪传感器[4]。MPU6050六轴传感器芯片有3轴陀螺仪和3轴加速度计，对快速和慢速运动可实现精确跟踪，提供一个可编程的陀螺仪，其工作电路图如图4所示。

2.4 蓝牙模块HC-05

HC-05蓝牙模块是主从一体的串口模块，当建立连接时，两设备共同使用同一个串口，一个设备发送数据到通道中，另外一个设备便可以接收通道中的数据。

2.5 电机驱动电路

TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可选四种工作模式，同时驱动2个电机，工作电路如图5所示。

2.6 显示模块

OLED12864为自发光材料，无需背光板，视角广、画质均匀、反应速度快、较易彩色化、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单、可制作成挠曲式面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。驱动电压低、能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。

3 软件设计

整个系统程序设计主要包括主程序、车速采集子程序、姿态采集子程序、Kinect图像识别子程序等[5]。软件的功能分为监控软件（主程序）和执行软件（子程序），其中监控软件（主程序）作为控制系统的核心部分，作用是协调主程序和各子程序之间的关系，而执行程序（子程序）是用来完成各种具体的实质性功能。

4 系统调试

4.1 平衡车静态调试

平衡车在静止时，运动控制任务可以分解成以下三个基本任务：（1）平衡控制：驱动两个电机转动以保持小车保持直立平衡;（2） 速度控制：通过控制小车与垂直方向偏转角以實现其速度控制，本质上是利用电机转速控制实现控制车速;（3）转向控制：凭借两电机差速控制完成小车控制转向。

4.2 Kinect体感识别调试

系统经过测试Kinect图像数据，人体双臂平直，双手握拳，控制平衡车进行前进动作，前进姿态获取及自衡车动作图如图6所示。

5 结语

本设计实现了基于Kinect摄像头对平衡车的体感控制，能够实现显示采集图像、骨骼识别和处理。当肢体姿态符合预设动作时，产生相应控制指令。本设计能快速准确的识别人体动作，并以图像形式进行显示，还能够通过蓝牙将数据发送至两轮自平衡车，将体感识别与自衡车结合的交互系统对机器人在复杂环境中导航定位、科学勘探等工作领域有着重要意义。

参考文献

[1] 陈玉敏，谢玮，孟宪民.基于体感控制的智能车设计[J].现代电子技术，2016，39（03）：155-158.

[2] 董士海.人机交互的进展及面临的挑战[J].计算机辅助设计与图形学学报，2004，15（01）：70-78.

[3] 韩峥，刘华平，黄文炳.基于Kinect的机械臂目标抓取[J].智能系统学报，2013，8（2）：149-155.

[4] 赖义汉，王凯.基于MPU6050的双轮平衡车控制系统设计[J].河南工程学院学报，2014，25（01）：53-57.

[5] 付京逊.机器人学[M].北京：中国科学技术出版社，2003.