基于數(shù)據(jù)手套的遙控小車控制系統(tǒng)

蔣本立　張小平

摘要：針對(duì)目前智能小車主要采用手柄、鍵盤等方式實(shí)現(xiàn)遙控操作而存在功能單一、攜帶不便、操控不直觀等缺點(diǎn)，提出采用數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)智能小車的遙控操作，取得了良好的控制效果。介紹該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與基本工作原理，闡述采用數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)智能小車遙控的具體設(shè)計(jì)方法，并研制出樣機(jī)對(duì)其控制效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能滿足智能小車的各項(xiàng)控制要求，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能遙控小車；數(shù)據(jù)手套；控制系統(tǒng)；樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Nowadays， intelligent remote control cars are mainly controlled by using hand shank or keyboard， which is inconvenient and inflexible. In this paper， the data gloves were proposed to solve the problem， and desirable experimental results were obtained. The principle and the structure of the data glove were introduced. The design method was explained in detail and verified by experimental test. The results show that the design can meet the requirements of remote control cars and has application value.

Key words：intelligent remote control car； data glove； control system； prototype development

1引言

目前，智能遙控小車主要采用遙控手柄、鍵盤等方式實(shí)現(xiàn)遙控操作，這些操作方式雖已獲得實(shí)際應(yīng)用，但均存在不同程度的缺點(diǎn)，如遙控手柄能實(shí)現(xiàn)的功能較簡(jiǎn)單，缺乏完善的功能選擇與參數(shù)設(shè)置功能，而鍵盤則存在攜帶不便、操控不直觀等缺點(diǎn)[1-3]。為克服上述方式存在的不足，提出采用數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車進(jìn)行遙控操作[4]，取得了較好的控制效果。文中介紹了該控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與基本工作原理，闡述了采用數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)智能小車遙控的具體設(shè)計(jì)方法，并研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)其控制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)的有效性。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基本工作原理

基于數(shù)據(jù)手套的智能遙控小車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3， 5-8]。該控制系統(tǒng)包括右數(shù)據(jù)手套、左數(shù)據(jù)手套及智能小車控制器三部分，其中右數(shù)據(jù)手套主要用于小車控制模式選擇、參數(shù)設(shè)置以及小車運(yùn)動(dòng)方向的實(shí)時(shí)控制，左數(shù)據(jù)手套主要用于配合右數(shù)據(jù)手套進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置以及控制參數(shù)與小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，小車控制器則通過(guò)接收右數(shù)據(jù)手套發(fā)出的控制指令對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制等，各部分基本原理簡(jiǎn)要介紹如下。

2.1右數(shù)據(jù)手套基本工作原理

右數(shù)據(jù)手套的基本構(gòu)成參見(jiàn)圖1，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖中序號(hào)1-9分別表示：微控制器Ⅰ、方位傳感器Ⅰ、無(wú)線通信模塊Ⅰ、拇指指套、食指指套、中指指套、無(wú)名指套、小指指套及直流穩(wěn)壓電源Ⅰ。

該數(shù)據(jù)手套的各指尖采用金屬指套，其中拇指指套與直流穩(wěn)壓電源Ⅰ相連，其余四指指套分別與微控制器Ⅰ的I/O口相連，當(dāng)拇指指套分別與其它手指指套接觸時(shí)，不同的接觸組合會(huì)使微控制器Ⅰ接收到不同的接觸信號(hào)，微控制器Ⅰ根據(jù)采集到的手指接觸信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車控制模式的選擇與參數(shù)設(shè)置，同時(shí)微控制器Ⅰ還通過(guò)其方位傳感器Ⅰ來(lái)獲得操作者的手勢(shì)信號(hào)，并根據(jù)該手勢(shì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)方向的實(shí)時(shí)控制。

2.2左數(shù)據(jù)手套基本工作原理

左數(shù)據(jù)手套的基本構(gòu)成參見(jiàn)圖1，其基本結(jié)構(gòu)及與右數(shù)據(jù)手套的操作示意圖如圖3所示。圖中序號(hào)10-14分別表示左數(shù)據(jù)手套的微控制器Ⅱ、無(wú)線通信模塊Ⅱ、顯示模塊、金屬膜操作區(qū)及直流穩(wěn)壓電源Ⅱ。該數(shù)據(jù)手套的基本工作原理是：微控制器Ⅱ通過(guò)無(wú)線通信模塊Ⅱ接收右數(shù)據(jù)手套發(fā)送的控制參數(shù)及小車控制器發(fā)送的小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過(guò)其顯示模塊予以顯示；其中金屬膜操作區(qū)主要用于配合右數(shù)據(jù)手套的手指接觸操作，即當(dāng)右數(shù)據(jù)手套的拇指接觸于該金屬膜操作區(qū)時(shí)，其它四指指套只要點(diǎn)擊該金屬膜操作區(qū)，就可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的手指接觸操作。

2.3小車控制器基本工作原理

小車控制器的基本構(gòu)成如圖1所示。該控制器包括微控制器Ⅲ、驅(qū)動(dòng)模塊、速度傳感器、方位傳感器Ⅲ、無(wú)線通信模塊Ⅲ及直流穩(wěn)壓電源Ⅲ。其基本工作原理是：微控制器Ⅲ通過(guò)無(wú)線通信模塊Ⅲ接收右數(shù)據(jù)手套發(fā)出的控制指令，同時(shí)采集其方位傳感器與速度傳感器的反饋信號(hào)，經(jīng)相關(guān)運(yùn)算處理后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)使小車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度和方向與相應(yīng)的設(shè)定值保持一致，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有效控制的目的；同時(shí)微控制器Ⅲ還將采集的各傳感器的反饋信號(hào)經(jīng)無(wú)線通信模塊Ⅲ反饋給左數(shù)據(jù)手套，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示等。

3手勢(shì)采集原理

如上所述，右數(shù)據(jù)手套的拇指指套與直流穩(wěn)壓電源Ⅰ相連，其余四指指套分別與微控制器Ⅰ的I/O口相連，各手指指套分配的I/O口情況如表1所示。

當(dāng)四指指套分別與拇指指套接觸時(shí)，微控制器Ⅰ對(duì)應(yīng)的I/O口會(huì)收到一高電平信號(hào)。如圖4所示為手指接觸操作示意圖，其中圖4（a）為中指、無(wú)名指及小指同時(shí)與拇指的接觸操作，則微控制器Ⅰ的P3.3、P3.4和P3.5口會(huì)檢測(cè)到高電平信號(hào)；圖4（b）為無(wú)名指與小指同時(shí)與拇指的接觸操作，則微控制器Ⅰ的P3.4和P3.5口會(huì)檢測(cè)到高電平信號(hào)等。手指間不同的接觸組合代表不同的操作模式或設(shè)置不同的參數(shù)，其基本組合如表2所示，表中手掌平放和手掌豎起由微控制器Ⅰ通過(guò)方位傳感器采集手掌方位信息予以識(shí)別，微控制器Ⅰ即根據(jù)采集到的不同手指接觸信號(hào)實(shí)現(xiàn)小車控制模式選擇與參數(shù)設(shè)置。

4系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件包括右數(shù)據(jù)手套、左數(shù)據(jù)手套及小車控制器控制軟件三部分，各部分控制軟件的基本功能分別簡(jiǎn)要介紹如下：

4.1右數(shù)據(jù)手套控制軟件設(shè)計(jì)

右數(shù)據(jù)手套控制軟件流程如圖5所示。如上所述，該數(shù)據(jù)手套主要用于對(duì)小車進(jìn)行控制模式選擇與參數(shù)設(shè)置，以及對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制等。其中控制模式包括自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，自動(dòng)模式用模式1表示，手動(dòng)模式用模式2表示；自動(dòng)模式指小車可按預(yù)先設(shè)置的控制參數(shù)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其基本原理是：選擇模式1后系統(tǒng)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，需設(shè)置的參數(shù)包括小車運(yùn)動(dòng)速度、方向及距離，所設(shè)參數(shù)可由左數(shù)據(jù)手套的液晶顯示器予以顯示，當(dāng)參數(shù)設(shè)置完并確認(rèn)后，微控制器Ⅰ即將所設(shè)置的參數(shù)發(fā)送給小車控制器，小車控制器根據(jù)接收到的控制參數(shù)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制；而手動(dòng)模式指小車的運(yùn)動(dòng)方向由右數(shù)據(jù)手套實(shí)時(shí)采集右手手勢(shì)信號(hào)進(jìn)行控制，即微控制器Ⅰ通過(guò)其方位傳感器Ⅰ實(shí)時(shí)采集右手手勢(shì)信號(hào)，并將該信號(hào)發(fā)送給小車控制器以對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，而小車的運(yùn)動(dòng)速度可預(yù)先設(shè)定，運(yùn)動(dòng)距離不受限制。

4.2左數(shù)據(jù)手套控制軟件設(shè)計(jì)

左數(shù)據(jù)手套控制軟件流程如圖6所示。如上所述，該數(shù)據(jù)手套主要用于顯示右數(shù)據(jù)手套設(shè)置的控制參數(shù)及小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。其基本工作原理是：開(kāi)機(jī)后，其顯示器首先進(jìn)入模式選擇界面，如選模式1（即自動(dòng)模式），則接著顯示右數(shù)據(jù)手套設(shè)置的控制參數(shù)，包括小車的運(yùn)動(dòng)速度、方向及距離，參數(shù)設(shè)置完后如收到右數(shù)據(jù)手套發(fā)送的參數(shù)確認(rèn)信號(hào)，則左數(shù)據(jù)手套將開(kāi)始接收小車控制器發(fā)送的小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，包括實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度、方向和距離，并將接收的信息通過(guò)其顯示器予以顯示；如選模式2（即手動(dòng)模式），則顯示器只顯示小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，同樣包括實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度、方向和距離。如接收到操作完成信號(hào)，則顯示器返回到模式選擇界面。

4.3小車控制器控制軟件設(shè)計(jì)

小車控制器控制軟件流程如圖7所示。其基本工作原理是：系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，控制器首先接收控制模式參數(shù)并進(jìn)行判斷，若為模式1（即自動(dòng)模式），則接著接收右數(shù)據(jù)手套發(fā)送的小車運(yùn)動(dòng)速度、方向和距離等控制參數(shù)，并根據(jù)控制參數(shù)向小車執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，使小車按控制參數(shù)的要求自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)小車控制器還將小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息即實(shí)際速度、方向和距離發(fā)送給左數(shù)據(jù)手套予以顯示，當(dāng)小車的運(yùn)動(dòng)距離達(dá)到設(shè)定值時(shí)，小車停止運(yùn)動(dòng)；如果為模式2（手動(dòng)模式），則小車控制器首先接收小車運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)，接著接收右數(shù)據(jù)手套發(fā)送的小車運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)（該信號(hào)由右數(shù)據(jù)手套的方位傳感器實(shí)時(shí)采集操作者的手勢(shì)而獲得），并根據(jù)上述速度參數(shù)和方向信號(hào)向小車執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令，使小車按操作者的手勢(shì)確定的方向以指定速度運(yùn)行，手動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)距離不受限制，可由操作者隨時(shí)發(fā)出控制指令予以停車；在手動(dòng)模式下，小車控制器同樣將小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息即速度、方向和距離發(fā)送給左數(shù)據(jù)手套予以顯示。

5樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

5.1樣機(jī)研制

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研制出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖8所示。其中圖8（a）、（b）、（c）分別為右數(shù)據(jù)手套、左數(shù)據(jù)手套及智能遙控小車實(shí)物照片。樣機(jī)中各微控制器均采用STC公司型號(hào)為STC89C52RC的單片機(jī)[10，11]，右數(shù)據(jù)手套中的方位傳感器Ⅰ選用InvenSense公司的MPU6050型傳感器[12]，小車控制器中的方位傳感器Ⅲ采用基于HMC1022磁阻傳感器的電子羅盤模塊[13， 14]等。

5.2樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了相應(yīng)的性能實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)圖片分別如圖9-11所示。其中：

圖9為左數(shù)據(jù)手套顯示器顯示的模式選擇界面。通過(guò)右數(shù)據(jù)手套輸入數(shù)字1或2，即可選擇自動(dòng)模式或手動(dòng)模式。

圖10所示為自動(dòng)模式控制參數(shù)設(shè)置界面。在圖9所示模式選擇界面輸入數(shù)字1，即進(jìn)入該參數(shù)設(shè)置界面，該界面實(shí)時(shí)顯示右數(shù)據(jù)手套設(shè)置的控制參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)速度、角度和路程。其中運(yùn)動(dòng)速度分8個(gè)檔位，每個(gè)檔位代表不同的運(yùn)動(dòng)速度；角度以正北方向?yàn)閰⒖挤较?，表示小車?shí)際運(yùn)動(dòng)方向偏離該參考方向的角度，單位為度（°）；路程表示小車的運(yùn)動(dòng)距離，單位：厘米。通過(guò)該界面最多可同時(shí)設(shè)置3組參數(shù)，每組參數(shù)為一條執(zhí)行指令，即小車如按第1組參數(shù)確定的指令執(zhí)行完后，則自動(dòng)執(zhí)行第2組參數(shù)對(duì)應(yīng)的指令，然后第3組，待3組參數(shù)對(duì)應(yīng)的指令全部執(zhí)行完畢，則系統(tǒng)回到模式選擇界面。

圖11所示為小車運(yùn)行狀態(tài)顯示界面。圖中第1行顯示的為小車當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度，第2行為小車運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)于參考方向的偏轉(zhuǎn)角度，第3行為小車已行駛的距離。

6結(jié)論

針對(duì)目前智能遙控小車主要采用遙控手柄、鍵盤等方式實(shí)現(xiàn)遙控操作存在的不足，提出采用數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車進(jìn)行遙控操作。文中介紹了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，闡述了采用數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)小車遙控操作的具體設(shè)計(jì)方法，并研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)智能遙控小車確定的各項(xiàng)控制要求，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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