基于壓電光能互補的手勢識別防碰撞小車控制系統(tǒng)設計

王威 田碩 王旭 王弘燁 何晨陽 韓芝俠

摘 要：【目的】本研究設計并制作一個基于壓電光能互補的手勢識別防碰撞小車控制系統(tǒng)?！痉椒ā吭撓到y(tǒng)以Arduino單片機為主控系統(tǒng)，包含超聲波避障單元、手勢識別遙控單元、電源單元及小車被控對象?！窘Y果】該系統(tǒng)可實現手勢遙控操作，能檢測和顯示小車與障礙物的距離，并自動避障的防碰撞小車系統(tǒng)。【結論】該設計方案簡單實用，具有低功耗、智能控制特點，且基于太陽能發(fā)電板和壓電發(fā)電這兩種互補式清潔能源的供電方式，能大大提高系統(tǒng)的續(xù)航能力。

關鍵詞：單片機；超聲波避障；手勢識別；防碰撞小車

中圖分類號：TP23? ? ? 文獻標志碼：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錯誤應急反應等容易導致交通事故頻發(fā)。為了便于駕駛者進行操作，未來汽車需要具有防碰撞系統(tǒng)和智能化控制，手勢識別控制必然會成為人機交互、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相結合，實現互補式清潔供能，能更加穩(wěn)定、高效、安全地提高系統(tǒng)續(xù)航能力［2］。

1 設計方案

本研究給出的設計方案如圖1所示。該系統(tǒng)以Arduino單片機為控制核心，包括由超聲波模塊、舵機云臺、LCD顯示器及蜂鳴器組成的超聲波避障單元，由運動傳感器、處理器及藍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，由驅動芯片和電機組成的被控對象車輛及按鍵和復位電路。系統(tǒng)上電后，主機藍牙發(fā)送數據到從機藍牙上，并將數據傳輸給單片機，對數據整合處理，手勢識別遙控單元據此來控制車輛的行駛方向和速度，由安裝在舵機云臺上的超聲波傳感器進行測距。單片機對接收到的數據進行處理，將結果顯示在液晶屏上，同時判斷車輛是否繼續(xù)行進或轉彎避開。若檢測到的距離小于安全閾值，則發(fā)送指令給驅動芯片，對電機的運行進行控制，同時蜂鳴器會發(fā)出警報。整個系統(tǒng)由蓄電池作為中轉，采用太陽能發(fā)電和壓電發(fā)電兩種清潔能源。按鍵電路可避免錯誤操作，若操作者誤碰車輛開關，仍需按下按鍵進行二次確認，復位電路的設計有利于對程序進行初始化。

2 核心單元硬件電路設計

2.1 手勢識別遙控單元

RF-NANO微處理器有14路數字輸入/輸出口、8路模擬輸入、一個16 MHz晶體振蕩器、一個USB-Micro口、一個ICSP header和一個復位按鈕。MPU6050運動傳感器有兩個處理組件，一個是三軸陀螺儀，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。該芯片包含一個內置硬件濾波算法的數據處理子模塊DMP，無須再做濾波處理［3］。

JDY-16是主從一體的藍牙模塊，設置手勢識別控制系統(tǒng)上的藍牙為主模式，小車上的藍牙為從模式。通電后兩者相互連接，主機藍牙發(fā)送數據，從機藍牙接收數據，通過手勢識別控制系統(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3 mm［4］。根據超聲波發(fā)出到收回的時間差，可計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間差，即發(fā)射到接收時間數值的一半。

2.3 清潔能源互補式供能單元

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

3 軟件設計

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)的軟件設計流程如圖2所示。開機后對按鍵進行掃描，在確定是操作者按下按鍵后啟動車輛，開始超聲波測距，判斷車輛與前方障礙物的距離，液晶屏實時顯示測量距離。若距離大于安全閾值，車輛根據手勢遙控指令行進。若小于閾值，蜂鳴器會發(fā)出警報，車輛自動進行避障。在行進過程中采集手勢信息、障礙信息等進行處理，將指令反饋給各個運行單元。

3.2 手勢識別遙控流程

MPU6050芯片自帶的坐標系是以芯片中心為坐標原點、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。將其安裝到手勢識別遙控系統(tǒng)中，建立同樣的坐標系，在操作者手所在平面上形成X-O-Y平面直角坐標系，以垂直于手所在平面為Z軸，形成X-Y-Z空間直角坐標系。初始狀態(tài)時，手平面與XY平面平行，四指指向Y軸正方向。當手勢發(fā)生改變時，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）得轉向余弦角度，在轉換為坐標度數時要乘以系數180/π=57.3，即車輛行駛方向。當Pitch<0且Roll<0時，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Pitch>0且Roll<0時，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芯片還有四個不同的倍率范圍，可用來擴展加速度測量范圍。16位存儲器的取值個數為65 536，選擇-32 768～32 767為存儲器的取值范圍。例如，設置的倍率為2 g，3軸加速度的X軸在存儲器某一時刻存儲值為正數c，此時芯片在X軸所感受的加速度a的計算見式（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，就會有不同的參數傳回，通過不同參數范圍和車輛速度范圍的對應，就可實現對車輛速度的控制。

3.3 超聲波避障控制流程

當車輛與障礙物的距離小于安全閾值時，蜂鳴器會發(fā)出警報，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行測距，將測量到的數據上傳給單片機進行處理，再由單片機下達指令給電機，使得車輛向測距最遠的方向進行轉向。超聲波避障控制流程如圖3所示。

4 試驗結果及分析

車輛進行測試的實物如圖4所示，通過程序將車輛的測距報警閾值設置為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，進行三次試驗。

①試驗一（車輛與障礙物距離為10 cm）。啟動車輛，車輛瞬間發(fā)出警報，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對車輛左方、右方進行測距，并向左方更為空曠區(qū)域轉向1 s左右，然后進入直行狀態(tài)約0.5 s后，操作者可使用手勢對其進行操作。

②試驗二（車輛與障礙物距離為100 cm）。啟動車輛，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。當車輛與前方障礙物距離約為15 cm時，小車發(fā)出警報。

③試驗三（車輛與障礙物距離為800cm）。啟動車輛，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間不顯示，隨后跳變成各種異常數字。直到操作者操縱車輛距障礙物400 cm左右時，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 結語

聯合測試證明，車輛可實現良好的防碰撞功能，實際運行結果與理論設計分析一致?；趬弘姽饽芑パa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備上，難以承擔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行感知，在增加高集成度的芯片和無線通信后可拓展其應用領域，如無線手勢鼠標、智能家居家電操作等。本研究的設計原理和思路可為同類產品研發(fā)提供理論依據和技術支持。

參考文獻：

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［4］羅紫陽，陳鵬.基于單片機控制的超聲波測距系統(tǒng)設計與實現［J］.數字通信世界，2019（6）：91.

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［6］李春杏.超聲波避障智能小車［J］.電子世界，2021（19）：11-12.

［7］劉奇元，曾斌.壓電陶瓷在汽車領域中的應用研究［J］.拖拉機與農用運輸車，2017（3）：21-23.

［8］黃瑋.基于Android的手勢識別系統(tǒng)的設計［J］.電腦與電信，2019（11）：49-51，57.

收稿日期：2022-10-18

基金資助：寶雞文理學院省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目（S202110721088）。

作者簡介：王威（2000—），男，本科生，研究方向：電氣工程及其自動化。

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