基于数据手套的遥控小车控制系统

摘要：针对目前智能小车主要采用手柄、键盘等方式实现遥控操作而存在功能单一、携带不便、操控不直观等缺点，提出采用数据手套实现智能小车的遥控操作，取得了良好的控制效果。介绍该系统的总体结构与基本工作原理，阐述采用数据手套实现智能小车遥控的具体设计方法，并研制出样机对其控制效果进行实验验证，结果表明：该控制系统能满足智能小车的各项控制要求，具有较好的应用价值。

关键词：智能遥控小车；数据手套；控制系统；样机实验

中图分类号：TP273文献标识码：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，智能遥控小车主要采用遥控手柄、键盘等方式实现遥控操作，这些操作方式虽已获得实际应用，但均存在不同程度的缺点，如遥控手柄能实现的功能较简单，缺乏完善的功能选择与参数设置功能，而键盘则存在携带不便、操控不直观等缺点[1-3]。为克服上述方式存在的不足，提出采用数据手套实现对智能小车进行遥控操作[4]，取得了较好的控制效果。文中介绍了该控制系统的总体结构与基本工作原理，阐述了采用数据手套实现智能小车遥控的具体设计方法，并研制出实验样机对其控制效果进行了实验验证，结果证明了该控制系统的有效性。

2系统结构及基本工作原理

基于数据手套的智能遥控小车控制系统总体结构如图1所示[3， 5-8]。该控制系统包括右数据手套、左数据手套及智能小车控制器三部分，其中右数据手套主要用于小车控制模式选择、参数设置以及小车运动方向的实时控制，左数据手套主要用于配合右数据手套进行控制参数设置以及控制参数与小车运动状态的实时显示，小车控制器则通过接收右数据手套发出的控制指令对小车的运动状态进行实时控制等，各部分基本原理简要介绍如下。

2.1右数据手套基本工作原理

右数据手套的基本构成参见图1，其结构示意图如图2所示。图中序号1-9分别表示：微控制器Ⅰ、方位传感器Ⅰ、无线通信模块Ⅰ、拇指指套、食指指套、中指指套、无名指套、小指指套及直流稳压电源Ⅰ。

该数据手套的各指尖采用金属指套，其中拇指指套与直流稳压电源Ⅰ相连，其余四指指套分别与微控制器Ⅰ的I/O口相连，当拇指指套分别与其它手指指套接触时，不同的接触组合会使微控制器Ⅰ接收到不同的接触信号，微控制器Ⅰ根据采集到的手指接触信号实现对小车控制模式的选择与参数设置，同时微控制器Ⅰ还通过其方位传感器Ⅰ来获得操作者的手势信号，并根据该手势信号实现对小车运动方向的实时控制。

2.2左数据手套基本工作原理

左数据手套的基本构成参见图1，其基本结构及与右数据手套的操作示意图如图3所示。图中序号10-14分别表示左数据手套的微控制器Ⅱ、无线通信模块Ⅱ、显示模块、金属膜操作区及直流稳压电源Ⅱ。该数据手套的基本工作原理是：微控制器Ⅱ通过无线通信模块Ⅱ接收右数据手套发送的控制参数及小车控制器发送的小车运动状态信息，并将相关数据信息通过其显示模块予以显示；其中金属膜操作区主要用于配合右数据手套的手指接触操作，即当右数据手套的拇指接触于该金属膜操作区时，其它四指指套只要点击该金属膜操作区，就可实现相应的手指接触操作。

2.3小车控制器基本工作原理

小车控制器的基本构成如图1所示。该控制器包括微控制器Ⅲ、驱动模块、速度传感器、方位传感器Ⅲ、无线通信模块Ⅲ及直流稳压电源Ⅲ。其基本工作原理是：微控制器Ⅲ通过无线通信模块Ⅲ接收右数据手套发出的控制指令，同时采集其方位传感器与速度传感器的反馈信号，经相关运算处理后输出相应的控制信号使小车的实际运动速度和方向与相应的设定值保持一致，从而实现对小车运动状态进行有效控制的目的；同时微控制器Ⅲ还将采集的各传感器的反馈信号经无线通信模块Ⅲ反馈给左数据手套，以实现对小车运动状态的实时显示等。

3手势采集原理

如上所述，右数据手套的拇指指套与直流稳压电源Ⅰ相连，其余四指指套分别与微控制器Ⅰ的I/O口相连，各手指指套分配的I/O口情况如表1所示。

当四指指套分别与拇指指套接触时，微控制器Ⅰ对应的I/O口会收到一高电平信号。如图4所示为手指接触操作示意图，其中图4（a）为中指、无名指及小指同时与拇指的接触操作，则微控制器Ⅰ的P3.3、P3.4和P3.5口会检测到高电平信号；图4（b）为无名指与小指同时与拇指的接触操作，则微控制器Ⅰ的P3.4和P3.5口会检测到高电平信号等。手指间不同的接触组合代表不同的操作模式或设置不同的参数，其基本组合如表2所示，表中手掌平放和手掌竖起由微控制器Ⅰ通过方位传感器采集手掌方位信息予以识别，微控制器Ⅰ即根据采集到的不同手指接触信号实现小车控制模式选择与参数设置。

4系统控制软件设计

系统控制软件包括右数据手套、左数据手套及小车控制器控制软件三部分，各部分控制软件的基本功能分别简要介绍如下：

4.1右数据手套控制软件设计

右数据手套控制软件流程如图5所示。如上所述，该数据手套主要用于对小车进行控制模式选择与参数设置，以及对小车的运动方向进行实时控制等。其中控制模式包括自动模式和手动模式，自动模式用模式1表示，手动模式用模式2表示；自动模式指小车可按预先设置的控制参数自动运动，其基本原理是：选择模式1后系统进入参数设置界面，需设置的参数包括小车运动速度、方向及距离，所设参数可由左数据手套的液晶显示器予以显示，当参数设置完并确认后，微控制器Ⅰ即将所设置的参数发送给小车控制器，小车控制器根据接收到的控制参数对小车的运动状态进行自动控制；而手动模式指小车的运动方向由右数据手套实时采集右手手势信号进行控制，即微控制器Ⅰ通过其方位传感器Ⅰ实时采集右手手势信号，并将该信号发送给小车控制器以对小车的运动方向进行实时控制，而小车的运动速度可预先设定，运动距离不受限制。

4.2左数据手套控制软件设计

左数据手套控制软件流程如图6所示。如上所述，该数据手套主要用于显示右数据手套设置的控制参数及小车的运动状态信息。其基本工作原理是：开机后，其显示器首先进入模式选择界面，如选模式1（即自动模式），则接着显示右数据手套设置的控制参数，包括小车的运动速度、方向及距离，参数设置完后如收到右数据手套发送的参数确认信号，则左数据手套将开始接收小车控制器发送的小车运动状态信息，包括实际运动速度、方向和距离，并将接收的信息通过其显示器予以显示；如选模式2（即手动模式），则显示器只显示小车的运动状态信息，同样包括实际运动速度、方向和距离。如接收到操作完成信号，则显示器返回到模式选择界面。

4.3小车控制器控制软件设计

小车控制器控制软件流程如图7所示。其基本工作原理是：系统开机后，控制器首先接收控制模式参数并进行判断，若为模式1（即自动模式），则接着接收右数据手套发送的小车运动速度、方向和距离等控制参数，并根据控制参数向小车执行机构发出相应的控制指令，使小车按控制参数的要求自动运行，同时小车控制器还将小车的运动状态信息即实际速度、方向和距离发送给左数据手套予以显示，当小车的运动距离达到设定值时，小车停止运动；如果为模式2（手动模式），则小车控制器首先接收小车运动速度参数，接着接收右数据手套发送的小车运动方向信号（该信号由右数据手套的方位传感器实时采集操作者的手势而获得），并根据上述速度参数和方向信号向小车执行机构发出控制指令，使小车按操作者的手势确定的方向以指定速度运行，手动模式下的运动距离不受限制，可由操作者随时发出控制指令予以停车；在手动模式下，小车控制器同样将小车的运动状态信息即速度、方向和距离发送给左数据手套予以显示。

5样机实验

5.1样机研制

根据上述系统设计方案，研制出相应的实验样机，如图8所示。其中图8（a）、（b）、（c）分别为右数据手套、左数据手套及智能遥控小车实物照片。样机中各微控制器均采用STC公司型号为STC89C52RC的单片机[10，11]，右数据手套中的方位传感器Ⅰ选用InvenSense公司的MPU6050型传感器[12]，小车控制器中的方位传感器Ⅲ采用基于HMC1022磁阻传感器的电子罗盘模块[13， 14]等。

5.2样机实验

针对研制的实验样机，进行了相应的性能实验，部分实验图片分别如图9-11所示。其中：

图9为左数据手套显示器显示的模式选择界面。通过右数据手套输入数字1或2，即可选择自动模式或手动模式。

图10所示为自动模式控制参数设置界面。在图9所示模式选择界面输入数字1，即进入该参数设置界面，该界面实时显示右数据手套设置的控制参数，包括运动速度、角度和路程。其中运动速度分8个档位，每个档位代表不同的运动速度；角度以正北方向为参考方向，表示小车实际运动方向偏离该参考方向的角度，单位为度（°）；路程表示小车的运动距离，单位：厘米。通过该界面最多可同时设置3组参数，每组参数为一条执行指令，即小车如按第1组参数确定的指令执行完后，则自动执行第2组参数对应的指令，然后第3组，待3组参数对应的指令全部执行完毕，则系统回到模式选择界面。

图11所示为小车运行状态显示界面。图中第1行显示的为小车当前运动速度，第2行为小车运动方向相对于参考方向的偏转角度，第3行为小车已行驶的距离。

6结论

针对目前智能遥控小车主要采用遥控手柄、键盘等方式实现遥控操作存在的不足，提出采用数据手套实现对智能小车进行遥控操作。文中介绍了系统的基本结构与工作原理，阐述了采用数据手套实现小车遥控操作的具体设计方法，并研制出实验样机对所设计的控制系统进行实验验证，结果表明：该控制系统能实现智能遥控小车确定的各项控制要求，具有较好的应用价值。

参考文献

[1]ZHAI S M，KRISTENSSONL P O. The word- gesture keyboard： reimagining keyboard interaction[J]. Communications of the ACM， 2012， 55（9）： 91-101.

[2]申蔚. 虚拟现实技术[M]. 北京： 清华大学出版社，2009.

[3]张俊杰， 李世其， 熊友军. 基于数据手套的机械手控制技术应用[J]. 计算机应用研究， 2006， （7）： 170-171，175.

[4]王家顺， 王田苗， 魏军， 等. 一种面向遥操作的新型数据手套研制[J]. 机器人， 2000， 22（3）： 201-206.

[5]董玉华， 孙炎辉， 徐国凯， 等. 基于ZigBee 和加速度传感器的手势识别研究[J]. 传感技术学报， 2013， 26（7）： 961-965.

[6]高龙琴， 王爱民， 黄惟一， 等. 基于18-传感器数据手套手部交互模型的建立[J]. 传感技术学报， 2007， 20（3）： 523-527.

[7]郑江海， 林钧峰， 陈育群. 基于AT89C51 PWM驱动电路遥控小车的研究[J]. 长春工业大学学报：自然科学版， 2008，29（5）： 556-561.

[8]黄建能， 杨光杰. 无线遥控小车[J]. 现代电子技术， 2012， 35（23）： 126-128， 131.

[9]申忠宇， 郑启文， 王川， 等. 无线通信网络的多智能小车编队控制系统[J]. 东南大学学报：自然科学版，2013，43（1）：18-21.

[10]李忠虎， 王庆宪. 基于CH375和STC89C52RC的无纸记录仪数据存储模块[J]. 仪表技术与传感器，2013，（9）：47-48.

[11]何谦， 吴有杏， 李仁龙. 扩频多目标信号动态模拟系统的设计与实现[J]. 计算机测量与控制， 2014，22（6）：1908-1911.

[12]谷丽华， 崔畅， 高松巍， 等. 基于MPU-6050的步态信号采集系统[J]. 沈阳工业大学学报，2015，37（2）：176-182.

[13]王丽颖， 支炜， 孙红霞， 等. 基于HMC1022磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现[J].电子测量技术，2009， 32（1）：108-111.

[14]刘武发， 蒋蓁， 龚振邦. 基于磁阻和MEMS加速度传感器的电子罗盘设计及应用[J]. 兵工学报，2008，29（2）：244-248.