基于压电光能互补的手势识别防碰撞小车控制系统设计

王威 田硕 王旭 王弘烨 何晨阳 韩芝侠

摘 要：【目的】本研究设计并制作一个基于压电光能互补的手势识别防碰撞小车控制系统。【方法】该系统以Arduino单片机为主控系统，包含超声波避障单元、手势识别遥控单元、电源单元及小车被控对象。【结果】该系统可实现手势遥控操作，能检测和显示小车与障碍物的距离，并自动避障的防碰撞小车系统。【结论】该设计方案简单实用，具有低功耗、智能控制特点，且基于太阳能发电板和压电发电这两种互补式清洁能源的供电方式，能大大提高系统的续航能力。

关键词：单片机；超声波避障；手势识别；防碰撞小车

中图分类号：TP23      文献标志码：A           文章编号：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

隨着汽车制造业的飞速发展和人民生活质量的不断提高，汽车已成为日常生活中的必需品。由于跟车距离过近、汽车与障碍物之间距离过短及驾驶员面对意外情况时错误应急反应等容易导致交通事故频发。为了便于驾驶者进行操作，未来汽车需要具有防碰撞系统和智能化控制，手势识别控制必然会成为人机交互、智能控制不可或缺的一部分［1］。此外，为解决汽车行驶带来的污染问题，可将太阳能和压电技术相结合，实现互补式清洁供能，能更加稳定、高效、安全地提高系统续航能力［2］。

1 设计方案

本研究给出的设计方案如图1所示。该系统以Arduino单片机为控制核心，包括由超声波模块、舵机云台、LCD显示器及蜂鸣器组成的超声波避障单元，由运动传感器、处理器及蓝牙模块组成的手势遥控单元，由蓄电池、太阳能电池板、压电发电组件组成的电源单元，由驱动芯片和电机组成的被控对象车辆及按键和复位电路。系统上电后，主机蓝牙发送数据到从机蓝牙上，并将数据传输给单片机，对数据整合处理，手势识别遥控单元据此来控制车辆的行驶方向和速度，由安装在舵机云台上的超声波传感器进行测距。单片机对接收到的数据进行处理，将结果显示在液晶屏上，同时判断车辆是否继续行进或转弯避开。若检测到的距离小于安全阈值，则发送指令给驱动芯片，对电机的运行进行控制，同时蜂鸣器会发出警报。整个系统由蓄电池作为中转，采用太阳能发电和压电发电两种清洁能源。按键电路可避免错误操作，若操作者误碰车辆开关，仍需按下按键进行二次确认，复位电路的设计有利于对程序进行初始化。

2 核心单元硬件电路设计

2.1 手势识别遥控单元

RF-NANO微处理器有14路数字输入/输出口、8路模拟输入、一个16 MHz晶体振荡器、一个USB-Micro口、一个ICSP header和一个复位按钮。MPU6050运动传感器有两个处理组件，一个是三轴陀螺仪，可感知方向，用来控制小车行驶的方向；另一个是三轴加速器，可感知倾斜角度，用来控制小车行驶的速度。该芯片包含一个内置硬件滤波算法的数据处理子模块DMP，无须再做滤波处理［3］。

JDY-16是主从一体的蓝牙模块，设置手势识别控制系统上的蓝牙为主模式，小车上的蓝牙为从模式。通电后两者相互连接，主机蓝牙发送数据，从机蓝牙接收数据，通过手势识别控制系统来控制车辆行驶方向和速度。

2.2 超声波避障单元

HC-SR04超声波模块具有2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3 mm［4］。根据超声波发出到收回的时间差，可计算出超声波模块与障碍物的距离［5-6］，见式（1）。

L=C×T   （1）

式中：L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差，即发射到接收时间数值的一半。

2.3 清洁能源互补式供能单元

安装在车辆顶部的太阳能电池板将太阳辐射能转换成电能，输送给蓄电池。为保证能量供应充足稳定，还设计了压电发电组件与其互补。压电发电使用的材料是压电陶瓷，当其受到机械应力时，会出现极化现象，且极化值与应力成正比，这种效应被称为正压电效应［7］。将该组件安装在车辆轮胎上，以轮胎在行进中的挤压力作为压电发电的动力来源，使车辆具有更持久的续航能力。

3 软件设计

3.1 系统总体流程

该系统是在Arduino IDE开发环境中用C语言来完成编程的［8］。系统的软件设计流程如图2所示。开机后对按键进行扫描，在确定是操作者按下按键后启动车辆，开始超声波测距，判断车辆与前方障碍物的距离，液晶屏实时显示测量距离。若距离大于安全阈值，车辆根据手势遥控指令行进。若小于阈值，蜂鸣器会发出警报，车辆自动进行避障。在行进过程中采集手势信息、障碍信息等进行处理，将指令反馈给各个运行单元。

3.2 手势识别遥控流程

MPU6050芯片自带的坐标系是以芯片中心为坐标原点、水平向右为X轴、竖直向上为Y轴、指向自己为Z轴。将车辆正前方、正后方、正左方、正右方分别定义为90°、270°、180°、360°。则0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°分别为车辆的右前方、左前方、左后方、右后方。将其安装到手势识别遥控系统中，建立同样的坐标系，在操作者手所在平面上形成X-O-Y平面直角坐标系，以垂直于手所在平面为Z轴，形成X-Y-Z空间直角坐标系。初始状态时，手平面与XY平面平行，四指指向Y轴正方向。当手势发生改变时，OA（四指指向）与XY、XZ、YZ平面均形成夹角，将与XZ平面形成的夹角AOA "定义为Roll角，与YZ平面形成的夹角AOA'''定义为Pitch角。通过Pitch角和Roll角可计算出手势在XY平面的投影与X轴的夹角Degree，见式（2）。

Degree= arctan（[RollPitch]） （2）

由公式（２）得转向余弦角度，在转换为坐标度数时要乘以系数180/π=57.3，即车辆行驶方向。当Pitch<0且Roll<0时，操作者手势向右前方倾斜，即向0°～90°区域倾斜，车辆向右前方行驶；当Pitch>0且Roll<0时，操作者手势向左前方倾斜，即向90°～180°区域倾斜，车辆向左前方行驶。

此外，MPU6050芯片还有四个不同的倍率范围，可用来扩展加速度测量范围。16位存储器的取值个数为65 536，选择-32 768～32 767为存储器的取值范围。例如，设置的倍率为2 g，3轴加速度的X轴在存储器某一时刻存储值为正数c，此时芯片在X轴所感受的加速度a的计算见式（３）。

a=-[c32 767] × 2  （3）

以此类推，通过XYZ轴配合，便能测得芯片在空间各个方向的加速度。

手势倾斜有两种角度，一是与陀螺仪自带的XYZ轴的夹角，夹角不同，车辆的行驶方向角也就不同；二是与水平面的夹角，夹角不同，重力在加速度传感器上施加的力也不同，就会有不同的参数传回，通过不同参数范围和车辆速度范围的对应，就可实现对车辆速度的控制。

3.3 超声波避障控制流程

当车辆与障碍物的距离小于安全阈值时，蜂鸣器会发出警报，车辆停止行驶，超声波探头左右扫描，对车辆的左方和右方进行测距，将测量到的数据上传给单片机进行处理，再由单片机下达指令给电机，使得车辆向测距最远的方向进行转向。超声波避障控制流程如图3所示。

4 试验结果及分析

车辆进行测试的实物如图4所示，通过程序将车辆的测距报警阈值设置为15 cm。将车辆放在一片空地上，并在车辆前方距10 cm、100 cm、800 cm处放置障碍物，进行三次试验。

①试验一（车辆与障碍物距离为10 cm）。启动车辆，车辆瞬间发出警报，测距显示为9 cm（有误差），车辆停在原地约0.5 s后，超声波探头配合舵机对车辆左方、右方进行测距，并向左方更为空旷区域转向1 s左右，然后进入直行状态约0.5 s后，操作者可使用手势对其进行操作。

②试验二（车辆与障碍物距离为100 cm）。启动车辆，车辆直接向前行驶，随后将距离信息显示在液晶屏上，约0.5 s后小车按操作者的手势来行驶。当车辆与前方障碍物距离约为15 cm时，小车发出警报。

③试验三（车辆与障碍物距离为800cm）。启动车辆，车辆直接向前行驶，约0.5 s后按照操作者手势行驶。测距信息在液晶屏上长时间不显示，随后跳变成各种异常数字。直到操作者操纵车辆距障碍物400 cm左右时，测距信息逐渐显示正常，这说明该超声波模块的最大测量范围为400 cm。

5 结语

联合测试证明，车辆可实现良好的防碰撞功能，实际运行结果与理论设计分析一致。基于压电光能互补的供电方式符合目前节能减排的绿色环保要求，压电材料一般仅用于传感器这种对电量需求不大的硬件设备上，难以承担车辆绝大部分能源消耗，所以该车是以蓄电池供电为主、清洁能源为辅。其利用舵机控制超声波模块的检测方向，增大障碍信息检测范围，提高防碰撞功能的可靠性。利用手势识别遥控单元，通过改变手势倾斜角度来控制车辆行驶方向和速度。通过加速度传感器来对位置进行感知，在增加高集成度的芯片和无线通信后可拓展其应用领域，如无线手势鼠标、智能家居家电操作等。本研究的设计原理和思路可为同类产品研发提供理论依据和技术支持。

参考文献：

［1］杨丽梅，李致豪.面向人机交互的手势识别系统设计［J］.工业控制计算机，2020（3）：18-20，22.

［2］Fichou B.清洁能源汽车［J］.百科探秘：玩转地球，2022（5）：38-39.

［3］钟静，卢洪斌.动态手势识别系统的设计与实现［J］.山西电子技术，2021（5）：25-26.

［4］罗紫阳，陈鹏.基于单片机控制的超声波测距系統设计与实现［J］.数字通信世界，2019（6）：91.

［5］崔靓，王冠龙，朱学军.超声波测距系统的设计与实现［J］.传感器与微系统，2019（1）：72-74，78.

［6］李春杏.超声波避障智能小车［J］.电子世界，2021（19）：11-12.

［7］刘奇元，曾斌.压电陶瓷在汽车领域中的应用研究［J］.拖拉机与农用运输车，2017（3）：21-23.

［8］黄玮.基于Android的手势识别系统的设计［J］.电脑与电信，2019（11）：49-51，57.

收稿日期：2022-10-18

基金资助：宝鸡文理学院省级大学生创新创业训练计划资助项目（S202110721088）。

作者简介：王威（2000—），男，本科生，研究方向：电气工程及其自动化。

通信作者：韩芝侠（1970—），女，硕士，教授，研究方向：检测技术与自动化装置。