陳帥　桑海偉　胡興玲　李紅霞　陳桃

摘 要：隨著體感技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互的方式變得更為先進(jìn)和多樣化。通過(guò)人體肢體語(yǔ)言去控制機(jī)械或者游戲機(jī)已經(jīng)變成可能。而通過(guò)Kinect外設(shè)，可以解除人們受鍵盤，手柄等傳統(tǒng)遙控方式的限制。文中通過(guò)Kinect骨骼跟蹤標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口API來(lái)設(shè)定特殊的肢體動(dòng)作作為觸發(fā)事件向控制器發(fā)出指令，達(dá)到控制的目的。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)人體手勢(shì)的識(shí)別，并用Arduino單片機(jī)作為控制媒介，從而達(dá)到了對(duì)遙控飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制目的。

關(guān)鍵詞：Arduino單片機(jī)；體感技術(shù)；遙控飛機(jī)；Kinect

中圖分類號(hào)：TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）04-00-03

0 引 言

作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，人體行為識(shí)別研究受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。通過(guò)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理和分析，從而使PC機(jī)應(yīng)用程序系統(tǒng)能夠識(shí)別個(gè)體動(dòng)作、個(gè)體之間以及個(gè)體與環(huán)境之間的交互是人體動(dòng)作識(shí)別的研究目的?；贙inect的人體體感遙控是新型人機(jī)交互研究中一種重要的交互方式。因此，基于Kinect的人體體感遙控是人機(jī)交互發(fā)展的趨勢(shì)之一。

基于Kinect的人體體感遙控作為一種新的控制方式，該方式不僅深受遙控飛機(jī)愛(ài)好者的喜愛(ài)，控制方法簡(jiǎn)單易學(xué)，而且充滿樂(lè)趣，受外界影響因素較少。因此開(kāi)發(fā)一套基于Kinect體感技術(shù)的遙控飛機(jī)系統(tǒng)具有非常重要的意義與價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)可以分為三個(gè)模塊，包括由Kinect體感器和PC機(jī)應(yīng)用程序構(gòu)成的人體手勢(shì)識(shí)別數(shù)據(jù)采集模塊，Arduino UNO 單片機(jī)核心處理模塊，遙控飛機(jī)遙控器和X9313數(shù)字電位器組成的遙控模塊。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

基于Kinect體感技術(shù)的遙控飛機(jī)系統(tǒng)由核心控制模塊、遙控控制模塊和體感器數(shù)據(jù)采集模塊組成。本系統(tǒng)采用Arduino單片機(jī)作為核心處理模塊和其它模塊相互通信，最終實(shí)現(xiàn)控制遙控飛機(jī)飛行軌跡的目的。

本系統(tǒng)首選通過(guò)Kinect體感器采集人體骨骼運(yùn)動(dòng)的信息，發(fā)送給PC機(jī)應(yīng)用程序處理數(shù)據(jù)。Arduino單片機(jī)核心控制模塊通過(guò)串口和PC機(jī)通信獲取數(shù)據(jù)，核心控制模塊發(fā)送指令到遙控控制模塊，進(jìn)而控制遙控飛機(jī)的運(yùn)行軌跡。

本系統(tǒng)利用體感器采集到的左手骨骼信息作為控制遙控飛機(jī)的油門大小，采集到的右手骨骼信息作為控制遙控飛機(jī)的方向。其系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

基于Kinect體感技術(shù)的遙控飛機(jī)系統(tǒng)的核心處理模塊為Arduino UNO單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，遙控器控制模塊由X9313數(shù)字電位器和遙控飛機(jī)遙控器組成，數(shù)據(jù)采集模塊為Kinect體感器。所述遙控控制模塊通過(guò)電路與核心控制模塊連接通信，體感采集數(shù)據(jù)模塊通過(guò)電腦與核心控制模塊連接通信。

2.1 核心處理模塊

ArduinoUNO的主要作用是與電腦進(jìn)行通信，通過(guò)USB接口與電腦連接，獲取電腦處理后的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而進(jìn)行指令判斷，最后通過(guò)改變高低電平調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的大小，進(jìn)而控制遙控飛機(jī)的運(yùn)行軌跡。

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16 MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。核心處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.2 遙控控制模塊

遙控控制模塊是控制飛機(jī)運(yùn)行軌跡的主要控制部分，它由遙控飛機(jī)遙控器與X9313數(shù)字電位器組裝而成，通過(guò)接收Arduino單片機(jī)的端口高低電平的數(shù)值，進(jìn)而改變數(shù)字電位器的阻值大小以進(jìn)行速度和飛行方向的控制。

拆除遙控器的模擬電位器，用X9313數(shù)字電位器的阻值觸點(diǎn)代替模擬電位器的觸點(diǎn)，數(shù)字電位器的控制端口由Arduino核心處理模塊控制。圖4所示為X9313數(shù)字電位器的引腳圖。

簡(jiǎn)單介紹數(shù)字電位器X9313的工作原理：Vcc 是高電平接入端， Vss是負(fù)極接入端。 3號(hào)引腳RH/VH、6號(hào)引腳RL/VL和5號(hào)引腳RW/VW相當(dāng)于滑動(dòng)變阻器的三個(gè)抽頭，其中5號(hào)引腳是活動(dòng)抽頭，介于3號(hào)與6號(hào)引腳之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。X9313WP型號(hào)的電位器阻值為10 kΩ，數(shù)字電位器為32階，意思就是將10 kΩ分成31份，大約每份330 Ω。X9313結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5中的引腳，引腳，引腳為三個(gè)控制端，為片選端，當(dāng)為低電平時(shí)，X9313被選中，此時(shí)才能接收和的信號(hào)，其中在一個(gè)脈沖的下降沿使計(jì)數(shù)器的數(shù)值增減1，如果為高電平，則滑動(dòng)端向VH端滑動(dòng)，VW與VH之間電阻值減少一個(gè)臺(tái)階，也就是330 Ω，反之如果UN為低電平，則滑動(dòng)端向VL端滑動(dòng)。但是要注意，滑動(dòng)端VW不會(huì)一直滑動(dòng)下去，也不會(huì)滑動(dòng)到邊緣然后再循環(huán)滑動(dòng)回來(lái)，如果想儲(chǔ)存滑動(dòng)后的電阻值，那么就讓變?yōu)楦唠娖剑優(yōu)楦唠娖?，這樣就可將計(jì)數(shù)器的值儲(chǔ)存。，，在接單片機(jī)之前最好串聯(lián)10 kΩ電阻，在RH與RL兩端分別按如圖所示的接線連接電容，這樣會(huì)明顯降低噪聲，穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由Kinect體感器和PC機(jī)兩部分組成，主要作用為通過(guò)Kinect體感器對(duì)人體手勢(shì)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行識(shí)別，繼而轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序把三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為命令數(shù)據(jù)。通過(guò)串口發(fā)送給Arduino單片機(jī)，進(jìn)行遙控飛機(jī)運(yùn)行軌跡控制。

遙控直升機(jī)在三維空間飛行，因此還應(yīng)為其添加上下飛行（油門）的動(dòng)作，而前后動(dòng)作就由左手來(lái)完成，以左手的擺動(dòng)幅度來(lái)控制飛機(jī)的油門大小。在Kinect中，油門的大小采用變量get_angle控制，以左手腕部，左側(cè)肩部，左側(cè)臀部三點(diǎn)形成三角形，三角形肩部位置的角度為get_angle，利用get_angle的大小映射（map函數(shù)）油門大小。

人體在Kinect中可以用enableMirror（）函數(shù)來(lái)激活鏡面關(guān)系，也就是說(shuō)左右手的位置可以在Kinect中調(diào)換。由左手控制飛機(jī)油門，右手控制飛機(jī)的方向，這樣飛機(jī)就可以遵從人體姿態(tài)達(dá)到飛行目的。總體來(lái)說(shuō)，飛行器的身體姿態(tài)方面采用的綜合控制方法如圖6所示。

本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集模塊是微軟公司Kinect for Windows的第一代產(chǎn)品。Kinect的關(guān)鍵部件及說(shuō)明如下：

（1）麥克風(fēng)陣列：聲音從4個(gè)麥克風(fēng)采集，同時(shí)過(guò)濾背景噪聲，可定位聲源。

（2）紅外投影機(jī)：主動(dòng)投射近紅外光譜，照射到粗糙物體或穿透毛玻璃后，光譜發(fā)生扭曲，從而形成隨機(jī)的反射斑點(diǎn)（稱為散斑），進(jìn)而被紅外攝像頭讀取。

（3）紅外攝像頭：分析紅外光譜，創(chuàng)建可視范圍內(nèi)的人體、物體的深度圖像。

（4）仰角控制馬達(dá)：可編程控制仰角的馬達(dá)，用于獲取最佳視角。

（5）USB線纜：支持USB 2.0接口，用于傳輸彩色視頻流、深度流、音頻流等。必須使用外部電源，傳感器才能充分發(fā)揮其功能（Kinect的功率達(dá)到了12 W，而普通USB一般是2.5 W）。

（6）彩色攝像頭：用于拍攝視角范圍內(nèi)的彩色視頻圖像。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)是一種基于Kinect的體感技術(shù)遙控飛機(jī)，采用Arduino作為核心處理模塊，運(yùn)用微軟公司成熟可靠的體感器設(shè)備作為人體骨骼數(shù)據(jù)的采集模塊，可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性和可處理性。通過(guò)改變數(shù)字電位器的大小來(lái)控制飛機(jī)的運(yùn)行軌跡，對(duì)體感技術(shù)研究具有深遠(yuǎn)的意義。

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