李 鶴，皮睿思，莊萃萃

(河北科技師范學(xué)院物理系，河北 秦皇島，066004)

智能小車是智能機(jī)器人的一種，它可以進(jìn)入到各種人類無(wú)法抵達(dá)的環(huán)境中，完成人類無(wú)法完成的工作[1～3]。人們可以通過(guò)將更多的技術(shù)應(yīng)用于智能小車上，可以讓它越來(lái)越“聰明”[4]。當(dāng)前研究中，對(duì)于智能小車控制系統(tǒng)的研究主要集中在遙控控制和自動(dòng)控制兩種方式上，而在遙控控制領(lǐng)域中，不管是直接使用遙控器還是將遙控按鍵虛擬到手機(jī)app或者其他專門(mén)程序中，都缺少與人類的直接互動(dòng)。手勢(shì)識(shí)別技術(shù)是一種非接觸的直接互動(dòng)模式[5～7]，將手勢(shì)識(shí)別技術(shù)則應(yīng)用于智能小車[8,9]，通過(guò)簡(jiǎn)單的手勢(shì)代替復(fù)雜的指令來(lái)對(duì)小車進(jìn)行控制，可以豐富人們對(duì)智能小車的控制手段，降低控制難度。為此，筆者試驗(yàn)了利用Verilog HDL在FPGA芯片上進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別模塊的驅(qū)動(dòng)，采集信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到手勢(shì)所對(duì)應(yīng)的控制信息，驅(qū)動(dòng)智能小車進(jìn)行移動(dòng)，以達(dá)成利用手勢(shì)對(duì)智能小車的移動(dòng)進(jìn)行控制。

1 智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)方案

智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

(1)手勢(shì)識(shí)別模塊與FPGA開(kāi)發(fā)板之間通信，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別模塊準(zhǔn)確識(shí)別手勢(shì)信息后，發(fā)送給FPGA中的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。

(2)由FPGA解析數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收到的手勢(shì)信息，經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊。

(3)驅(qū)動(dòng)模塊接收到信息后，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小車。

2 智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖2。

圖2 智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)的硬件部分

2.1 核心板

采用基于Cyclone IV系列的FPGA開(kāi)發(fā)板。芯片型號(hào)為EP4CE10F17C8，板上配有5 V和3.3 V電源，多路擴(kuò)展口和I/O口，多路GND。

FPGA內(nèi)部硬件設(shè)計(jì)主要有4部分，分別為與手勢(shì)識(shí)別模塊通信的IIC驅(qū)動(dòng)模塊和輪詢模塊；與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通信的信號(hào)控制模塊；從IIC數(shù)據(jù)獲取手勢(shì)信息并處理為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的處理模塊以及PLL鎖相環(huán)。

2.2 手勢(shì)識(shí)別模塊

采用PAJ7620U2手勢(shì)識(shí)別傳感器模塊，該模塊對(duì)環(huán)境光有一定的免疫力，其電源電壓和I/O電壓要求都符合FPGA輸出范圍，易于連接，端口通訊方式為IIC總線，支持讀寫(xiě)，尺寸僅為25 mm×20 mm。PAJ7620U2手勢(shì)識(shí)別傳感器模塊外觀見(jiàn)圖3。

圖3 智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別傳感器模塊

手勢(shì)識(shí)別傳感器模塊的外部端口處可插入1×6的排針，通過(guò)杜邦線同外部相連接(圖4)。共有VCC，GND，IIC_SDA，IIC_SCL，IIC_INT等5個(gè)信號(hào)端口。其中，IIC_SCL，IIC_SDA和IIC_INT等3個(gè)端口內(nèi)帶4.7 kΩ上拉電阻，因此無(wú)需再添加電阻。

圖4 智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別傳感器模塊原理

傳感器可識(shí)別9種手勢(shì)類型。手在傳感器開(kāi)窗口位置的上方，保持與傳感器的垂直距離，做出圖5中所示的手勢(shì)，可識(shí)別得出“上”“下”“左”“右”“順時(shí)針旋轉(zhuǎn)”“逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)”“揮動(dòng)”“前”“后”的識(shí)別結(jié)果。

圖5 手勢(shì)識(shí)別傳感器模塊的可識(shí)別手勢(shì)

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可以同時(shí)輸出兩組信號(hào)，分別控制兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)勻速、差速、加減速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)小車的各種運(yùn)動(dòng)。供電范圍為5～7 V，同樣可以由FPGA板驅(qū)動(dòng)，而輸出峰值電流高達(dá)2 A，輸出峰值電壓高達(dá)46 V，可以驅(qū)動(dòng)大部分電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)模塊尺寸為60 mm×54 mm，可以裝置在小車底板上，符合本設(shè)計(jì)中的需求。圖6為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖，表1為電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)真值表。

圖6 智能小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理

表1 L298N電機(jī)控制參數(shù)真值表

注：0表示低電平，1表示高電平，x表示可為任意電平。

2.4 智能小車底座

采用兩輪驅(qū)動(dòng)智能小車底座，用兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)。

3 智能小車手勢(shì)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

FPGA硬件開(kāi)發(fā)板作為主操控平臺(tái)，對(duì)手勢(shì)識(shí)別模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制。本節(jié)將對(duì)FPGA內(nèi)部電路控制和程序的主要控制形式進(jìn)行細(xì)致論述。

3.1 系統(tǒng)上電及寄存器初始化

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在正常工作前需要進(jìn)行系統(tǒng)上電及寄存器初始化操作，該操作針對(duì)PAJ7620U2模塊。需要先發(fā)送包含設(shè)備(0×73)的指令，等待大于700 μs時(shí)間?？煞磸?fù)上述操作以確保發(fā)送成功。讀取0×00寄存器的數(shù)值，若值為0×20，則往0×72寄存器(BANK1)中寫(xiě)0×01，開(kāi)始工作。

喚醒成功后，進(jìn)入寄存器地址需要往0×EF寄存器寫(xiě)0×00，訪問(wèn)寄存區(qū)域BANK0。BANK0中的0×41地址是中斷使能寄存器。8個(gè)數(shù)據(jù)位分別對(duì)應(yīng)于8個(gè)手勢(shì)的識(shí)別結(jié)果，通過(guò)中斷輸出為1識(shí)別相應(yīng)手勢(shì)，識(shí)別到手勢(shì)后0×43寄存器對(duì)應(yīng)位置1。

IIC通信模塊對(duì)寄存器0×43循環(huán)讀數(shù)，并將讀到的數(shù)據(jù)包去掉IIC通信格式，將單獨(dú)的數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)處理模塊，當(dāng)數(shù)據(jù)不再是全零而其中有1位被置1時(shí)，則將相應(yīng)的手勢(shì)開(kāi)始標(biāo)志信號(hào)拉高。數(shù)據(jù)處理模塊在手勢(shì)開(kāi)始標(biāo)志信號(hào)的上升沿開(kāi)始應(yīng)用計(jì)數(shù)器將讀出的手勢(shì)指令執(zhí)行一定時(shí)長(zhǎng)(3 s)，期間電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。表2為中斷使能寄存器真值表。

表2 中斷使能寄存器(0×41)真值表

3.2 小車運(yùn)動(dòng)控制

根據(jù)減速電機(jī)控制狀態(tài)，控制使能均為高電平的情況下，使兩輪同時(shí)正轉(zhuǎn)，并保持同樣的電壓和給電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)小車直線前進(jìn)；使兩輪同時(shí)反轉(zhuǎn)，小車后退；在左輪使能為低電平，右輪使能為高電平，并使其正轉(zhuǎn)時(shí)，小車原地左轉(zhuǎn)；在右輪使能為低電平，左輪使能為高電平，并使其正轉(zhuǎn)時(shí)，小車原地右轉(zhuǎn)。

4 結(jié)果及結(jié)論

整體測(cè)試中，各模塊工作正常，對(duì)手勢(shì)模塊分別做出前、后、左、右的手勢(shì)，每次動(dòng)作至少持續(xù)1 s，觀察小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和指示燈亮起情況。觀察到小車分別前進(jìn)、后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，每個(gè)狀態(tài)都持續(xù)7 s，指示燈分別亮起，對(duì)應(yīng)正確，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

本次設(shè)計(jì)采用FPGA芯片，PAJ7620U2手勢(shì)識(shí)別傳感器，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，利用Verilog HDL進(jìn)行通信程序、控制程序和驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，完成了手勢(shì)控制智能小車運(yùn)動(dòng)方向的設(shè)計(jì)。