長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 潘宗春 王小剛 孫 健 石 勝

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基于ARM-STM32的手勢(shì)感應(yīng)無線遙控小車

長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 潘宗春 王小剛 孫 健 石 勝

【摘要】手勢(shì)感應(yīng)無線遙控小車是基于MEMS加速度傳感器的手勢(shì)檢測(cè)技術(shù)，采用手持板傾斜時(shí)加速度向量幅值和微分加速度幅值的絕對(duì)平均值描述手勢(shì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而控制小車的執(zhí)行動(dòng)作。兼顧算法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的同時(shí)具備防止誤觸發(fā)，設(shè)計(jì)采用多級(jí)探測(cè)的思想，在檢測(cè)時(shí)設(shè)定閥值。當(dāng)檢測(cè)出手勢(shì)姿態(tài)變化超過設(shè)定的閥值時(shí)，處理器才會(huì)發(fā)出相關(guān)指令，使小車執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。小車與指令發(fā)射端通過無線模塊NRF244L01進(jìn)行通信，控制范圍更廣泛。

【關(guān)鍵詞】STM32F4；M4內(nèi)核；無線收發(fā)；傾角檢測(cè)

1　引言

無線傳輸已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的有線傳輸相比，無線傳輸無需布線，在安裝，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)增加和節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)等方面都比較方便[1]。本作品使用無線傳輸系統(tǒng)將手勢(shì)通過處理之后生成指令發(fā)送給小車，使小車擁有更靈活的執(zhí)行動(dòng)作和更廣泛的運(yùn)動(dòng)范圍?；贏RM-STM32的手勢(shì)感應(yīng)無線遙控小車采用MEMS加速度傳感器感應(yīng)使用者的手勢(shì)變化來控制小車的運(yùn)行動(dòng)作[2]，在小車行進(jìn)的同時(shí)通過使用者持板的角度控制小車的轉(zhuǎn)向角度，保證小車控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

在惡劣狹小等人體不宜進(jìn)去但肉眼可觀察的區(qū)域以及火災(zāi)、排雷等存在危險(xiǎn)的地方[3]，基于ARM-STM32的手勢(shì)感應(yīng)無線遙控小車能行動(dòng)自如，代替人執(zhí)行任務(wù)。

2　系統(tǒng)方案

基于ARM-STM32的手勢(shì)感應(yīng)無線遙控小車主要涉及的模塊有手持端控制板，小車控制板、加速度傳感器模塊、無線信號(hào)通訊模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。下面為各模塊的選型方案比較

2.1手持端及小車控制板模塊論證

手持端控制板主要用來采集手持板的傾斜角度，通過無線傳輸給小車控制板；小車控制板根據(jù)接收到的信號(hào)經(jīng)過處理運(yùn)算后修正小車的運(yùn)行姿態(tài)，包括小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎和速度控制等。

選擇STM32F4-DISCOVERY作為手持板硬件平臺(tái)，該硬件平臺(tái)上集成硬件資源豐富[4]，具備集成仿真器，加速度傳感器，MEM話筒，音頻功放芯片等資源，而且加速度計(jì)適合本設(shè)計(jì)使用。

選擇 STM32F103MINI板作為小車控制板控制平臺(tái)，MINI板擁有豐富的例程，板上外設(shè)齊全，功耗小，價(jià)格合適。

2.2加速度傳感器模塊論證

加速度傳感器是判斷小車運(yùn)行狀態(tài)的核心器件，通過對(duì)手持板狀態(tài)的采集從而來控制小車的運(yùn)行狀態(tài)。常用的加速度傳感器有ADXL345三軸加速度傳感器，使用I2C接口，精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，需要另外添加模塊。選用STM32F4-DISCOVERY作為硬件平臺(tái)時(shí)，板上自帶加速度傳感器LIS302DL，使用SPI接口，而且加速度計(jì)適合本設(shè)計(jì)使用。綜合上述，采用STM32F4-DISCOVERY自帶的加速度傳感器。

2.3無線信號(hào)通訊模塊論證

無線信號(hào)通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)手持板與小車控制板間的通訊，用來傳輸加速度傳感器采集的手持板狀態(tài)。選擇紅外無線通訊模塊作為通訊模塊，紅外收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，搭載方便，但是紅外通訊范圍小，傳送速度慢，容易被干擾。選擇無線NRF24L01通訊模塊，NRF24L01收發(fā)速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，使用SPI接口，傳輸更穩(wěn)定。綜合上述，選擇無線NRF24L01通訊模塊。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1加速度傳感器模塊

ST公司的LIS302DL 小型低功耗(低于1mW)MEMS三軸線性加速度計(jì),具有線性的數(shù)字輸出[5]，包括有傳感元件和能通過I2C/SPI串行接口提供測(cè)量加速度的IC接口，滿刻度量程是±2g/±8g，數(shù)據(jù)輸出速率是100Hz或400Hz，廣泛應(yīng)用在自由降落檢測(cè),運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備以及震動(dòng)檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)取D1所示為L(zhǎng)IS302DL電路圖。

圖1　加速度傳感器

圖2　無線通訊模塊

3.2無線信號(hào)通訊模塊

NRF24L01是工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳輸工作。其接線圖如圖2所示。

3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用飛思卡爾公司5A集成H橋芯片MC33886。MC33886芯片內(nèi)置了控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動(dòng)電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路，適合用來控制感性直流負(fù)載，可以提供連續(xù)的5A電流，并且集成了過流保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)。接線圖如圖3所示。

圖3　驅(qū)動(dòng)模塊

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：手持部分、小車部分。手持部分使用STM32F407作為平臺(tái)，應(yīng)用stm32f4-discovery上自帶的加速度傳感器檢測(cè)手勢(shì)的變化，使用無線模塊NRF24L01作為通訊模塊向小車發(fā)送動(dòng)作指令。手持部分程序流程圖如圖4所示。小車部分接受手持部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后驅(qū)動(dòng)小車，具體軟件流程圖如圖5所示：

圖4　手持端軟件流程圖

圖5　小車端軟件流程圖

5　評(píng)測(cè)與結(jié)論

本系統(tǒng)采用加速度計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鍵式遙控器，既可以實(shí)現(xiàn)小車的無極轉(zhuǎn)向，也更加方便、靈活的操作控制小車，使遙控小車更具有可控性，趣味性，以及準(zhǔn)確實(shí)時(shí)性?；贏RM-STM32F4的手勢(shì)感應(yīng)無線遙控小車可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)使用者的持板手勢(shì)順利流暢的完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、急停等動(dòng)作，完成了預(yù)期的方案。下一步可以增加小車的避障、尋跡、圖像采集、圖像的無線傳輸及組網(wǎng)等拓展，實(shí)現(xiàn)小車的智能化、多功能化。

參考文獻(xiàn)

[1]譚勇宏,張輝.智能尋跡小車的研究與設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,3-2:310-312.

[2]盛朝強(qiáng),張瑞成,周志忠.基于微處理器的智能車圖像采集與識(shí)別算法研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(8):22-24.

[3]李國(guó)柱.智能車起跑線識(shí)別算法及停車策略[J].價(jià)值工程,2012(18):166-167.

[4]王紹坤.基于ARMS的無線遙控車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2011.

[5]宋永獻(xiàn),馬娟麗,賀乃寶,等.基于TMS320F2812的智能循跡小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(9):2128-2130.

潘宗春（1992—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：嵌入式技術(shù)。

王小剛（1993—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)控制。

孫健（1993—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)控制。

石勝（1993—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)控制。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃，批準(zhǔn)文號(hào)2014014。