CN105825744A - 体感控制两轮平衡车教具系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体感控制两轮平衡车教具系统，涉及两轮平衡车技术领域，该体感控制两轮平衡车教具把体感控制和两轮平衡车结合起来，组成现代化的教具设备。微软的kinect体感传感器使人与机之间的信息交互完全摆脱了传统的鼠标键盘、游戏把柄、遥控器等，使用最自然的方式与机器进行对话。现在还没有体感控制的两轮平衡车教具。给学习者提供一个技术学习交流平台，在教育方面具有十分重要的意义。

Description

体感控制两轮平衡车教具系统

技术领域

本发明涉及两轮平衡车技术领域，特别涉及一种体感控制两轮平衡车教具系统。

背景技术

两轮平衡车已经应用在日常生活中，具有灵活的操控和使用便利性，尤其在个人交通工具中具有一定的优势。它属于轮式移动机器人的范畴，综合了自动控制理论、动力学理论和电子计算机技术而研制出来的一种智能小车，其运动灵活、结构简单，能适应各种复杂环境，在狭窄空间稳定运行，具有很大的实用价值。

两轮平衡车是多变量、非线性、强耦合、时变的动态系统，控制算法多种多样且较为复杂，是研究控制理论和控制方法的一个理想实验平台。

体感控制技术是目前人机交互技术中最为前沿和热门的领域之一。微软的kinect体感传感器使人与机之间的信息交互完全摆脱了传统的鼠标键盘、游戏把柄、遥控器等，使用最自然的方式与机器进行对话。现在还没有体感控制的两轮平衡车教具。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体感控制两轮平衡车教具系统，把体感控制和两轮平衡车结合起来，组成现代化的教具设备，给学习者提供一个技术学习交流平台，具有十分重要的意义。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种体感控制两轮平衡车教具系统，其特征在于：所述体感控制两轮平衡车教具系统包括机械结构部分和硬件电路系统部分，机械结构部分包括两轮直立平衡车，两轮直立平衡车由两个共轴的车轮和车体支架组成，车轮分别由两个直流减速器驱动，两直流减速器均安装有光电编码器，车体支架由几片长方形的板块搭建而成，车体支架底部的底板上安装有电源驱动板，电源驱动板内安装有3节电池，车体支架上安装有主控板；硬件电路系统主要包括主控板、姿态检测模块、电机驱动模块、电源模块，通信模块，液晶显示模块，主控板通过数据线与姿态检测模块、JTAG接口、液晶显示模块、电机驱动模块连接，电机驱动模块驱动两直流减速器从而带动车轮转动，直流减速器再通过光电编码器将信息反馈给主控板。

优选的，所述两轮直立平衡车通过蓝牙设备与PC机连接，PC机通过USB接口与Kinect摄像头连接。

优选的，所述两轮平衡车体感控制软件部分包括三部分功能：

(1)人体骨骼跟踪算法的实现，首先提取彩色图像和深度图像数据流并显示出相应图像，接着根据PC机提取的深度图像信息，提取出人体20个骨骼节点的空间坐标，利用C#语言的工具绘制出人体的状态，实现对人体姿态信息的实时跟踪；

(2)人体姿态识别，首先将提取骨骼节点信息通过一定的算法生成姿态信息，接着将姿态信息与人体姿态库比对，产生相应的控制指令；

(3)PC与下位机通信，PC机与下位机通过蓝牙建立连接，完成通信功能。

采用以上技术方案的有益效果是：该体感控制两轮平衡车教具把体感控制和两轮平衡车结合起来，组成现代化的教具设备。微软的kinect体感传感器使人与机之间的信息交互完全摆脱了传统的鼠标键盘、游戏把柄、遥控器等，使用最自然的方式与机器进行对话。现在还没有体感控制的两轮平衡车教具。给学习者提供一个技术学习交流平台，在教育方面具有十分重要的意义。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

图1是本发明一种体感控制两轮平衡车教具的结构示意图；

图2是本发明一种体感控制两轮平衡车教具的原理图；

图3是本发明一种体感控制两轮平衡车教具的硬件系统设计总框图；

图4是本发明一种体感控制两轮平衡车教具的软件功能模块示意图；

图5是本发明一种体感控制两轮平衡车教具的程序执行流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明一种体感控制两轮平衡车教具系统的优选实施方式。

结合图1和图2出示本发明一种体感控制两轮平衡车教具系统的具体实施方式：该体感控制两轮平衡车教具系统包括机械结构部分和硬件电路系统部分，机械结构部分包括两轮直立平衡车，两轮直立平衡车由两个共轴的车轮和车体支架组成，车轮分别由两个直流减速器驱动，两直流减速器均安装有光电编码器，车体支架由几片长方形的板块搭建而成，车体支架底部的底板上安装有电源驱动板，电源驱动板内安装有3节电池，车体支架上安装有主控板；硬件电路系统主要包括主控板、姿态检测模块、电机驱动模块、电源模块，通信模块，液晶显示模块，主控板通过数据线与姿态检测模块、JTAG接口、液晶显示模块、电机驱动模块连接，电机驱动模块驱动两直流减速器从而带动车轮转动，直流减速器再通过光电编码器将信息反馈给主控板。两轮直立平衡车通过蓝牙设备与PC机连接，PC机通过USB接口与Kinect摄像头连接。

硬件电路系统框图如图3所示。系统输入输出包括以下5部分。

(1)IIC接口(1路，MPU6050模块)：用于采集陀螺仪，加速度计的数字信号；

(2)PWM接口(2路，电机驱动模块)：两路PWM信号分别控制两个电机的转速；

(3)定时器接口(2路，光电编码器)：用于采集光电编码器输入脉冲，实现速度的采集；

(4)通信接口(2路)UART1接口：用于蓝牙通信，实现对小车的前进，后退，转弯。UART4接口：用于蓝牙通信，把小车运动和姿态信息实时传输到监控端。UART1接口同时是JTAG接口：用于下载程试及调试；

(5)GPIO接口：用于液晶显示进行人机交互，控制电机正反转及备用。

实现基于Kinect体感识别的上位机控制端，即使用体感识别技术实现对两轮直立小车控制。图像采集使用微软Kinect摄像头，使用C#语言在VisualStudio2012编写上位机软件，配合KinectSDK1.8平台实现体感识别，并通过蓝牙沟通上位机和下位机，使两轮直立小车完成一些基本动作。

上位机的编写是基于VisualStudio2012开发平台的WPF工程，WPF(WindowsPresentationFoundation)是微软推出的用户界面框架，是.NETFramework4.5其中的一部分。它提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计和后台代码逻辑。其中软件UI界面的设计使用XAML(可扩展应用程序标记语言)进行设计，后台逻辑程序则是使用C#语言配合KinectSDKv1.8开发平台提供的相关动态链接库进行编写。

程序的主要内容包括启动摄像头的数据流，提取彩色图像、深度数据、用户骨骼数据并进行相应处理，以及定义需要的控制姿态，让上位机能识别特定姿态并发送相应指令给下位机小车，从而控制小车执行相应动作。

包括三部分功能：(1)人体骨骼跟踪算法的实现，首先提取彩色图像和深度图像数据流并显示出相应图像，接着根据PC机提取的深度图像信息，提取出人体20个骨骼节点的空间坐标，利用C#语言的工具绘制出人体的状态，实现对人体姿态信息的实时跟踪；(2)人体姿态识别，首先将提取骨骼节点信息通过一定的算法生成姿态信息，接着将姿态信息与人体姿态库比对，产生相应的控制指令；(3)PC与下位机通信，PC机与下位机通过蓝牙建立连接，完成通信功能。其功能模块如图4所示。

程序执行流程：首先初始化。调用com_init，设置串口，调用startKinect()函数，初始化Kinect设备，打开颜色流、深度流和骨架流。

接着获取图像。使用的是事件模式来获取数据，每当Kinect准备好数据，会给PC机发送相应的指令，然后事件触发，软件处理相应的事件。分别调用了—_kinect_ColorFrameReady()、_kinect_DepthFrameReady()和_kinect_SkeletonFrameReady()，获取数据帧，并且通过相应函数转化为对应图像类型。

再进行数据跟踪分析，在这部分将处理所得到的各种数据，Kinect()分析景深数据提取骨骼，IsAngle()判断动作，com.Write()发送串口数据。

最后，当人为关闭窗口时，自动退出程序，调用stopkinect()，关闭Kinect设备，关闭显示颜色图、深度图以及处理之后的骨架图的界面。

该体感控制两轮平衡车教具把体感控制和两轮平衡车结合起来，组成现代化的教具设备。微软的kinect体感传感器使人与机之间的信息交互完全摆脱了传统的鼠标键盘、游戏把柄、遥控器等，使用最自然的方式与机器进行对话。现在还没有体感控制的两轮平衡车教具。给学习者提供一个技术学习交流平台，在教育方面具有十分重要的意义。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种体感控制两轮平衡车教具系统，其特征在于：所述体感控制两轮平衡车教具系统包括机械结构部分和硬件电路系统部分，机械结构部分包括两轮直立平衡车，两轮直立平衡车由两个共轴的车轮和车体支架组成，车轮分别由两个直流减速器驱动，两直流减速器均安装有光电编码器，车体支架由几片长方形的板块搭建而成，车体支架底部的底板上安装有电源驱动板，电源驱动板内安装有3节电池，车体支架上安装有主控板；硬件电路系统主要包括主控板、姿态检测模块、电机驱动模块、电源模块，通信模块，液晶显示模块，主控板通过数据线与姿态检测模块、JTAG接口、液晶显示模块、电机驱动模块连接，电机驱动模块驱动两直流减速器从而带动车轮转动，直流减速器再通过光电编码器将信息反馈给主控板。

2.根据权利要求1所述的体感控制两轮平衡车教具系统，其特征在于：所述两轮直立平衡车通过蓝牙设备与PC机连接，PC机通过USB接口与Kinect摄像头连接。

3.根据权利要求1所述的体感控制两轮平衡车教具系统，其特征在于：所述两轮平衡车体感控制软件部分包括三部分功能：

(1)人体骨骼跟踪算法的实现，首先提取彩色图像和深度图像数据流并显示出相应图像，接着根据PC机提取的深度图像信息，提取出人体20个骨骼节点的空间坐标，利用C#语言的工具绘制出人体的状态，实现对人体姿态信息的实时跟踪；

(2)人体姿态识别，首先将提取骨骼节点信息通过一定的算法生成姿态信息，接着将姿态信息与人体姿态库比对，产生相应的控制指令；

(3)PC与下位机通信，PC机与下位机通过蓝牙建立连接，完成通信功能。