CN204734940U - 一种基于手势控制的电动滑板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于手势控制的电动滑板，该滑板包括腕表式手势采集器、长板本体、驱动电机以及主控装置。本实用新型中驱动电机采用双驱无刷电机作为动力，输出功率大，噪音低，简单可靠；采用六轴陀螺仪模块采集手势信号从而控制滑板前进、后退、刹车等功能，无需手部按键，只需挥动手臂就能控制滑板的运动，操作简单，无论使用者年龄如何，都能轻易掌握；主控装置通过超声波模块测距自动蔽障，在危险的马路上保证了使用者的安全；光照度模块实时测量环境光亮度，从而控制滑板的车头灯在外界过暗时自动打开；LED电量指示灯组通过LED点亮个数直观反映滑板电池电量，避免在行驶途中断电情况的发生。

Description

一种基于手势控制的电动滑板

技术领域

本实用新型涉及一种滑板，尤其涉及一种基于手势控制的电动滑板。

背景技术

现代社会，环境污染问题日益严重。而日常生活中经常可以看到，即使是一些行程较近的目的地，很多人选择驱车前往。这样既不方便又不环保理念。同样，在一些旅游景区内，常常需要长距离步行，而乘坐观光车又失去了观景自由。电动滑板要着力解决日常短途通勤不便这个难题，避免机动车滥用带来的环境问题，以及塞车，停车，加油等其他不便因素。电动滑板不仅有轻便的优势，同时还具有高速度和较好的操控性，对于短途旅行来说是个不错的选择。

第一代电动滑板：电动滑板从上世纪90年代初就有了，但它们总是要求用户同时搭配额外的组件，从手持油门到基于传感器阵列的微软Kinect，人们总是找不到传统板面的感觉。这可以说是国内第一代的电动滑板，不仅有各种外接设备的限制，也有沉重的电池，携带不便。当时采用的直流电机体积大，能效低，因此没有真正意义上的推广，至多成为一种玩具。这也是国内市售电动滑板的普遍水准。而较差的刹车性能和滑板的不稳定，也让电动滑板需要专门的训练才能使用，安全性偏差也使得其少有人尝试。这种单纯在普通滑板上添加电机和控制电路的产物显然是不可取的。第二电动滑板：美国的ZBoard电动滑板就是其中最为先进的一种。ZBoard是第一个通过感应使用者的重量转移进行操纵的自动滑板。它是这样工作的：通过一只脚踩动滑板的前面或者后面，系统就能判断人在滑板上的重量分布而进行速度的操控。向前踩和前倾表示加速，向后踩和向后倾斜表示刹车。这意味着再也不用因在崎岖的地面或者长距离滑行而磨破鞋底了。同时，在美国的Boosted Boards公司的推出的一款更优秀的设计——轻型电池自动推进式长板(longboard)。长板是滑板的变体，通常用于巡航，速降竞赛，障碍滑雪，滑行或者是当作交通工具，一般会比普通的滑板要长一些。这款电动长板的设计功率为2000瓦，重约5.4千克，比普通长板仅重了1.81千克，号称是史上最轻的电动交通工具，最高速度可达32.2千米/小时，电池续航可以让长板行驶约9.7千米。

无论是Zboard还是Boosted Boards，都是一个极为先进的设计，但同样有许多不足之处。首先，仍然无法摆脱手部按键的干扰，影响使用者注意力，同时影响驾驶安全性。其次，在追求高速度的同时没有安装更多的电子传感器以保证使用者的安全，在危险的马路上不能让使用者有安全感。还有，电动滑板过于强调轻量化，虽然使用了高性能锂电池，续航里程仍无法保证。最为重要的是，外国产品造价过于昂贵，没有市场推广价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过一种基于手势控制的电动滑板，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于手势控制的电动滑板，包括腕表式手势采集器、长板本体、驱动电机以及主控装置；所述腕表式手势采集器与主控装置通过蓝牙无线通讯连接，所述驱动电机和主控装置设置于长板本体上，所述主控装置电连接驱动电机；所述腕表式手势采集器包括单片机、六轴陀螺仪模块、蓝牙模块和电源模块，所述单片机与六轴陀螺仪模块、蓝牙模块通讯连接，所述电源模块电连接单片机；所述主控装置包括微控制器、蓝牙模块、超声波模块、光照度模块及电调模块，所述微控制器电连接蓝牙模块、超声波模块、光照度模块及电调模块。

特别地，所述驱动电机选用双驱无刷电机。

特别地，所述腕表式手势采集器中单片机选用arduino pro mini单片机，六轴陀螺仪模块选用MPU6050六轴陀螺仪，蓝牙模块选用HC-06蓝牙模块，电源模块选用锂电池；所述arduino pro mini单片机通过串口连接MPU6050六轴陀螺仪和HC-06蓝牙模块。

特别地，所述主控装置中微控制器选用Arduino Uno单片机，蓝牙模块选用HC-06蓝牙模块，超声波模块选用HC-SR04超声波测距模块，电调模块选用无感无刷电调。

特别地，所述光照度模块选用光敏电阻。

特别地，所述主控制装置还包括LED电量指示灯组，其与微控制器电连接。

本实用新型提出的基于手势控制的电动滑板中驱动电机采用双驱无刷电机作为动力，输出功率大，噪音低，简单可靠；采用六轴陀螺仪模块采集手势信号从而控制滑板前进、后退、刹车等功能，无需手部按键，只需挥动手臂就能控制滑板的运动，操作简单，无论使用者年龄如何，都能轻易掌握；主控装置通过超声波模块测距自动蔽障，在危险的马路上保证了使用者的安全；光照度模块实时测量环境光亮度，从而控制滑板的车头灯在外界过暗时自动打开；LED电量指示灯组通过LED点亮个数直观反映滑板电池电量，避免在行驶途中断电情况的发生。同时，本实用新型结构简单，体积小，且成本低，易于推广应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的腕表式手势采集器结构图；

图2为本实用新型实施例提供的主控装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实施例中基于手势控制的电动滑板具体包括腕表式手势采集器、长板本体、驱动电机以及主控装置。所述腕表式手势采集器与主控装置通过蓝牙无线通讯连接。所述驱动电机和主控装置设置于长板本体上。所述主控装置电连接驱动电机。于本实施例中所述驱动电机采用双驱无刷电机。滑板本体选用长板。长板在重量上超过普通滑板，但它的宽度与长度使其更稳定并且易于使用。长板的主要材质包括枫木，竹木，玻璃纤维，碳纤维，金属等。

所述腕表式手势采集器包括单片机、六轴陀螺仪模块蓝牙模块及电源模块。所述单片机与六轴陀螺仪模块、蓝牙模块通讯连接，所述电源模块电连接单片机。于本实施例中，如图1所示，所述腕表式手势采集器中单片机选用arduinopro mini单片机，六轴陀螺仪模块选用MPU6050六轴陀螺仪，蓝牙模块选用HC-06蓝牙模块，电源模块选用锂电池，即图中用BT表示。所述arduino pro mini单片机焊接在一块定制电路板后部，MPU6050六轴陀螺仪和HC-06蓝牙模块焊接在定制板正面，采用锂电池供电，USB口充电，最大限度减小体积。该腕表式手势采集器以arduino pro mini单片机为核心，通过串口连接MPU6050六轴陀螺仪，接受传感器发送过来的加速度，角度等运动数据。通过内部程序对这些原始数据进行初步规范化处理后通过HC-06蓝牙模块传送给滑板上的主控装置进行处理。由于两个模块各自用到了发送功能和接受功能，因此共用一个串口而不会相互干扰。

所述arduino pro mini单片机是Arduino Mini的半定制版本，所有外部引脚通孔没有焊接，与Mini版本管脚兼容。Arduino ProMini的处理器核心是ATmega168，同时具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出)，6路模拟输入，一个晶体谐振，一个复位按钮。有两个版本：工作在3.3V和8MHz时钟，及工作在5V和16MHz时钟。该arduino pro mini单片机可以通过FTDI线或者焊接6脚Header，也可以通过电源引脚接入外部直流电源。电源引脚说明：RAW--外部直流电源接入引脚，raw代表接入的可以是电池或者其他直流电源。VCC--通过稳压器产生的3.3V或者5V电压。GND--地脚。

由于普通的陀螺仪使用极为复杂，输出数据非常不稳定，需要修正磁偏角并去除重力影响，往往要对输出数据采用卡尔曼滤波与互补滤波，同时使用欧拉角将加速度转换为角度，后期处理过于复杂，可能影响主程序运行。因此，本实用新型采用的MPU6050六轴陀螺仪中综合了卡尔曼滤波处理器，直接通过串口输出真实角度值，使用更为方便。MPU6050六轴陀螺仪为高精度的陀螺加速度计，通过处理器读取MPU6050的测量数据然后通过串口输出，免去了用户自己去开发MPU6050复杂的I2C协议，同时精心的PCB布局和工艺保证了MPU6050收到外接的干扰最小，测量的精度最高。MPU6050六轴陀螺仪内部自带电压稳定电路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系统，连接方便。MPU6050六轴陀螺仪保留了MPU6050的I2C接口，以满足高级用户希望访问底层测量数据的需求。MPU6050六轴陀螺仪采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。MPU6050六轴陀螺仪内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪。

HM-06蓝牙模块采用最小的封装，13.5MM*18.5MM*2.3MM大小，适用于腕表式手势采集器，体积小，使用方便灵活。天线封装在模块内部，尽量节省空间。信号稳定，连接快速，更有利于在腕表式手势采集器上使用。

HM-06蓝牙模块设置为SPP主机模式时：未连接状态时，清除配对信息(若存在配对设备信息)；已连接状态时，主动发起断开连接，延时500ms后重启，重新搜索连接从设备；在断开连接时：重新搜索连接从设备。HM-06蓝牙模块设置为SPP从机模式时：在已连接状态时：主动发起断开连接，重新进入被搜索状态，等待主机配对和连接；在断开连接时：重新进入被搜索状态，等待主机配对和连接。

下面对腕表式手势采集器中嵌入的主程序扼要说明：检测电池电量，如果正常电压，运行读取程序，灯常亮；如果电压过低，跳过读取程序并灯快闪。接收MPU6050六轴陀螺仪数据包；通过向外发送。计算公式如下：加速度计算公式：

ax＝((AxH<<8)|AxL)/32768*16g(g为重力加速度，可取9.8m/s2)

ay＝((AyH<<8)|AyL)/32768*16g(g为重力加速度，可取9.8m/s2)

az＝((AzH<<8)|AzL)/32768*16g(g为重力加速度，可取9.8m/s2)

角速度计算公式：

wx＝((wxH<<8)|wxL)/32768*2000(°/s)

wy＝((wyH<<8)|wyL)/32768*2000(°/s)

wz＝((wzH<<8)|wzL)/32768*2000(°/s)

角速度计算公式：

滚转角(x轴)Roll＝((RollH<<8)|RollL)/32768*180(°)

俯仰角(y轴)Pitch＝((PitchH<<8)|PitchL)/32768*180(°)

偏航角(z轴)Yaw＝((YawH<<8)|YawL)/32768*180(°)

温度计算公式：

T＝((TH<<8)|TL)/340+36.53℃

如果电量检测过高，则此时为充电状态，不运行读取程序，指示灯灯慢闪。

所述主控装置包括微控制器、蓝牙模块、超声波模块、光照度模块及电调模块，所述微控制器电连接蓝牙模块、超声波模块、光照度模块及电调模块。于本实施例中，如图2所示，所述主控装置中微控制器选用Arduino Uno单片机，蓝牙模块选用HC-06蓝牙模块，超声波模块选用HC-SR04超声波测距模块，光照度模块选用bh1750环境光传感器，电调模块选用无感无刷电调，图2中用ESC表示。

所述Arduino Uno单片机是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出)，6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。UNO已经发布到第三版，与前两版相比有以下新的特点：一、在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板。二、改进了复位电路设计。三、USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。

所述HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。发射器向前方发出超声波，如果有障碍物，测量反射回声波的时间即可运算出障碍物距离。基本工作原：(1)采用IO口TRIG触发测距给至10us的高电平信号。(2)自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。其中VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四支线。

所述bh1750环境光传感器用来测量环境光强度以点亮与微控制器电连接的LED电量指示灯组，但不局限于此，本实用新型同时也可以单独采用光敏电阻测量光亮。使用bh1750环境光传感器的优势在于可以直接输出转化为Lx的光亮度值，使用方便，精度更高。

对于无感无刷电调，它们的连接情况一般是这样的：1、电调的输入线与电池连接；2、电调的输出线(有刷两根、无刷三根)与电机连接；3、电调的信号线与接收机连接。另外，电调一般有电源输出功能，即在信号线的正负极之间，有5V左右的电压输出，通过信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。随着无刷电机的大力发展，无刷电调占据了市场的主流。市面上也出现了许多种类的无刷电子调速器品牌。并不是每一款无刷电调都能与电机匹配，主要和电调的功率相关。如果使用了功率不够的电调，将会导致电调上面功率管的烧坏，以致电调不能工作。所以选择电调一定要看该款电调的功率，另外要看电调与电机的兼容度。电调并不能兼容所有电机，它必须根据电机的功率等参数来进行选择。当电调接收到myservo.write(90)函数发送的信号的时候，电调控制无刷电机停止转动。当电调接收到myservo.write(0)函数发送的信号的时候，电调控制无刷电机正向全速转动。当电调接收到myservo.write(180)函数发送的信号的时候，电调控制无刷电机反向全速转动。过渡阶段线性变化。

下面对主控装置的控制流程进行扼要说明：总体采用大循环程序结构。首先对系统硬件初始化，主要是一些变量定义和串口，电调的初始化操作。初始化结束后程序就等待异步串口操作发送过来的同步字节，如果获得该同步字节，则程序对蓝牙串口接收到的三轴加速度、三轴角速度、三轴角度信号进行分离，并存入相应的变量。为了更好的对电机进行控制，需要对使用到的角度信号进行缩放坐标转换。接着进行基于隐马尔科夫模型的手势识别，根据手势的角度状态进行滑板电动机控制，实现滑板电机的正反转，刹车等操作。

基于隐马尔科夫模型的手势控制原理简要介绍如下：隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model，HMM)是一种统计分析模型，能非常细致的描述手势信号的时空变化，适用于动态手势的识别。诸多手语识别系统均采用HMM作为识别技术，如台湾大学的台湾手语识别系统及卡内基梅隆大学的美国手语识别系统。HMM拓扑结构具有一般性，使得对手语信号的分析过于复杂，计算量过大，速度过慢，故而大多采用离散HMM。隐马尔可夫模型是马尔可夫链的一种，它的状态不能直接观察到，但能通过观测向量序列观察到，每个观测向量都是通过某些概率密度分布表现为各种状态，每一个观测向量是由一个具有相应概率密度分布的状态序列产生。所以，隐马尔可夫模型是一个双重随机过程----具有一定状态数的隐马尔可夫链和显示随机函数集。自20世纪80年代以来，HMM被应用于语音识别，取得重大成功。到了90年代，HMM还被引入计算机文字识别和移动通信核心技术“多用户的检测”。HMM在生物信息科学、故障诊断等领域也开始得到应用。

本实用新型的技术方案中驱动电机采用双驱无刷电机作为动力，输出功率大，噪音低，简单可靠；采用六轴陀螺仪模块采集手势信号从而控制滑板前进、后退、刹车等功能，无需手部按键，只需挥动手臂就能控制滑板的运动，操作简单，无论使用者年龄如何，都能轻易掌握；主控装置通过超声波模块测距自动蔽障，在危险的马路上保证了使用者的安全；光照度模块实时测量环境光亮度，从而控制滑板的车头灯在外界过暗时自动打开；LED电量指示灯组通过LED点亮个数直观反映滑板电池电量，避免在行驶途中断电情况的发生。同时，本实用新型结构简单，体积小，且成本低，易于推广应用。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种基于手势控制的电动滑板，其特征在于，包括腕表式手势采集器、长板本体、驱动电机以及主控装置；所述腕表式手势采集器与主控装置通过蓝牙无线通讯连接，所述驱动电机和主控装置设置于长板本体上，所述主控装置电连接驱动电机；所述腕表式手势采集器包括单片机、六轴陀螺仪模块、蓝牙模块和电源模块，所述单片机与六轴陀螺仪模块、蓝牙模块通讯连接，所述电源模块电连接单片机；所述主控装置包括微控制器、蓝牙模块、超声波模块、光照度模块及电调模块，所述微控制器电连接蓝牙模块、超声波模块、光照度模块及电调模块。

2.根据权利要求1所述的基于手势控制的电动滑板，其特征在于，所述驱动电机选用双驱无刷电机。

3.根据权利要求1所述的基于手势控制的电动滑板，其特征在于，所述腕表式手势采集器中单片机选用arduino pro mini单片机，六轴陀螺仪模块选用MPU6050六轴陀螺仪，蓝牙模块选用HC-06蓝牙模块，电源模块选用锂电池，arduino pro mini单片机通过串口连接MPU6050六轴陀螺仪和HC-06蓝牙模块。

4.根据权利要求1所述的基于手势控制的电动滑板，其特征在于，所述主控装置中微控制器选用Arduino Uno单片机，蓝牙模块选用HC-06蓝牙模块，超声波模块选用HC-SR04超声波测距模块，电调模块选用无感无刷电调。

5.根据权利要求1至4之一所述的基于手势控制的电动滑板，其特征在于，所述光照度模块选用光敏电阻。

6.根据权利要求5所述的基于手势控制的电动滑板，其特征在于，所述主控制装置还包括LED电量指示灯组，其与微控制器电连接。