英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于手势识别的蓝牙通信控制机器人
Rahul Kumar Singh，Archisman Sarkar，Debashish Chakravarty，Paritosh Goyal，Vaibhav Lodhi，Anurag Sharma
摘要
手势识别是计算机科学和通信技术中的一个主题，其目标是通过模型输出和数学算法来解释人类的手势。 在将结果传送给用户应用程序之前，通常会处理手势识别。 今天，机器人领域正在针对手势识别中可能的应用在各个方面进行探索。 在本文中，手势识别工具已被用于控制机器人运动和抓手臂对，以便利用蓝牙模块抓握感兴趣的物体。为此，开发了该算法的Android应用程序，该应用程序提供了一个交互式用户界面，用户可以将智能手机倾斜到所需的移动方向，倾斜程度决定了机器人的速度。 该应用程序使用智能手机的内置加速计，处理器和蓝牙作为处理单元和数据发送器。 通过这样做，用户可以灵活地控制机器人的速度和方向。 机器人还包括一对抓手，可以使用手势输出来控制任何感兴趣的物体。 方向，即方向是使用2轴上的加速度计的读数来计算的。 除此之外，还增加了一项额外的功能，使机器人的抓手臂沿着X轴和Z轴具有2个自由度。 本文旨在介绍工业应用，军事目的和各种其他领域的另一种自动化模式。
介绍
机器人技术的应用一直在日益增加，从工业到家庭的各个方面都让生活更轻松。它的应用是使系统更加可靠和更加自主。 主要关注点是尽可能便宜和方便用户，这样一个没有太多机器人内部工作的外行人应该能够控制它。 拟议的工作也将帮助不同的人以及他们家中的正常人坐在一个地方，并将他们的范围扩大到几乎所有的角落，而不去那个地方。该机器人的范围大约是30英尺，它来自蓝牙模块的范围。 使用这种机器人可以完成简单的任务，如携带一杯水，小型家庭用品等。除此之外，它的使用可以扩展到行业。在这个原型中，已经使用了两个蓝牙设备，其中一个用作接收器，另一个用作发射器。 每个单元由处理单元组成，例如微控制器或手机内置的处理器。 本文提出了两种方法，一种是手机本身作为处理单元，其内置的加速度计用于手势识别，蓝牙用于处理数据的无线传输。 除此之外，另一种解决方案是用于手势识别的外部加速度计
与Arduino一起用作处理单元，并使用蓝牙模块作为发射器。 蓝牙模块使用UART协议与微控制器连接。 UART协议使用了2条线路，即发送和接收线路。
拟议的工作特点是一个机器人，将由每个人的手都可以访问的智能手机控制。 用户可以开发自己的发射器模块，包括加速度计，Arduino板和蓝牙模块，而不是智能手机作为发射器模块。 整体重点是为手势识别中的嵌入式改进提供平台。
方法和工作原理
下面的方法论和工作原理在这个提出的使用精确的人体手势输出的机器人衍生物自动化之下，使用从传感器获得的数据的处理并应用滤波器来消除传感器噪声。 所提出的工作使用加速度计和陀螺仪的惯性传感器来捕捉用户的姿势。 信号处理技术的本质已被用于控制机器人运动的数据分析。 图1表示加速度计控制驱动电机的过程流程图。
程序
拟议工作采用的方法背后的简短程序是：
- 开发一个足够的机器人，可以根据用户需要借助应用界面按钮进行移动，抓取和提升。
- 在成功实施这个阶段之后，通过使用有线传感器的手势控制处理将控制权移交给机器人和抓手，从而取代了前一点中的传统开关控制。
- 接下来，当用户使用有线传感器成功地控制机器人时，开启无线控制。简单地说，蓝牙通信协议的电线被替换了。
- 最后，在根据前一点接口连接分立传感器之后，控制系统提供了使用android智能手机的内置传感器和蓝牙功能的机器人。
图1.流程图（a）发射机（b）接收机
系统概述/模块明智的描述
Atmega 328P
Atmega328P是一款高性能8位AVR RISC微控制器。它具有32KB具有可同时读写功能的ISP闪存，1KB EEPROM，2KB SRAM，23个通用I / O线，32个通用工作寄存器，以及3个带比较模式的灵活定时器/计数器。该微控制器还带有内部和外部中断，在蓝牙通信中非常有用，其接收中断功能用于数据接收目的。其USART特性用于连接蓝牙和微控制器。UART协议有两条线用于接收器，另一条用于发送器。该器件的工作电压在1.8-5.5伏之间。 Atmega328有6个硬件PWM引脚。 这是用于机器人速度控制的最重要的功能。 在这个应用中，两个8位PWM引脚用于变速控制。
蓝牙通信模块
蓝牙通信有两种方式可以完成：
- 蓝牙模块（Master-HC-05）连接到另一个蓝牙模块（主/从HC-05或从HC-06）。 当外部惯性传感器MPU-6050用于感应手势时使用此模式。
- 蓝牙模块（主/从HC-05 / HC-06）到支持蓝牙的智能手机。
表1.用于研究的HC-05和HC-06蓝牙模块的规格。
|
HC-05 |
HC-06 |
|
可以配置为两个主 |
只能配置为从站 |
|
蓝牙设备名称：HC-05 |
蓝牙设备名称：HC-06 |
|
密码：1234 |
密码：1234 |
|
范围：30英尺 |
范围：30英尺 |
爪
抓手由2个舵机组成，以实现精确和简单。 该设计在Solid Works上进行了工作和模拟，对其坚固性给出了良好的结果。基本设计是使用Perspex板材实现的。 在2个伺服系统中，第一个伺服系统被用作夹持器，其主要目的是抓住物体。 在夹具的两个臂的内部，用于摩擦的海绵橡胶材料是固定的，这增强了夹持过程并且还避免了对夹持物体的损坏。 除此之外，手臂内还放置了小触觉按钮，可以发出信号，指示物体握住抓手。 另一个伺服器用于升降机构。 一旦信号从触觉按钮指示，该伺服的运动就会被激活。 用于提升机构的伺服系统具有很高的扭矩，因此可以提升重物。 该项目使用的伺服模型是Futaba S3003。
接收模块
接收器模块由一个HC-06蓝牙模块和作为处理和命令生成单元的Arduino组成，如图3所示。接收器被配置为从器件并自动与发送器配对，从而免除了用户配置蓝牙模块的负担。
图2.接收和板载单元电路图
发射模块
发射器模块由HC-05蓝牙模块和Arduino组成，作为处理和命令分析单元，如图4所示。HC-05蓝牙模块作为主模块，并且该模块也被配置为与接收器自动配对
HC-06模块借助AT命令。 对于手机控制的机器人，智能手机将使用名为Bluebot的应用程序作为发射器模块工作。
图3.发送和板载单元电路图。
处理单元
发射机
案例1：发射模块是手机
在这种情况下，核心处理和分析单元将是电话本身。 将会有一个名为Bluebot的应用程序，它将利用手机传感器数据并使用内置手机处理器进行计算，并以简单命令的形式生成简单的指令流，这些命令将使用蓝牙进行传输。
图4.基于蓝牙手势的抓手开发的机器人不同模块的框图。
算法
机器人需要3轴加速计数据。 接收到的数据通过移动平均滤波器滤除意外的传感器噪声。 然后过滤的数据用于计算速度和方向。 对于速度和方向计算，使用加速度计的x和y轴数据，而对于模式选择则使用z轴数据。 该模式定义机器人是处于车轮还是抓手模式。 对于模式选择，为z轴加速度计数据定义阈值限制。 当该值超过该限制时，机器人在模式之间切换。 以下公式用于查找控制机器人的主要参数。 这些公式是从标准差分驱动方程导出的。
情况2：发射机模块是蓝牙模块
在这种情况下，来自加速度计的数据将被Arduino接收，然后它将以简单流的形式被处理和传输
tantheta;=加速度计y轴数据
加速度计x轴数据
(1)
命令。 这些命令将包括速度，移动角度和模式指示器。
速度= radic;加速度y轴数据㎡ 加速度计x轴数据㎡
(2)
接收器
接收器上会有一个Arduino。信号将被蓝牙模块接收，然后Arduino执行电机命令。Arduino根据左右车轮速度对接收到的信息进行解耦，并将PWM输出提供给电机以实现速度。
电机1pwm=速度times;（1 - Cos0）times;正常化因数 (3)
电机2pwm=速度times;（1 Cos0）times;正常化因数 (4)
连接和框图
当，正常化因数=
28 — 1
(5)
在这个项目中投入所有的资源和精力之后，结果足以取得丰硕的成果。这款设计开发的机器人能够在用户控制的Android智能手机的帮助下移动和抓取提升物体。除了期望的机器人移动之外，伺服电机的使用给位置控制提供了巨大的灵活性，用于抓取可变尺寸的物体。图5显示了用于基于蓝牙手势的夹持器开发的机器人的不同模块的框图。
PWM值循环速度100
在运行模式下，传输的数据将由2个字节的数据以5Hz的频率传输。 第一个字节将存储运动的方向，而第二个字节存储速度的大小。 通过寻找加速度计的x轴和y轴数据的矢量幅值并根据电机指令中的所需参考值对幅值进行缩放，从而确定速度幅度，并且不需要非常高的分辨率。
速度指令赋予PID控制器。 PID控制器确保接收到的速度命令得以实现。通过使用8位脉宽调制（PWM），在接收端控制速度和方向。
移动Android应用
开发应用程序检索并处理来自智能手机加速计模块的数据。 还创建了非常用户友好的用户界面（UI），可以通过手势控制机器人以及使用App中提供的方向盘。 图6显示了开发的Android用户界面的屏幕截图。 该应用程序包含一些基本的使用说明：
- 首先，需要确保智能手机的蓝牙模块与接收器的HC-05蓝牙模块配对。 用于连接HC-05蓝牙模块的密码是1234或0000.配对完成后，蓝牙模块每秒闪烁两次。
- 然后，CONNECT按钮提供将智能手机连接到机器人的选项。
- 一旦它们都配对，手势识别模块就会被激活。 机器人沿用户倾斜手机的方向移动。 机器人的速度取决于智能手机在特定方向上的倾斜程度。
- 该应用程序还可以选择像汽车的方向盘一样控制机器人。 方向盘的角度决定了运动的方向，并使用可调节杆来调整速度。
- “DISCONNECT”（断开）按钮提供断开与机器人连接的通道。
图5.开发的Android用户界面的工作（a）开发的应用程序的菜单，以及（b）使用应用程序收集数据时的屏幕。
传感器
低成本加速度计已用于以模拟形式提供数据，数据通过使用内置于IMU中的ADC（模数转换器）模块进行处理，并使用I2C通信协议进行访问。 在手机操作机器人的情况下，使用内置加速度计。
电源
为了提供电力，使用了12V Lipo（锂聚合物）电池。 使用的电池型号为Turnigy 2200mAh 3S 20C Lipo Pack。 完全充电的机器人的整体运行时间电池约2小时。 使用IC LM7805提供给Arduino的电源。 它是连接到电池时提供5V直流电源的电压调节器。
运动
对于运动，这里使用两个100 rpm的12V直流电机。速度由PWM控制。 其空载电流为60 mA（Max），负载电流为300 mA（Max）。 单个电机的重量约为125克。
使用的机箱
铁平台已被用作机器人的平台。 平台包括用于固定电机的孔，Arduino和Gripper。 有许多机器人模型可供选择，如差速驱动，阿克曼驱动，全轮驱动等。在所提出的工作中，差速驱动模型由于其简单性和建模而开发。 一个数学方程变得非常简单，给出的运动命令只有两个，即左轮速度和右轮速度。 图7显示了bot的渲染3D设计。
图6.本研究中开发的原型机器人的渲染3D设计。
结果
结果表明，开发的原型模块能够运动和抓取，借助用户控制的Android智能手机提升物体。 除此之外，伺服电机为抓取可变尺寸物体提供了位置控制的灵活性。 图8显示了实际的原型及其主要子模块。
结论
本文介绍如何使用智能手机的加速度计数据通过手部移动来控制机器人原型，并通过蓝牙模块将数据传输到机器人端。 从结果中获得的数据点表明模块正常工作。 推进; 拟议的机器人工作可能有助于工业自动化，军事目的和各种其他自动化应用。
限制
(a)
图7.发射器模块处的加速度计数据（a）开发应用程序的菜单，以及（b）使用应用程序收集数据时的屏幕。
横
电机抓手
垂直控制电机
传感器
金属物体检测
蓝牙
模
图8.原型机器人模块
开发的原型模块可以在平面上工作; 在运动过程中可能会遇到粗糙表面的问题。
全文共5943字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[10776]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
