杜源泽，宋琪，李雪琦，江鹏飞，胡相龙，王玉芳
（山东英才学院 机械与电气工程学院，山东 济南 250104）
摘要：基于单片机的模块化智能玩具小车由具有完整的底盘结构和独立功能的模块模块区组成,其重组方式分为一体功能分工和链式重组两个类型。集成一体功能分工的模块化小车制作较为简便，它的结构主要是小车底盘框架搭载驱动系统，上层功能板搭载多种模块，只要将不同的功能模块安装到同一块板子上，并且设计好程序使其能够听从命令协同或者单独工作即可，而链式重组的模块化小车制作较为复杂，但是它具有非常高的自由度,它能够按操作者的想法重组成多种基于链的拓扑结构，这种小车相较于单一芯片集成多种功能的小车，能适应更多的环境，具有更好功能性，这种模块的重组可以信号控制由模块自动对接，也可以通过操作者手动拼装来完成，链式重组的模块化小车的模块结构可分为框架，驱动和功能系统，每个功能系统自成一体，可任意在框架上拆装，连接面板。论文着重论述集成一体功能分工模块的结构设计。包含模块的设计思想和方法，和模块的加装调试过程。说明模块功能的测试方法以及测试结果，并实验结论证实模块结构设计合理并且具有较好的可靠性。本篇涉及多种传感器的使用位置传感器和距离传感器是最重要的两种.论文提出利用位置传感器感知的模块连接角信息计算对接过程中模块的相对位置和角度变化,还提出利用红外传感器的感知信息计算进行对接的模块两个连接面板之间六自由度方向的位置偏移量,这些计算方法为实现模块化机器人自动重组提供了理论支持.
关键词：手势识别；STM32F103ZET6微控制器；FDC2214电容式传感器
0 引言
随着现今智能化以及集成电路的飞速发展，人们对智能工具的简便性以及多功能行需求与依赖也是日益趋多。特别是在智能家居和可携带智能设备方面，如今市面上的智能家居和智能穿戴设备是数不胜数，例如在智能手环，家用空气净化器，智能家居机器人、局域网智能人机交互等设备上也越来越偏向于一机多用。出于市场需求，各种智能化设备应运而生，即便智能化设备正在逐步扩大市场，市场也在不断地逼近科技前沿，但仍因为人与人之间存在的个体差异，统一规格智能器械是无法做到正确响应每个人的思想及其需求。而对多人的智能识别处理设备，除却在大场合、需求量较高、十分必要的场合下，用于人们平时的“办公”或“家居”方面，又由于繁琐的且并不实用的功能不断拉低性价比使得成本过于昂贵；并且有些在传统的做法上十分简单的一件事情，若强行加上许多华而不实的功能，则只会是让其操作化简为繁，所以一般民众很难接受这样的“智能工具”并有可能会产生抵触心理；所以，出于在公共方面的层层限制与无解，那么私人智能产品的方便性，当必然成为未来市面的一大主流。
模块化的多功能控制系统利用算法控制在各功能转换、对不同工作的处理、人机交互、信号接收处理，可按意愿加减·功能与不同功能集成一体，单独或协同工作等各个技术领域，在设备轻量化，单一设备多功能化上有极高的应用前景及研究拓展。
1 硬件设计
1.1硬件设计方案
手势识别与控制系统可分为覆铜极板、FDC2214传感器、模数转换、STM32微控制器、TFT液晶显示五部分。电容极板由对应通道将检测到的信号传输至FDC2214驱动电路中，由A/D将模拟信号转换成数字信号，并将其传送至STM32微控制器，由MCU运算处理，得出检测数值及判断结果并显示在TFTLCD液晶屏幕上，如图1所示。
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图1 手势识别与控制系统的硬件组成框图
1.2 小车模块设计
1.2.1 电机驱动模块设计
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图1 电机驱动模块
智能小车的两个电机驱动，我们使用L293芯片，这款芯片是双H桥电机驱动芯片，可以同时控制两个电机的正反转，每个输出通道电流可达1A。
我们从电路图中可以看出IN1，IN2，IN3，IN4是接到单片机的管脚的，通过单片机输出高低电平，控制电机正转，反转或停止。其中IN1和IN2对应OUT1和OUT2，IN3和IN4对应OUT3和OUT4，另外EN1和EN2是使能管脚。两个管脚为高电平时，才可以控制输出端，使用这两个管脚已经接到VCC上。
真值表：
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在EN是低电平的状态下，不管输入是高低电平，输出都是高阻态。
比如，我们的电机正极接out1，负极接out2，那么我们要电机正转就out1输出高电平，out2输出低电平，所以IN1要为高电平，IN2为低电平。程序我们可以这样写。
IN1 = 1；
IN2 = 0；
这样就可以控制电机正转，反转也是一样的道理。同时我们还可以将两个电机正反转的驱动组合成一个函数，只有我们给参数，小车就可以向前，向后，左转，右转，停止等。
1.2.2超声波测距原理
超声波传感器正如其名，是使用超声波测量距离的传感器。
由传感器头发射超声波，并再次通过传感器头接收目标物反射回来的超声波。超声波式传感器可通过测量从发射到接收的“时间”来测量到目标物的距离。
图2 超声波测距示意图
虽然光学式传感器具有发射器和接收器 2 个部分，但超声波式传感器的 1 个超声波元件可进行发射和接收两种操作。而反射型超声波式传感器的 1 个振动器即可交替进行发射和接收操作，由此可实现传感器的小型化。
求得距离的方法：
如果将距离设为L、从发射到接收的时间设为T 及音速设为C，则可通过距离
L = 1/2 × T × C
的计算公式求出。（T 为往返时间，乘以1/2）
本装置可以车前的障碍进行探查并作为信号反馈回芯片，通过对于反馈回与障碍物的距离数值的处理，可以使得使得其可以下达处理命令以控制小车运动。
2 软件设计
2.1 单片机程序设计
在本研究中基于单片机的多功能模块式小车在研究过程中，对于软件控制系统中，51单片机属于其中最关键的部分，它可以使用现有的电子元件，例如此次中使用的舵机和马达。对于控制系统中的软件部分，本研究中在研发过程中，所选择的语言主要是是C语言。
2.2 单片机程序图
图 3 单片机程序图
3 测试方案及结果
3.1技术路线图
图4 技术路线图
3.1测试路线图
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图5 测试路线图
3.2测试方案
1、自制障碍路径，并标示距离，试小车自动通过路径，观察结果。
2、测量环境温度，在每次不同项目试验结束后使小车测温，与温度计做对比。
3、设自动寻迹路径，观察小车自动运行过程中是否偏离路径。
4、遥控小车运动，观察运动结果。
5、设置自动跟随距离40cm，观察小车跟随结果。
3.3训练步骤与测试结果
3.3.1训练步骤
首先进入训练模式，大量测试训练数据与反馈数据，利用均值算法将训练数据取有限次并求其平均，得出训练期望值。将判别反馈值采集并绘制表格并统一从大到小排序，绘制期望值与反馈值的偏差曲线并进行深度分析。
若结果与对应数据差距较小，则代表该方法可行，并继续下一步的精度提升，尽量使反馈数据与期望数据拟合为一条直线。
若结果与对应数据差距较大，说明该方法不可行，需要修改方法策略，使得反馈数据尽量靠近期望数据。
3.3.2测试结果
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实验得出均值该方法可行，我们并进行了一系列的精度提升优化，使得反馈数据与期望数据高度拟合。
4 结束语
本设计通过对于遥控输入信号的接收处理，使得小车上的各个模块可协调或分离运作，设计主要采用遥控器控制，为方便确认添加位于车体上的手动启动按钮；可通过该按钮更好的控制功能，以达成人们对于智能工具精准方便的需求。并且该装置功能丰富、适应性强、易于推广、使用操作方便、设计轻量化，在私人生活、私人办公，智能家居私人使用场合以及商场、地下停车场、医院等公共区域有着极高的应用前景，为人们在日常生活中实现个人定制化及私人智能产品提供了可能。
参考文献：
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