基于手势识别控制的两轮平衡小车研究

本文提出了一种基于手势控制的两轮平衡小车的控制系统设计和实现方案。首先研究了平衡小车的平衡学原理和机械结构，得到平衡小车系统传递函数，然后通过电机转动反馈回的速度，利用PID来控制平衡小车的倾倒角速度。根据设计思路及其原理设计了具有手势识别功能的平衡小车，在此基础上研究了姿态检测、手势识别，并进行了系统测试和优化。

随着科技的不断进步和创新，平衡小车作为一种新型代步工具得到了越来越广泛的应用。然而，现有的平衡小车控制系统仍然存在一些不足之处。现有的两轮平衡小车控制系统在控制精度方面存在一定的问题，主要表现为平衡小车在高速行驶或转弯时容易出现晃动或失去平衡的情况。这主要是由于现有控制系统采用的传感器的精度和控制算法的限制所导致的。如何提高传感器的精度和优化控制算法，以及保持系统一个稳定的系统，将是未来研究的重点之一[1]。主要是由于控制算法的复杂度和计算能力的限制导致现有的两轮平衡小车控制系统响应速度较慢，不能很好地适应高速行驶或急转弯等情况[2]而且现有的两轮平衡小车控制系统功能单一，结构上不稳定，因此小车的自稳定是一项重大挑战[3]。本文采用了STM32F4ZGT6 主控芯片和PID 控制算法， 实现了平衡小车的高精度控制， 应用了ATK-PAJ7620U2手势识别传感器和MG513 直流减速电机，可以快速响应用户手势和指令，实现更快速的平衡小车运动， 通过结合手势识别传感器和MPU6050 内置DMP 所处理的数据，实现了平衡小车的向前、向后、顺时针移动、逆时针移动等多种动作，提高了平衡小车的实用性和趣味性。

2. 整体设计与基本原理 2.1. 整体设计 系统整体框架如图1 所示，整个系统有三个部分组成：外部底座结构，硬件系统和软件系统。外部底座结构设计如图2 所示，由两个编码电机带动车轮转动。

此外，主控芯片选择STM32F4ZGT6，搭载ATK-PAJ7620U2 手势识别传感器通过IIC 通信方式与主控芯片进行通信，向主控芯片发送手势识别结果，并通过OLED 显示屏显示手势识别的结果。编码电机选用带有霍尔传感器的MG513 直流减速电机，通过主控芯片的内置时钟TIM2 和TIM4 采集霍尔传感器回传的数值，进行状态分析。通过判别手势方向，结合MPU6050 内置DMP 所处理的数据，再通过PID控制实现平衡小车的向前，向后，顺时针移动，逆时针移动等动作。

电源部分则是选择竞赛常用航模锂电池。容量2200 mah，3 个电池包，标称电压11.1 V，满电压约12.8 V，放电倍率25 C，即理论最大输出电流能达到55 A [4]。同时通过LM2596 得到5 V 供电电压，同时选用AMS1117-3.3 V 作为二级降压电路的降压芯片。

其稳压误差在1.5%以内可得到噪音低、纹波小的3.3 V 供电电压。

整体结构上采用亚克力板作为小车的结构材料，选用铜质，内孔直径为3 mm 的六棱柱作为PCB 主控板的固定材料。直流电机使用角钢与核心钢板连接，整体的设计是一个上中下结构(图3)，电机在下， 控制系统在中部，手势识别传感器在上部，三者通过导线连接。