手势识别器

飞思卡尔杯第六届应用大奖赛 决赛设计论文 设计名称 ：手势识别器 比赛编号 ：1000142 通讯地址 ：深圳市南山区西丽大学城哈工大校区C栋102B 邮编 ：518055 电子邮箱 ：hitpir@gmail.com 电话 ：0755-26033990 13632542544 推荐单位名称 ：哈尔滨工业大学深圳研究生院学生科学与技术协会 单位地址 ：深圳市南山区西丽大学城 小组成员 姓名： 刘钊 （中文）Liu Zhao （英文） 职业： 硕士研究生 姓名： 原志杰 （中文）Yuan Zhi Jie （英文） 职业： 硕士研究生 姓名： 徐维昌 （中文）Xu Wei Chang （英文） 职业：硕士研究生 姓名： 宋翔 （中文）Song Xiang （英文） 职业：硕士研究生 姓名： 张世琦 （中文）Zhang Shi Qi （英文） 职业：硕士研究生 姓名： 黄棋波 （中文）Huang Qi Bo （英文） 职业：硕士研究生 摘要........................................................................................................- 2 - 引言........................................................................................................- 2 - 一、 ...............................................................- 2 - 手势识别的控制原理 二、 ...................................................................................- 3 - 系统描述 1. ............................................................................................- 3 - 系统组成及功能 2. ................................................................................................- 4 - 预定义的动作 3. ........................................................................................................- 5 - 演示终端 三、 ...................................................................................- 6 - 硬件描述 四、 ...................................................................................- 7 - 软件描述 1. ........................................................................................- 8 - 单片机硬件初始化 2. ........................................................................................................- 9 - 数据采集 3. ......................................................................................................- 10 - 动作检测 4. .......................................................................................................- 10 - SCI通信 五、 .................................................................................- 11 - 演示终端 1. ...........................................................................- 11 - J2ME平台开发环境配置 2. ..................................................................................- 11 - 软件应用程序的流程 3. ..........................................................................- 12 - 软件应用程序的组织结构 六、 ..........................................................................................- 17 - 结论 手势识别器 宋翔,原志杰, 徐维昌, 张世琦, 黄棋波，刘钊 哈尔滨工业大学深圳研究生院 摘要 本文介绍了一种利用加速度传感器对手持设备进行导航控制的小型系统。本系统使 用Freescale MC9S08QG单片机为核心，利用MMA7260Q加速度传感器的采样值，设计了 一种运动判定来识别一些预定义的动作，并将控制指令发送到手持设备上使其产生 相应的动作。测试表明，该控制系统的姿势识别率较高。 引言 现在消费电子设备已近普及到了每个人，从手机、MP3播放器、硬盘播放器到数码相 机、PDA，每种设备都拥有导航键对其进行控制。目前比较流行的导航键控制方式有四 维键、摇杆，这是最常见的两种导航键，此外还有一些手机上有很新颖的导航键设计比 如：LG-KG70的滚轴键、LG-KE608的转盘设计、索爱W830的触摸式、多普达D802的飞 梭滚轮等等。总之导航键的设计趋势是取代传统的四维键和摇杆，使其更新颖、时尚。 这里，我们用加速度传感器设计一种看不见的导航键来代替四维键的功能，这种方案更 能满足消费者的好奇心，满足消费者追逐时尚的需求。此外，在需要导航键控制的任何 消费电子设备上都可以使用这种看不见的导航键，其应用市场广阔，并且设备成本极低。 手势识别器的主要核心部分由加速度传感器和单片机两部分组成。其中，加速度传感 器负责加速度值的采集，单片机的主要功能包括A/D数模变换、抽样数据处理、发送控 制指令。其中抽样数据的处理是系统的关键。 一、 手势识别的控制原理 本系统利用3轴加速度的值来判定对物体运动预定义的6种姿势。首先分别对3个轴采 样，每个轴各获得50个数据，然后分别对每个轴上的数据进行处理来判定是否发生了预 订义的动作。动作定义在下面的部分说明，这里仅用Y轴来说明判定的原理。 获得Y轴上的50个数据存放到数组y_data[N]中，将这50个数求和取平均值。若 y_data[N]中数据最大值与最小值之差在一个设定的阈值之内，则认为物体在Y轴向上是 没有动作的、静止的，此时更新y_init值为y_data[N]求得的平均值；否则，y_data[N]中 数据最大值与最小值之差超出一个设定的阈值，则认为物体是运动的，y_init值不变， 仍然为上一次静止状态时的值。 下面两个图是Y轴分别向左、向右摇动时采样得到的加速度抽样值y_data[N]。图中 红线代表上一次静止时的采样值，蓝线代表运动时的采样值。图1为向左摇动时的值， 可以明显看出加速度的值较静止时有明显的变化，向着增大的方向变 图1 向左摇 图2 向右摇 从以上两个图中可以看出，两条黑线之间的数据很难断定是那个动作产生的，因为两 个动作都可能产生这样的值。所以，利用黑线之外的数据来判定是向右还是向左摇。同 时对于这两个动作，黑线之外的数据有明显的差异，数据相差很多。对于图1这些数据 大于150，图2中这些数据小于90。因此这些数据至少相差60，可以很容易的将向左、向 右的两个动作给区分开。 本系统就是根据这样的原理来实现的，首先分别设定向左、向右摇时的阈值和两个 计数器；然后，将新采样得到的50个值存放在y_data[N]中，将每个值与静止时的值y_init 比较，如果数据超出某个阈值，则在相应的计数器上累加，直到所有50个数全部比较完 毕；最后根据计数器值的大小来判定执行了某个动作。 同理，利用Z轴的采样值来判定向上、向下摇，利用X、Y两个轴来判定执行图片向 左翻转还是向右翻转，这里略去。 二、 系统描述 1. 系统组成及功能 系统由三个部分组成：CT-298单片机控制部分、 MM-2860加速度传感器部分、演 示终端。系统框图如图3所示。 CT-298单片机控制部分主要负责传感器数据的A/D变换、动作检测、与演示终端进 行数据通信。MM-2860加速度传感器部分负责加速度值的测量并将其转换为电压值。演 示终端负责处理从单片机传来的动作类型并执行相应的动作，同时向单片机返回进出二 级菜单的指令。简单来说就是CT-298采集MM-2860上传来的数据，处理后判定是哪一种 动作姿态，并将这种动作代码发送给演示终 端，演示终端根据不同的动作代码执行不同的演示动作。对于CT-298单片机系统更详细 的设计将在下面的部分介绍，这里首先介绍一下本系统设计的动作姿势及代码，以及与 演示系统交互的指令。 图3 系统框图 2. 预定义的动作 系统设计了六种动作，他们分别是左摇、右摇、下摇、上摇、图片左转、图片右转。 下面两幅图形象的说明了其中的两个动作，其它的动作与此类似。 图4 右摇 图5 图片向左翻转 系统还为每个动作定义了相应的动作代码，见表1： 表1 动作定义 动作定义 动作代码 动作宏定义 左摇 0x01 MOVE_LEFT 右摇 0x02 MOVE_RIGHT 下摇 0x04 MOVE_UP 上摇 0x08 MOVE_DOWN 图片左转 0x10 MOVE_TURN_LEFT 图片右转 0x20 MOVE_TURN_RIGHT 无动作 0x00 NO_ACTION 当单片机检测到某个动作时会将相应的值赋给变量type_action，之后通过SCI将 type_action的值发送到演示终端。如果用户执行的动作不在这6个动作之中，则将 NO_ACTION赋给type_action，表示演示终端不执行任何动作。 系统还定义了单片机与演示终端交互的指令，用于系统在主菜单和二级菜单之间的 界面切换，指令从演示系统通过SCI传给单片机，单片机接收到之后进入或则退出二级 菜单。见表2： 表2 指令定义 指令定义 指令代码 指令宏定义 进入图片二级菜单 0xF1 PICTURE_ENTER 退出图片二级菜单 0xF2 PICTURE_OUT 这里仅定义了一个二级菜单，即图片菜单，系统还可以定义更多的二级菜单，并且 还可以定义三级菜单。 此外，需要说明动作MOVE_TURN_LEFT，MOVE_TURN_RIGHT用于图片翻转， 仅在图片菜单可用，在主菜单不可用。动作下摇执行的是换下一幅图片，动作上摇执行 的是退出图片菜单。 3. 演示终端 本系统目标定位在便携式消费类电子产品上，因此在软件应用程序上必须选择具有 广泛基础的应用平台。由于近年来J2ME在便携式终端中的应用非常广泛，因此本系统 也采用了J2ME平台进行开发。通过比较，选择了J2ME的WTK开发包，它是专门针对移 动无线设备而设计的开发包，并提供了一个统一的平台。在WTK的框架下开发出来的 java程序可以被众多的移动设备所支持，所以能够有效解决兼容性的问。 在WTK下我们利用默认的一个手机样机的仿真器DefaultColorPhone进行了开发， DefaultColorPhone的样子如图6。 图6 手机界面 仿真器的外观和操作类似一部移动电话，但是并不代表某个特定的设备，而是提供 对其所支持的 API 的正确实现，每个命令按钮对应着相应的API函数。从图中可以看到 手机的导航键，我们更改了导航键的API函数，使其从鼠标单击触发的方式转化为串口 动作代码控制。首先，我们编写了J2ME的串口界接收程序，用于接收从单片机传来的 单字节的type_action值；然后将type_action以参数的形式传给API,根据不同的type_action 值手机执行不同的动作。这些动作包括菜单上下翻、进出二级子菜单、图片翻转。手机 动作与type_action的对应关系如表3： 表3 目录与动作代码的对应关系 主菜单目录 图片目录 手机动作 type_action 手机动作 type_action 上一个菜单 0x04 下一个图片 0x04 下一个菜单 0x08 退出 0x08 进入 0x02 向左翻转 0x10 退出 0x01 向右翻转 0x20 根据type_action的值，在手机界面上产生相应的动作，手机界面发送不同的变化。 演示终端的具体实现在下面的内容详细介绍。 三、 硬件描述 系统硬件分为两个部分：CT-298和MM-2860。 CT-298是安装有型号为MC9S08QG的单片机、由USB总线电源供电的小型评估板。 CT-298上安装有连个按钮开关、LED灯、蜂鸣器，作为开发的输入输出器件。同时， USB-COM转换电路采用了FTDI公司制造的FT232R，容许单片机MC9S08QG与电脑之间 通过USB接口进行串行通信。BDM用于代码的烧写及系统的调试。CT-298的结构如下 图7所示： 图7 CT-298硬件结构图 MM-2860是含有Freescale公司制造的MMA7260Q型3轴小量程加速度传感器的模块。它 可以直接安装在CT-298为其设计的插口上。MM-2860的结构图如图8所示： 图8 MM-2860硬件结构图 MM-2860的电源供应是由CT-298上的MC9S08QG8单片机的PTB5端口来控制的，当 PTB5端口为L时电源接通，此外，g-SELECT开关是选择传感器灵敏度的开关，使用时 将MM-2860插入到CT-298的接口中即可。本系统采用加速度传感器的灵敏度选择为800 mV/g。 四、 软件描述 单片机主程序的流程如图9所示： 图9 主程序流程图 系统上电之后，首先要对单片机的硬件系统进行初始化、配置寄存器，之后才可以进 行数据采集，将加速度3轴的值进行A/D变化，得到量化的值。图片菜单是二级菜单，如 果没有接到演示系统传给单片机进入二级菜单的指令，则单片机一直在主程序运行，不 断地采集A/D值、进行动作判定，并向演示系统发送type_action的指令。演示系统可根 据接收到的type_action的类型采取相应的动作。如果单片机接收到进入二级菜单的命令， 则进入图片菜单，同时也执行类似于主程序的动作判定程序，并不断更新A/D采样值， 发送type_action，直到接收到演示系统的退出二级菜单指令才退出到主程序。下面详细 介绍一下各个功能模块的具体设置。 1. 单片机硬件初始化 单片机系统主要的工作有将加速度传感器的模拟数据进行A/D变化、向演示系统发 送type_action的动作类型、接收演示系统发来的进出二级菜单的指令、设置采样值，除 此之外还需要对系统时钟、外部设备（灯，buzzer）进行配置。根据单片机的主要工作 内容选择单片机内部的功能设备包括A/D变化器、模定时器、串行通信模块（SCI）、内 部时钟源模块。下面分别介绍。 内部时钟源（Internal Clock Source） ICSC1=0x04; ICSC2=0x80; ICSTRM=0xAF; 配置内部时钟源寄存器，选用内部时钟作为时钟源，使系统时钟为2MHZ。 A/D变换器 void adc_ini(void) //ADC module initial { ADCSC1=0x5F; //interrupt enable ADCSC2=0x00; ADCCFG=0x00; APCTL1=0xC1; } 使用中断方式进行A/D转换，使能端口PTA0、PTB2、PTB3为模拟输入端口，选择 BUSCLK为A/D的转化时钟，采用8bits量化方式。中断函数ADC_ISR()负责读取量化以 后的数据值。 模定时器（MTIM） MTIMCLK_PS=7; MTIMCLK_CLKS=0; MTIMMOD=75; MTIMSC=0x20; 使用定时器用于产生延时程序delay()，时钟频率选择BUSCLK，分频系数取128分频， 模值设置为75。完成设置之后可以获得延时为5ms的delay()，这样可以获得采样率为200 的A/D值。 串行通信接口（SCI） void sci_ini(word baud_div) //SCI波特率设定 { SCIBD = baud_div; SCIC1 = 0x00; SCIC2 = 0x24; } sci_ini(2000000/16/9600); //设定波特率为9600 SCI是单片机与演示系统进行通信的接口，负责发送动作类型给显示系通、接收从显 示系统传来的指令。SCI设定数据传输的波特率为9600 baud/s，数据发送采用轮询方式， 数据接收采用中断方式，无校验位。 函数SendChar()用于单片机向演示系统传递 type_action的动作类型，中断函数 SCIR_ISR(void)用于接收显示系统传来的数据并将其赋值给command，command单片机 中定义的接收指令的变量。 2. 数据采集 系统设置的采样率为200HZ，每秒钟分别对X、Y、Z 3轴采样200个数据，因此定义 了三个大小为N的数组队数据进行缓存，他们是： char x_data[N]; char y_data[N]; char z_data[N]; 这里N取50，每0.25s存取一次，1s钟可以存取4次，保证采样率为200。函数void acce_meas(void) 负责将采样的数据分别放到这三个数组中，下面是程序的具体实现 for(j=0;j记录

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