手势控制系统应用于探地雷达的方法研究.pdf

刘凯等:手势控制系统应用于探地雷达的方法研究第2 4卷 第3期手势控制系统应用于探地雷达的方法研究刘凯1,2,张家声3,4(1.西安石油大学地球科学与工程学院,西安 7 1 0 0 6 5;2.陕西省油气成藏地质学重点实验室,西安 7 1 0 0 6 5;3.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊 0 6 5 0 0 0;4.河北省地震灾害仪器与监测技术重点实验室,河北廊坊 0 6 5 0 0 0)摘 要:探地雷达作为一种快速、有效和高分辨率的地球物理方法,已被广泛用于近地表异常检测与成像。但由于作业地势的多样性,在复杂地区作业会导致人员与设备之间的交互不便。为此提出一种基于S TM 3 2单片机的手势控制设备系统,应用于探地雷达的开关设备。实验结果表明,手势控制系统运行时会根据不同的手势指令,达到相应的预期效果。关键词:手势识别;探地雷达;传感器;S TM 3 2中图分类号:P 6 3 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9 2 8 2 X(2 0 2 3)0 3 0 0 1 2 0 4R e s e a r c h o n t h e A p p l i c a t i o n o f G e s t u r e C o n t r o l S y s t e m i n G r o u n d P e n e t r a t i n g R a d a rL I U K a i1 2 Z HA N G J i a s h e n g3 41 S c h o o l o f E a r t h S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 5 C h i n a2 K e y L a b o r a t o r y o f H y d r o c a r b o n A c c u m u l a t i o n o f S h a n n x i P r o v i n c e X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 5 C h i n a3 I n s t i t u t e o f G e o p h y s i c a l a n d G e o c h e m i c a l E x p l o r a t i o n C h i n e s e A c a d e m y o f G e o l o g i c a l S c i e n c e s L a n g f a n g H e b e i 0 6 5 0 0 0 C h i n a4 H e b e i K e y L a b o r a t o r y o f S e i s m i c D i s a s t e r I n s t r u m e n t a n d M o n i t o r i n g T e c h n o l o g y L a n g f a n g H e b e i 0 6 5 0 0 0 C h i n aA b s t r a c t A s a f a s t e f f e c t i v e a n d h i g h-r e s o l u t i o n g e o p h y s i c a l m e t h o d g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r h a s b e e n w i d e l y u s e d t o d e t e c t a n d i m a g e n e a r-s u r f a c e o b j e c t s H o w e v e r d u e t o t h e d i v e r s i t y o f t e r r a i n w o r k i n g i n c o m p l e x a r e a s w i l l l e a d t o i n c o n v e n i e n c e i n t e r a c t i o n b e t w e e n p e r s o n n e l a n d e q u i p m e n t T h i s p a p e r p r e s e n t s a g e s t u r e c o n t r o l e q u i p m e n t s y s t e m b a s e d o n S T M 3 2 M C U w h i c h i s a p p l i e d t o g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r s w i t c h i n g e q u i p m e n t T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e g e s t u r e c o n t r o l s y s t e m w i l l a c h i e v e t h e c o r r e s p o n d i n g e x p e c t e d e f f e c t a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t g e s t u r e i n s t r u c t i o n s d u r i n g o p e r a t i o n K e y w o r d s g e s t u r e r e c o g n i t i o n g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r s e n s o r S TM 3 2 收稿日期:2 0 2 2 0 8 0 5 基金项目:河北省地震灾害仪器与监测技术重点实验室开放基金项目(项目编号:F Z 2 2 4 1 0 7);中国地质调查局项目(项目编号:D D 2 0 2 2 1 6 3 9)作者简介:刘凯(1 9 9 7),男,西安石油大学地球科学与工程学院硕士研究生,主要从事地震波传播理论和地震数据采集与处理研究工作,E-m a i l:k g l k 1 1 2 8 1 6 3.c o m。0 引言现代城市建设道路下的浅地下空洞,由于地铁施工、大雨、水管漏水、溶洞塌陷等原因,可能导致地面沉降或塌陷1-2,尤其在隧道工程中,随着隧道长度和深度的增加,在疏松地质条件发生的几率增大。在能见度逐渐降低的情况下,探地雷达的人机交互方面操作变得十分困难。通过增加人机交互时的便捷性及高效性,可以提高硬件设备的工作效率3-4。人机交互的方式有多种,包括接触式交互、语音识别、体感技术、无声识别技术等,其中体感技术的手势识别具有便捷、简单等优势5。本文提出一种基于S TM 3 2单片机的手势控制设备系统,应用于探地雷达的开关设备6。1 关键技术1.1 手势识别技术手势识别技术作为通过扫描就会获得二维彩色晶体图像的识别技术,容易获得计算机快速识别。212 0 2 3年6月地质装备相比较二维手势,近些年的三维手势识别增加了一个z轴信息,它可以识别各种手势动作,这也是当前体感识别技术主要的发展方向。不过这种深度信息的手势识别,需要特别的硬件来完成。手势识别控制主要是通过人体发出的各种手势指示向外界传输自己实际需要执行命令的过程。本文通过研究手势动作作为对智能控制系统的输入信号,完成对整个智能化系统的有机联动控制。一般而言,设备是通过遥控或者开关控制,但在多数应用场景中,使用人机交互技术可更方便地控制设备7。1.2 S TM 3 2单片机简介目前市场控制芯片的类型众多,本文选择S T M 3 2作为控制芯片。主要是由于S T M 3 2具有以下优势:S T M 3 2的相关器件型号封装产品的种类极多,实时工作运行的性能良好;外部的功耗时钟控制优秀,程序模块化,接口相对简单,自带多种功能,且工作效率高;S T M 3 2是基于A R M C O R T E X微处理器开发内核的3 2位数字闪存驱动微控制器,为开发用户提供了各种简易的操作和软、硬件开发辅助工具,S TM 3 2 MC U融合了高性能、实时性、动态化、数字信号图像处理、低闪存的性能特点;组成系统是可以同时运行的,基于各组成之间的I/O调试并联属性,系统的灵活性及可扩展性等都很好。2 硬件电路设计2.1 控制系统硬件设计通过手势输入控制指令时,S TM 3 2单片机把P A J 7 6 2 0手势传感器处理和识别的信号进行转换。单片机根据识别结果给系统产生不同占空比的脉冲序列,改变电机的输入电压,从而完成对电机工作状态的控制,使得探地雷达正常工作8-9。控制系统总体框图如图1所示,硬件框图如图2所示。图1 手势控制系统总体框图F i g.1 G e n e r a l b l o c k d i a g r a m o f g e s t u r e c o n t r o l s y s t e m图2 手势控制系统硬件设计框图 F i g.2 H a r d w a r e d e s i g n b l o c k d i a g r a m o f g e s t u r e c o n t r o l s y s t e m2.2 手势传感器P A J 7 6 2 0传感器是一个具有高性能、智能化的自动手势识别图像传感器集成模块。该新型传感器是在其内部分别集成了多种类型光感应式和数字模组式的手势传感器,以便于将复杂类型手势和各种光标识别模式信息进行实时输出。P A J 7 6 2 0传感器具有以下特点:内置高达9种手势类型(下、上、右、左、顺、逆、前、后、挥动),且支持中断输出;待机功耗电流为1 5 A,兼容3.3 V/5 V系统;I I C接口,支持高达3 8 0 k H z的通信速率;本身体积较小,灵敏度高且支持物体接近检测功能,可检测大小和光亮;工作环境稳定,抗光干扰,使用方便。其原理图如图3所示。图3 P A J 7 6 2 0原理图F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f P A J 7 6 2 02.3 外接电路设计通过P A J 7 6 2 0手势模块输入手势信号,S TM 3 2芯片对该信号进行转换并产生脉宽调制信号,再由S TM 3 2芯片将脉宽调制信号通过传输电路反馈给31刘凯等:手势控制系统应用于探地雷达的方法研究第2 4卷 第3期驱动电路,从而实现手势对电机启停、正反转的控制。电路中继电器起保护作用,交流电机启动方向接S TM 3 2的P A 2口,电机旋转方向接S TM 3 2的P A 3口,P 2、P 3口接地。通过给P A J 7 6 2 0手势识别模块输入不同的方向手势,使得电机启动停止、正反转。P A J 7 6 2 0上的接口2、3引脚与S TM 3 2芯片上的P B 1 0、P B 1 1相接;指示灯的R 2右端与S TM 3 2芯片的P B 1 2相接仿真图如图4所示。图4 电机驱动仿真图F i g.4 M o t o r d r i v e s i m u l a t i o n d i a g r a m3 软件程序设计3.1 K e i l u V i s i o n 5编程软件概述目前在企业单片机与芯片联动控制系统中常见的软件编程应用语言主要有K e i l汇编语言和C+语言。由于使用C编程语言的应用软件系统具有流程化的结构性、持续性、可读性和应用软件的可维护性,支持K e i l u V i s i o n 5用C语言进行编程的软件编译器。K e i l软件模拟器是一系列分布式集成开发软件和模拟器,K e i l u V i s i o n 5引入了一个灵活的窗口运行监视器移动管理软件操作系统,使得软件开发人员和移动用户之间能够同时手动使用多个窗口移动监视器,并且为移动用户人员提供一个完全独立可视的移动用户界面,可以完全地运行控制窗口的任何一个特定位置。采用K e i l仿真软件对该系统进行动态模拟,需注意以下几点:(1)在采用模拟器系统对仿真软件进行模拟实际效果时,该模拟器系统虽然自配晶体振荡器可以协助该软件直接进行仿真模拟,也可以通过接口直接与其他模拟软件进行动态仿真模拟;(2)在仿真软件应用系统平台上配置复位电路模块直接实现对仿真系统执行功能;(3)由于每个芯片的3 1引脚,需要在外部进行模拟,所以从每个芯片的底层到外部连接是完全可能的。因此,可以设置多个数据串口插头扩展一下R OM引脚的外部数据传输功能。3.2 手势识别程序及手势规定首先,接通电源确保整个系统处于通电状态,且各硬件模块均稳定;再对整个系统进行唤醒,检测模块初始化,接着用P A J 7 6 2 0手势识别模块对手势进行采集,将采集到的信号进行识别。从远靠近,则唤醒系统,且使得电机转动;短暂延迟之后,再次给予传感器手势信号;从右至左,则使得电机左转;从左至右,则使得电机右转;二次从远端靠近,则是的电机停止,关闭系统。在系统停止运转时将电源切断,确保不必要的意外发生。手势控制电机系统设计流程图如图5所示。图5 程序设计流程图F i g.5 P r o g r a m d e s i g n f l o w c h a r t412 0 2 3年6月地质装备4 结语通过S TM 3 2单片机和手机控制传感器,能够实现复杂地区的探地雷达开关应用便捷化。手势控制设计组合方式灵活,方便现场操作,且能够配合上位机自主完成手势识别功能,可同时分辨上、下、顺时针旋转、逆时针旋转、挥动等多种手势1 0。经实验证明该设计能够保证硬件设备的使用高效性,即使在隧道,地下等复杂环境下依然能够保障设备的运行效率1 1。手势控制人机交互在仪器中的可靠应用已得到实验验证,可广泛应用于勘探装备领域1 2。参考文献(R e f e r e n c e s):1 王宏伟,李彬宝,吴靓,等.基于C A N通讯的井下仪器设计J.地质装备,2 0 2 1,2 2(5):2 7 2 9.WA N G H o n g w e i,L I B i n b a o,WU L i a n g,e t a l.D e s i g n o f l o g g i n g i n s t r u m e n t b a s e d o n C A N c o mm u n i c a t i o n J.E q u i p m e n t f o r G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,2 0 2 1,2 2(5):2 7 2 9.2 赵锴,赵建刚,韩天夫,等.基于L a b V I EW的超高温高压流变仪温控测试软件J.地质装备,2 0 1 8,1 9(5):2 7 3 1.Z H A O K a i,Z H A O J i a n g a n g,H A N T i a n f u,e t a l.T e m p e r a t u r e c o n t r o l t e s t s o f t w a r e o f u l t r a-h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e r h e o m e t e r b a s e d o n L a b V I E WJ.E q u i p m e n t f o r G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,2 0 1 8,1 9(5):2 7 3 1.3 闫照涛,田进珍,安百州,等.三维探地雷达在银川市道路塌陷隐患探测中的应用J.世界地质,2 0 2 2,4 1(4):8 8 2 8 9 1.Y A N Z h a o t a o,T I A N J i n z h e n,A N B a i z h o u,e t a l.A p p l i c a t i o n o f t h r e e d i m e n s i o n a l g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r i n d e t e c t i n g h i d d e n d a n g e r o f r o a d c o l l a p s e i n Y i n c h u a n C i t y J.G l o b a l G e o l o g y,2 0 2 2,4 1(4):8 8 2 8 9 1.4 谷松.探地雷达技术在隧道施工超前地质预报的应用J.地质装备,2 0 2 2,2 3(5):3 6 3 9.G U S o n g.A p p l i c a t i o n o f G P R i n a d v a n c e d g e o l o g i c a l f o r e c a s t f o r t u n n e l l i n g J.E q u i p m e n t f o r G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,2 0 2 2,2 3(5):3 6 3 9.5 郑新旺,黄坤盛.基于S TM 3 2的手势控制小车的研究设计J.玉溪师范学院学报,2 0 1 7,3 3(8):5 7 6 1.Z H E N G X i n w a n g,HU A N G K u n s h e n g.D e s i g n o f g e s t u r e c o n t r o l c a r b a s e d o n S TM 3 2 J.J o u r n a l o f Y u x i N o r m a l U n i v e r s i t y,2 0 1 7,3 3(8):5 7 6 1.6 徐宁,索朝举,沈沛雨,等.基于手势控制无线小车运动系统的设计J.现代信息科技,2 0 1 9,3(2):1 9 2 2.X U N i n g,S U O C h a o j u,S H E N P e i y u,e t a l.D e s i g n o f w i r e l e s s c a r m o t i o n s y s t e m b a s e d o n g e s t u r e c o n t r o l J.M o d e r n I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y,2 0 1 9,3(2):1 9 2 2.7 王柏衡,赵潇洋.深度学习技术在E M G机械手臂的手势控制系统设计中的应用J.工业设计,2 0 2 0(8):2 8 2 9.WA N G B a i h e n g,Z HA O X i a o y a n g.A p p l i c a t i o n o f d e e p l e a r n i n g t e c h n o l o g y i n t h e d e s i g n o f g e s t u r e c o n t r o l s y s t e m o f E MG r o b o t a r m J.I n d u s t r i a l D e s i g n,2 0 2 0(8):2 8 2 9.8 郭勇,宁兴园,刘吉雷.基于探地雷达对化工厂道路路基病害隐患探测建模分析J.粘接,2 0 2 2,4 9(9):1 5 31 5 7,1 7 2.G U O Y o n g,N I N G X i n g y u a n,L I U J i l e i.D e s i g n o f a m o d e l f o r d e t e c t i n g h i d d e n d a n g e r s o f u r b a n r o a d c o l l a p s e b a s e d o n g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r J.B o n d i n g,2 0 2 2,4 9(9):1 5 3 1 5 7,1 7 2.9 张家声,聂明涛,周刚,等.S m a r t S o l o节点式地震仪质控方法研究J.地质装备,2 0 2 2,2 3(5):3 1 3 5.Z HA N G J i a s h e n g,N I E M i n g t a o,Z HO U G a n g,e t a l.R e s e a r c h o n q u a l i t y c o n t r o l m e t h o d o f S m a r t S o l o n o d e s e i s m o g r a p h J.E q u i p m e n t f o r G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,2 0 2 2,2 3(5):3 1 3 5.1 0崔凡,王然,陈存强,等.滇东复杂地质条件探地雷达与井下地震综合超前预测小构造J/O L.煤炭科学技术:1 1 0.C U I F a n,WA N G R a n,C H E N C u n q i a n g,e t a l.I n t e g r a t e d a d v a n c e d p r e d i c t i o n o f s m a l l s t r u c t u r e s b y g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r a n d d o w n h o l e s e i s m i c w i t h c o m p l e x g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i n E a s t Y u n n a n.J/O L.C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y:1 1 0.1 1韩海航,莫佳笛,周春鹏,王洋洋,于智,顾静军.基于注意力融合的三维探地雷达道路病害检测J.计算机工程与设计,2 0 2 2,4 3(9):2 6 6 9 2 6 7 7.HA N H a i h a n g,MO J i a d i,Z HO U C h u n p e n g,e t a l.R o a d d i s e a s e d e t e c t i o n f o r 3 D-G P R m a p s b a s e d o n a t t e n t i o n f u s i o n J.C o m p u t e r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g n,2 0 2 2,4 3(9):2 6 6 9 2 6 7 7.1 2张家声,王广科,高一峰,等.基于L a b V I EW的三分量地震数据采集系统设计J.物探装备,2 0 2 0,3 0(4):2 2 3 2 2 6.Z HA N G J i a s h e n g,WA N G G u a n g k e,G A O Y i f e n g,e t a l.D e s i g n o f t h r e e-c o m p o n e n t s e i s m i c d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m b a s e d o n L a b V I EWJ.E q u i p m e n t f o r G e o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g,2 0 2 0,3 0(4):2 2 3 2 2 6.51