一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统，包括有角度控制模块、体感检测模块、串口通信模块、蓝牙通信模块与逻辑控制模块，初始化各模块并进入开机自检状态；当系统自检完成后，蓝牙通信模块开始接收外界控制信息，体感控制模块开始检测人体出现与否，如果检测到人体，跟踪其姿态，并结合先验知识判定人体动作；同时，逻辑控制模块根据各模块输出结果更新系统状态控制字，使多电机阵列具有用户定义的多种功能；最后，角度控制模块通过串口通信模块，经过数据编码将角度数据传输至下位机进行控制。本发明专利技术引入模块化处理与系统状态控制字策略，实现了用户可自定义的多种模式，使多电机阵列控制与体感控制相结合。使多电机阵列控制与体感控制相结合。使多电机阵列控制与体感控制相结合。

【技术实现步骤摘要】
一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统


[0001]本专利技术属于多电机阵列控制领域，涉及一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统。

技术介绍

[0002]多电机控制技术已成为我国控制领域一个重要的发展方向。实时地，准确地，高效地控制一个多电机阵列，是高精度工业生产制造的关键，也是从互动装置艺术领域到实用工具领域概念具体落地的一项重要技术。如何实现实时性，准确性，高效性与智能性的控制，是一个较新的领域。目前我国多电机控制
仍处在发展阶段，现有技术仍有提升空间。在该领域，仍未出现一套成型的，系统的，有架构与可持续维护的系统。同时，随着人工智能技术的进步，体感检测技术也具备了融入到生产级别的多电机阵列控制系统中的条件，若能进一步融合，将革新控制系统的控制途径与方案。
[0003]基于U3D和kinect2.0北极熊互动游戏的设计与实现通过Kinect传感器获取人体姿态，并通过与Unity3D相结合开发了一款北极熊体感游戏，该技术将体感传感器与游戏相结合，但仍存在以下问题：
[0004]1.没有实时地与下位机进行通信实现通过体感对硬件的操控；
[0005]2.未能实现多种体感控制功能间的系统性的逻辑切换；
[0006]3.未能实现对整个体感控制系统的高级封装。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在通过结合体感控制，蓝牙控制与逻辑控制方法，由五大模块建立的三层电机阵列上位机控制协议，以丰富多电机阵列控制途径，提高多电机阵列上位机控制效率与实时性，故提供一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统，根据体感检测这一控制方式对多电机阵列控制系统进行改进，引入模块化处理与系统状态控制字策略，提出了一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统。本专利技术利用模块化处理与多电机角度控制集群，实现了用户可自定义的多种模式，使多电机阵列控制与体感控制相结合。
[0008]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0009]一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统，包括：三个层次形成的控制架构，分别为：用户层、中间层、机器层；所述用户层包括逻辑控制模块；中间层包括角度控制模块与体感检测模块；机器层包括串口通信模块、蓝牙通信模块与所述体感检测模块；
[0010]用户在用户层的逻辑控制模块中修改和控制系统的逻辑；
[0011]中间层用于处理角度数据与人体骨骼关节数据，将处理后数据传输至用户层供用户层进行操作，同时接收用户层指令与查询请求，将下发的数据经查询后透明传输至机器层；
[0012]机器层用于接收中间层的数据，并按照协议将接收的数据打包成帧，通过串口通信模块传输至下位机，同时，接收传感器传送的数据或摄像头画面帧，将传感器的数据解包
或将画面帧数据进行形态学处理，并传输至中间层进行解析与进一步处理。
[0013]进一步地，逻辑控制模块结合体感检测模块与蓝牙通信模块数据，更新系统状态控制字，由不同的系统状态控制字调用不同的功能实现；
[0014]逻辑控制模块为核心调度模块，以体感检测模块与蓝牙通信模块作为输入，直接控制角度控制模块；系统状态控制字为0000000000的10比特位组成，各比特位由最高位起始，含义分别为：高二位为蓝牙控制协议控制号，第三位为取消人体跟踪标志位，第四位为关机确认标志位，第五位为电机角度集合集手动选择模式标志位，第六位为电机随动跟踪人体相对位置标志位，第七位为电机随动跟踪人体手臂角度标志位，第八位为人体特定动作触发特定电机角度集合标志位，第九位为是否有人体取得控制权标志位，最末位为系统正常运行标志位。
[0015]进一步地，逻辑控制模块中设置有8种模式，其中系统状态控制字在开机自检通过后默认值为0000000001，进入下述模式前对应标志位由逻辑判断模块置1，退出模式时系统状态控制字恢复默认值：
[0016]1)电机角度集合集手动选择模式：系统状态控制字为0000100011；体感检测模块检测到用户动作为右划时，进入手动选择模式；手动选择模式下，电机角度集合取消自动切换，当用户继续被检测到动作右划时，切换至下一电机角度集合，当体感检测模块连续n秒没有检测到用户下一右划动作时，退出手动选择模式；
[0017]2)电机随动跟踪人体手臂角度模式：系统状态控制字为0000001011；体感检测模块检测到用户动作为挥手时进入人体手臂角度模式，人体手臂角度模式从体感检测模块读取人体关节数据，以人面向向前为Y轴，竖直向上为Z轴，使用右手坐标系建系，将人体左右手掌、手肘关节、肩关节三点空间坐标分别构造两个空间向量，分别计算与Z轴负方向单位向量夹角，取其大者为此时手臂与垂直面夹角，称为手臂角度，手臂角度经运算作为电机随动跟踪人体手臂角度的电机输入量，运算为：设有N列电机，对于左N/2列电机：电机角度为：180+手臂角度；对于右N/2列电机：电机角度为180
‑
手臂角度，如果手臂角度变化量在10度以内计数超2000次或体感检测系统检测到用户动作为停止时，则退出该模式；
[0018]3)电机随动跟踪人体相对位置模式：系统状态控制字为0000010011；体感检测模块检测到用户在退出电机随动跟踪人体手臂角度模式后，自动进入人体相对位置模式，以体感传感器深度方向为Z轴，垂直传感器向上为Y轴，使用右手坐标系建系，人体相对位置模式从体感检测模块读取人体中心三维坐标，并取坐标x分量作为偏移方向，当前一帧x分量与后一帧x分量相差绝对值小于0.2时，认为人体没有发生明显的走动，电机不作相应；当相差绝对值大于0.2时，认为人体正在走动，此时偏移数据经过运算作为电机随动跟踪人体相对位置电机输入，运算为：计最近一次没有显著发生移动的帧的x分量为prevMag,当前帧x分量为nowMag，则人体移动相对位置为Mag＝abs(nowMag
‑
prevMag)，则电机角度统一输入为180+Mag*100；当当前获得控制权的用户走出控制范围时，自动退出此模式，系统状态控制字自动恢复默认值；
[0019]4)人体特定动作触发特定电机角度集合模式：系统状态控制字为00000001X1；体感检测模块检测到用户动作时进入该模式，进入该模式后，系统自动切换至相应的电机角度集合，执行完毕后自动退出；
[0020]5)单电机角度校正模式：系统状态控制字为1100000000；当蓝牙接收模块接收到
客户端发送的消息帧带有单电机角度校正指令时进入，进入该模式后，电机回到其码盘相对原点；蓝牙接收模块将包括行号、列号、校正相对值的指令返回给逻辑指令模块，逻辑指令模块将校正数据发送至下位机进行单电机角度微调校正；
[0021]6)取消控制模式：体感检测模块检测到用户做出左划时触发取消控制模式；该取消控制模式无条件置系统状态控制字为默认值，人体将失去体感控制权；
[0022]7)自动角度集合轮换模式：自动角度集合轮换模式为系统默认模式，系统状态字为上述系统状态字的交集的反集，在自动角度集合轮换模式下逻辑控制模块按角度控制模块加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统，其特征在于，包括：三个层次形成的控制架构，分别为：用户层、中间层、机器层；所述用户层包括逻辑控制模块；中间层包括角度控制模块与体感检测模块；机器层包括串口通信模块、蓝牙通信模块与所述体感检测模块；用户在用户层的逻辑控制模块中修改和控制系统的逻辑；中间层用于处理角度数据与人体骨骼关节数据，将处理后数据传输至用户层供用户层进行操作，同时接收用户层指令与查询请求，将下发的数据经查询后透明传输至机器层；机器层用于接收中间层的数据，并按照协议将接收的数据打包成帧，通过串口通信模块传输至下位机，同时，接收传感器传送的数据或摄像头画面帧，将传感器的数据解包或将画面帧数据进行形态学处理，并传输至中间层进行解析与进一步处理。2.根据权利要求1所述的一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统中的，其特征在于，逻辑控制模块结合体感检测模块与蓝牙通信模块数据，更新系统状态控制字，由不同的系统状态控制字调用不同的功能实现；逻辑控制模块为核心调度模块，以体感检测模块与蓝牙通信模块作为输入，直接控制角度控制模块；系统状态控制字为0000000000的10比特位组成，各比特位由最高位起始，含义分别为：高二位为蓝牙控制协议控制号，第三位为取消人体跟踪标志位，第四位为关机确认标志位，第五位为电机角度集合集手动选择模式标志位，第六位为电机随动跟踪人体相对位置标志位，第七位为电机随动跟踪人体手臂角度标志位，第八位为人体特定动作触发特定电机角度集合标志位，第九位为是否有人体取得控制权标志位，最末位为系统正常运行标志位。3.根据权利要求2所述的一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统中的逻辑控制模块，其特征在于，逻辑控制模块中设置有8种模式，其中系统状态控制字在开机自检通过后默认值为0000000001，进入下述模式前对应标志位由逻辑判断模块置1，退出模式时系统状态控制字恢复默认值：1)电机角度集合集手动选择模式：系统状态控制字为0000100011；体感检测模块检测到用户动作为右划时，进入手动选择模式；手动选择模式下，电机角度集合取消自动切换，当用户继续被检测到动作右划时，切换至下一电机角度集合，当体感检测模块连续n秒没有检测到用户下一右划动作时，退出手动选择模式；2)电机随动跟踪人体手臂角度模式：系统状态控制字为0000001011；体感检测模块检测到用户动作为挥手时进入人体手臂角度模式，人体手臂角度模式从体感检测模块读取人体关节数据，以人面向向前为Y轴，竖直向上为Z轴，使用右手坐标系建系，将人体左右手掌、手肘关节、肩关节三点空间坐标分别构造两个空间向量，分别计算与Z轴负方向单位向量夹角，取其大者为此时手臂与垂直面夹角，称为手臂角度，手臂角度经运算作为电机随动跟踪人体手臂角度的电机输入量，运算为：设有N列电机，对于左N/2列电机：电机角度为：180+手臂角度；对于右N/2列电机：电机角度为180
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手臂角度，如果手臂角度变化量在10度以内计数超2000次或体感检测系统检测到用户动作为停止时，则退出该模式；3)电机随动跟踪人体相对位置模式：系统状态控制字为0000010011；体感检测模块检测到用户在退出电机随动跟踪人体手臂角度模式后，自动进入人体相对位置模式，以体感传感器深度方向为Z轴，垂直传感器向上为Y轴，使用右手坐标系建系，人体相对位置模式从体感检测模块读取人体中心三维坐标，并取坐标x分量作为偏移方向，当前一帧x分量与后
一帧x分量相差绝对值小于0.2时，认为人体没有发生明显的走动，电机不作相应；当相差绝对值大于0.2时，认为人体正在走动，此时偏移数据经过运算作为电机随动跟踪人体相对位置电机输入，运算为：计最近一次没有显著发生移动的帧的x分量为prevMag，当前帧x分量为nowMag，则人体移动相对位置为Mag＝abs(nowMag
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prevMag)，则电机角度统一输入为180+Mag*100；当当前获得控制权的用户走出控制范围时，自动退出此模式，系统状态控制字自动恢复默认值；4)人体特定动作触发特定电机角度集合模式：系统状态控制字为00000001X1；体感检测模块检测到用户动作时进入该模式，进入该模式后，系统自动切换至相应的电机角度集合，执行完毕后自动退出；5)单电机角度校正模式：系统状态控制字为1100000000；当蓝牙接收模块接收到客户端发送的消息帧带有单电机角度校正指令时进入，进入该模式后，电机回到其码盘相对原点；蓝牙接收模块将包括行号、列号、校正相对值的指令返回给逻辑指令模块，逻辑指令模块将校正数据发送至下位机进行单电机角度微调校正；6)取消控制模式：体感检测模块检测到用户做出左划时触发取消控制模式；该取消控制模式无条件置系统状态控制字为默认值，人体将失去体感控制权；7)自动角度集合轮换模式：自动角度集合轮换模式为系统默认模式，系统状态字为上述系统状态字的交集的反集，在自动角度集合轮换模式下逻辑控制模块按角度控制模块加载的电机阵列角度集顺序自动轮换角度集合。4.根据权利要求1所述的一种基于体感的多电机阵列上位机控制系统，其特征在于，角度控制模块负责加载、存储与查...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵可昕，秦奕，陈泽明，梁华岳，范千鹤，董博雅，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：