Steuerung des Computers durch Handgesten mit Arduino

Autoren: Lihui Liu, Junjie Lyu
Betreuer: Marc Ebmeyer

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Einleitung

Bei dem vorliegenden Artikel handelt es sich um ein Projekt aus dem Praktikum angewandte Elektrotechnik des Studiengangs Business and Systems Engineering (BSE). Ziel des Projektes ist es, die bestimmten Funktionen auf dem Computer durch Handgesten zu realisieren. Hierfür werden die Ultraschallsensoren (US) eingesetzt, um die Entfernung zwischen Monitor und Hande zu erfassen. Die Messdaten werden über die serielle Schnittstelle (USB) an den Computer gesendet, die von Python eingelesen werden. Während des Laufs der Pythonprogrammierung auf dem Computer werden die bestimmten Aktionen ausgeführt. Die Umsetzung des Projektes erfolgt nach dem V-Modell.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das System
ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Der Laptop muss das Video abspielen/angehalten, Wenn ein Hande vom mittleren Sensor in einer Entfernung zwischen 40-50cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
2	Der Laptop muss das Video rückspulen, Wenn ein Hand vom linken Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
3	Der Laptop muss das Video vorspulen, Wenn ein Hand vom linken Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
4	Der Laptop muss die Lautstärke vom Video abnehmen, Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
5	Der Laptop muss die Lautstärke vom Video zunehmen, Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
6	Der Laptop muss in das letzte Video springen, Wenn ein Hand vom mitten Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
7	Der Laptop muss in das nächste Video springen, Wenn ein Hand vom mitten Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
8	Der Laptop muss in den Anfang des Videos springen, Wenn ein Hand vom linken Sensor in einer Entfernung zwischen 40-50cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
9	Der Laptop muss das Videos Stumm/Widerrufung einstellen, Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 40-50cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
10	Der Laptop muss das Videos Vollbildschirm/Widerrufung einstellen, Wenn die zwei Hände vom linken und rechten Sensoren in den Entfernungen zwischen 30-50cm erfasst wird.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Die Abb. 2 und 3 stellen einen funktionalen Systementwurf dar, mit dem die Zuschauer beim Video durch Handgesten die Lautstärke ändern oder vor-/rückwärtsspulen können. Auf dem Monitor werden drei Ultraschallsensoren angelegt, mit denen die Entfernung zwischen Monitor und Hand erfasst wird. Die Messsdaten werden über die serielle Schnittstelle (USB) an den Computer gesendet und mittels der Python Module pyautogui und pyserial mit dem Video player verknüpft.

Abbildung 2: Systementwurf - Projektskizze
Abbildung 3: Systementwurf - Signalfluss

Komponentenspezifikation

Tabelle 2: Komponentenspezifikation
ID	Komponente	Eingänge	Ausgänge	Aufgabe	Art der Komponente
01	Mikroprozessor	Signale des Sensors	Durchführung der entsprechenden Aktionen	Steuerung der Komponenten und Signale	Hardware
02	Ultraschall Sensor	Spannungsversorgung	Distanz von Händen	Messen der Distanz von den Händen	Hardware

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Alle verwendeten Hardwarekomponenten können in der Stückliste in Tabelle 3 eingesehen werden.

Stückliste

Tabelle 3: Stückliste
ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Abbildung
1	3x	3,20 €	9,60 €	Ultraschallsensoren	HY-SRF04 ^[1]	Ultraschallsensor HC-SR04
2	1x	37,39€	37,39€	Mikrocontroller	Arduino UNO R3 ^[2]	Arduino Uno Board
3	1x	0,00€	0,00€	Breadboard, Jumperkabel	Breadboard ^[3], Jumperkabel	Breadboard

Verdrahtungsplan

Programmierung

Programmablaufpläne

Die nachfolgenden Programmablaufpläne veranschaulichen die Struktur des Programmcodes. Auf der linken Seite stellt Programmablauf im Arduino und rechte Seite im dar.

Arduino PAP	Python PAP
Abbildung 5: Arduino PAP	Abbildung 6:Python PAP.png

Programmcode

Der Code dient zur Realisierung der Steuerung des Computers durch Handgesten mit Arduino Uno

/**************************************************************\
*
* Modul : Arduino_SteuerungdesComputerdurchHandgesten.ino
*
* Datum : 28. November 2022
*
* Beschreibung : zur Realisierung der Steuerung des Computers
*                durch Handgesten mit Arduino Uno
*
* Implementierung : Arduino1.8.17
*
* Autor : Lihui,Liu; Junjie,Lyu
*
* Bemerkung : Bereit zur Durchführung
*
* Letzte Änderung : 08. Januar 2023
*
\************************************************************/


/**Variablen definieren**/
const int trigger1 = 2; //Trigger pin von 1. Sesnor (links)

const int echo1 = 3; //Echo pin von 1. Sesnor (links)

const int trigger2 = 4; //Trigger pin von 2. Sesnor (mitten)

const int echo2 = 5;//Echo pin von 2. Sesnor (mitten)

const int trigger3 = 6; //Trigger pin von 2. Sesnor (rechts)

const int echo3 = 7;//Echo pin von 2. Sesnor (rechts)

long Zeit;

int dist,distL,distM,distR;


/**Pin-Zustand Definieren**/
void setup() {

Serial.begin(9600); 

pinMode(trigger1, OUTPUT); 

pinMode(echo1, INPUT); 

pinMode(trigger2, OUTPUT); 

pinMode(echo2, INPUT); 

pinMode(trigger3, OUTPUT); 

pinMode(echo3, INPUT);
}


/***********************************************************\
*
* Funktion : Berechnung_Distanz(int trigger, int echo)
*
* Beschreibung der Funktion : 
* Basierend auf das Funktionsprinzip des Ultraschallsensors
* 
* Eingangsparameter :
* int trigger,int echo
* 
* Übergebeparameter :
* long Zeit
*
* Rückgabeparameter :
* int dist
\***********************************************************/

void Berechnung_Distanz(int trigger, int echo)

{

digitalWrite(trigger, LOW);

delayMicroseconds(2);

digitalWrite(trigger, HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(trigger, LOW);

Zeit = pulseIn(echo, HIGH);

dist= Zeit*0.034/2;

if (dist>50)

dist = 50;

}


void loop() { 

// Distanz Messung
Berechnung_Distanz(trigger1,echo1);

distL =dist; //Distanz zwischen Hand und links Sensor

Berechnung_Distanz(trigger2,echo2);

distM =dist; //Distanz zwischen Hand und mitten Sensor

Berechnung_Distanz(trigger3,echo3);

distR =dist; //Distanz zwischen Hand und rechts Sensor


//Funktion 1: Pause/laufen

if ((distM >40 && distM<50)) // mitten Sensor (40 50) 

{Serial.println("Pause/laufen"); delay (500);}

//Funktion 8: Rücksprung am t = 0s

if ((distL>40&& distL<50)) // links Sensor (40 50) 

{Serial.println("Suche");delay(500);}

//Funktion 9: Stumm/Widerrufung

if ((distR >40 && distR<50)) // rechts Sensor (40 50) 

{Serial.println("Stumm/Widerrufung"); delay(500);}



//Funktion 10:Vollbildschirm/Widerrufung

if ((distL >30 && distL<50)&&(distR >30 && distR<50))

{Serial.println("Vollbildschirm/Widerrufung"); delay(500);}



// Distanz Messung
Berechnung_Distanz(trigger1,echo1);

distL =dist; //Distanz zwischen Hand und links Sensor

Berechnung_Distanz(trigger2,echo2);

distM =dist; //Distanz zwischen Hand und mitten Sensor

Berechnung_Distanz(trigger3,echo3);

distR =dist; //Distanz zwischen Hand und rechts Sensor


//Funtion 2 und 3: Rückspulen und Vorspulen

if (distL>=15 && distL<=25)

{

  delay(100); //Hand halten zeit

  Berechnung_Distanz(trigger1,echo1);

  distL =dist;

  if (distL>=15 && distL<=25)

  {

    Serial.println("links Locked");

    while(distL<=40)

    {

      Berechnung_Distanz(trigger1,echo1);

      distL =dist;

      if (distL<15) //Hand vorne schieben

      {Serial.println ("Rückspulen"); delay (300);}

      if (distL>25) //Hand hinter schieben

      {Serial.println ("Vorspulen"); delay (300);}

    }

  }

}


//Funktion 4 und 5: leiser und lauter

if (distR>=15 && distR<=25)

{

  delay(100); //Hand halten Zeit

  Berechnung_Distanz(trigger3,echo3);

  distR =dist;

  if (distR>=15 && distR<=25)

  {

    Serial.println("rechts Locked");

    while(distR<=40)

    {

      Berechnung_Distanz(trigger3,echo3);

      distR =dist;

      if (distR<15) //rechts Hand nach vorne schieben

      {Serial.println ("leiser"); delay (300);}

      if (distR>25) //rehcts Hand nach hinter schieben

      {Serial.println ("lauter"); delay (300);}

  }

}

}


//Funktion 6 und 7: L. Video und N. Video

if (distM>=15 && distM<=25)

{

  delay(100); 

  Berechnung_Distanz(trigger2,echo2);

  distM =dist;

  if (distM>=15 && distM<=25)

  {

    Serial.println("Mitten Locked");

    while(distM<=40)

    {

      Berechnung_Distanz(trigger2,echo2);

      distM =dist;

      if (distM<15) //Right hand pushed in

      {Serial.println ("L. Video"); delay (300);}

      if (distM>25) //Right hand pulled out

      {Serial.println ("N. Video"); delay (300);}

  }

}

}



delay(200);

}

Der Code dient zur Realisierung der Steuerung des Computers durch Handgesten mit Python

##############################################################
#
# Modul : Python_SteuerungdesComputerdurchHandgesten.py
#
# Datum : 03. Dezember 2022
#
# Beschreibung : zur Verknüpfung zwischen Arduino und
#                Video-Spieler-Software
#
# Implementierung : Pycharm 02.2022
#
# Autor : Lihui,Liu; Junjie,Lyu
#
# Bemerkung : bereit zur Durchführung
#
# Letzte Änderung : 08. Januar 2023
#
##############################################################

import serial  # Seriell importiert für serielle Kommunikation

import time  # Erforderlich für die Verwendung von Verzögerungsfunktionen

import pyautogui

Arduino_Serial = serial.Serial('com4', 9600)
time.sleep(2)  # wait for 2 seconds for the communication to get established



while 1 :

    incoming_data = str(Arduino_Serial.readline())  # liest die seriellen Daten und druckt sie als Zeile

    print(incoming_data)



    if 'Pause/laufen' in incoming_data:

        pyautogui.typewrite(['space'], 0.2)



    if 'Rückspulen' in incoming_data:

        pyautogui.hotkey('left')



    if 'Vorspulen' in incoming_data:

        pyautogui.hotkey('right')



    if 'leiser' in incoming_data:

        pyautogui.hotkey('down')




    if 'lauter' in incoming_data:

        pyautogui.hotkey('up')


    if 'L. Video' in incoming_data:

        pyautogui.hotkey('shift','p')


    if 'N. Video' in incoming_data:

        pyautogui.hotkey('shift','n')


    if 'Suche' in incoming_data:

         pyautogui.hotkey('/')


    if 'Stumm/Widerrufung' in incoming_data:

        pyautogui.hotkey('m')


    if 'Vollbildschirm/Widerrufung' in incoming_data:

        pyautogui.hotkey('f')

    incoming = "";

Aufbau

Die folgenden Abbildungen zeigt die Stirn- und Rückseite des Aufbaus. Auf der Rückseite sind 3 Ultraschallsensor auf dem oberen Seite des Laptops zu sehen. Während die Stirnseite sind mit Arduino und Breadboard zu verbinden.

Sensorik

Die Sensorik erfasst die Messwerte und bildet somit die Berechnungsgrundlage der Ausgangsvariablen des Mikrocontrollers. Der Ultraschallsensor strahlt zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus. Dieser pflanzt sich mit Schallgeschwindigkeit in der Luft fort. Wenn der Ultraschall Sensor auf das Hand trifft, wird er dort reflektiert und gelangt als Echo zurück. Die verwendete 3 Sensoren sind Ultraschall Sensor HC SR04. Sie dienen zur Ermittlung der Abstandswerte zwischen der Hände. Arduino liest diese Werte ab und basierend auf diesem Abstandswerte werden die bestimmte Aktionen ausgeführt.

Komponententest

Nr.	Komponente	Erwartete Funktion	Ergebnis
1	Arduino Uno	LED on Board leuchtet	LED on Board leuchtet
2	Sensor (links)	Objekt von Distanz zwischen 3-60 erkennen	Objekt von Distanz zwischen 3-60 erkennen
3	Sensor (mitten)	Objekt von Distanz zwischen 3-60 erkennen	Objekt von Distanz zwischen 3-60 erkennen
4	Sensor (rechts)	Objekt von Distanz zwischen 3-60 erkennen	Objekt von Distanz zwischen 3-60 erkennen

Ergebnis

Das Projekt konnte erfolgreich durchgeführt werden und wir konnten alle gesetzten Anforderungen erreichen. Eine Überprüfung der einzelnen Anforderungen aus Tabelle 1 lässt sich in Tabelle 5 einsehen.

Tabelle 5: Überprüfung der formulierten Anforderungen
Anforderungs-ID	Testinhalt	Testergebnis
001	Wenn ein Hande vom mittleren Sensor in einer Entfernung zwischen 40-50cm erfasst wird, kann der Laptop das Video abspielen/angehalten.	erfolgreich
002	Wenn ein Hand vom linken Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird, kann der Laptop das Video rückspulen.	erfolgreich
003	Wenn ein Hand vom linken Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird, kann der Laptop das Video vorspulen.	erfolgreich
004	Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird, kann der Laptop die Lautstärke vom Video abnehmen.	erfolgreich
005	Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird, kann der Laptop die Lautstärke vom Video zunehmen.	erfolgreich
006	Wenn ein Hand vom mitten Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird, kann der Laptop in das letzte Video springen.	erfolgreich
007	Wenn ein Hand vom mitten Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird, kann der Laptop in das nächste Video springen.	erfolgreich
008	Wenn ein Hand vom linken Sensor in einer Entfernung zwischen 40-50cm erfasst wird, kann der Laptop in den Anfang des Videos springen.	erfolgreich
009	Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 40-50cm erfasst wird, kann der Laptop das Videos Stumm/Widerrufung einstellen.	erfolgreich
010	Wenn die zwei Hände vom linken und rechten Sensoren in den Entfernungen zwischen 30-50cm erfasst wird, kann der Laptop das Videos Vollbildschirm/Widerrufung einstellen.	erfolgreich

Zusammenfassung

Das Projekt Steuerung des Computers durch Handgesten mit Arduino wurde erfolgreich umgesetzt. Ziel des Projekts war HMI zu entwickeln, welche die Objekt der Distanzen erfasst,entsprechend Viodeo-Player durch Handgesten steuern. werden.

Lessons Learned

Im Rahmen dieses Projekts wurden die wissenschaftlichen Vorgehensweisen für die Projektentwicklung wiederholt und vertieft. Dazu gehören die Projektplanung, das Zeitmanagement, die Projektdokumentation und eine kollaborative Teamarbeit. Mittlerweile wurden mit den Arbeitswerkzeugen wie Fritzing, GanttProjekt und PAP-Designer vertraut. Außerdem wurden die Erkenntnisse von Sensoren und Mikrocontroller in Praxis umgesetzt werden.

Projektunterlagen

Dem ZIP-Archiv sowie dem SVN Ordner können die relevanten Projektunterlagen entnommen werden.

Projektplan

Projektdurchführung

Zu Beginn haben wir die Sensoren und Arduino sowie Breadboard und Jump Kabel bestellt. Nach dem Einsetzen der entsprechenden Bibliothek und werden die in Anforderungen geschriebene Funktionen mit den Hotkey bestimmt. Dann war die Implementierung mit Arduino und Python. Abschließend war der Test mit dem YouTube Videos

YouTube Video

Weblinks

Literatur

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[1] ttps://www.amazon.de/AZDelivery-HC-SR04-Ultraschall-Entfernungsmesser-Raspberry/dp/B072N473HD/ref=sr_1_1_sspa?keywords=ultraschallsensor&qid=1670091640&s=computers&sprefix=ultascha%2Ccomputers%2C102&sr=1-1-spons&sp_csd=d2lkZ2V0TmFtZT1zcF9hdGY&th=1/UHL

[2] ttps://www.amazon.de/Elegoo-Einsteigerset-Stromversorgungsmodul-Servomotor-Erweiterungsplatine/dp/B01ILR6AX4/ref=sr_1_1_sspa?__mk_de_DE=%C3%85M%C3%85%C5%BD%C3%95%C3%91&crid=2YSD9XEOFZF0B&keywords=arduino+uno&qid=1670089926&sprefix=arduino+uno%2Caps%2C112&sr=8-1-spons&sp_csd=d2lkZ2V0TmFtZT1zcF9hdGY&psc=1/UHL

[3] ttps://www.amazon.de/Elegoo-Einsteigerset-Stromversorgungsmodul-Servomotor-Erweiterungsplatine/dp/B01ILR6AX4/ref=sr_1_1_sspa?__mk_de_DE=%C3%85M%C3%85%C5%BD%C3%95%C3%91&crid=2YSD9XEOFZF0B&keywords=arduino+uno&qid=1670089926&sprefix=arduino+uno%2Caps%2C112&sr=8-1-spons&sp_csd=d2lkZ2V0TmFtZT1zcF9hdGY&psc=1/UHL

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