Steuerung des Computers durch Handgesten mit Arduino: Unterschied zwischen den Versionen

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'''Autoren: [[Benutzer:Lihui_Liu| Lihui Liu]],[[Benutzer:Junjie_Lyu| Junjie Lyu]]''' <br/>
'''Autoren: [[Benutzer:Lihui_Liu| Lihui Liu]],[[Benutzer:Junjie_Lyu| Junjie Lyu]]''' <br/>
'''Betreuer: Prof. Göbel & Prof. Schneider''' <br/>
'''Betreuer: Marc Ebmeyer''' <br/>


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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.
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.


[[Datei:V-Modell_SteuerungdesComputersduchHandgeste.png|thumb|500px|none|Bild1: V-Modell 15:59, 02. Okt. 2022 Quelle:[https://www.peterjohann-consulting.de/v-modell/]
[[Datei:V-Modell_SteuerungdesComputersduchHandgeste.png|thumb|500px|none|Abbildung 1: V-Modell 15:59, 02. Okt. 2022 Quelle:[https://www.peterjohann-consulting.de/v-modell/]
]]
]]


== Anforderungen ==
== Anforderungen ==
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Persölichkeit; Hardware; Software; System
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Anforderungen an das System
! style="font-weight: bold;" | ID
! style="font-weight: bold;" | ID
! style="font-weight: bold;" | Inhalt
! style="font-weight: bold;" | Inhalt
Zeile 25: Zeile 25:
! style="font-weight: bold;" | Datum
! style="font-weight: bold;" | Datum
|-
|-
|Persönlickeit
| 1
|-
| Der Laptop muss das Video abspielen/angehalten, Wenn ein Hande vom mittleren Sensor in einer Entfernung zwischen 40-50cm erfasst wird.
| 1.1
| Python Erkenntnisse
| Lihui Liu
| -
| Junjie Lyu
| -
|-
| 1.2
| Arduino Erkenntnisse
| Lihui Liu
| -
| Junjie Lyu
| -
|-
| Hardware
|-
| 2.1
| Arduino Uno
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 50: Zeile 32:
| 02.10.2022
| 02.10.2022
|-
|-
| 2.2
| 2
| Ultraschallsensor (3 stück)
| Der Laptop muss das Video rückspulen, Wenn ein Hand vom linken Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird.
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 57: Zeile 39:
| 02.10.2022
| 02.10.2022
|-
|-
| 2.3
| 3
| USB Kabel
| Der Laptop muss das Video vorspulen, Wenn ein Hand vom linken Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird.
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 64: Zeile 46:
| 02.10.2022
| 02.10.2022
|-
|-
| 2.4
| 4
| Laptop mit Python
| Der Laptop muss die Lautstärke vom Video abnehmen, Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird.
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
| Junjie Lyu
| Junjie Lyu
| 02.10.2022
| 02.10.2022  
|-
| Software
|-
| 3.1
| Arduino IDE
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| Junjie Lyu
| 02.10.2022
|-
|-
| 3.2
| 5
| Python3
| Der Laptop muss die Lautstärke vom Video zunehmen, Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird.
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 87: Zeile 60:
| 02.10.2022
| 02.10.2022
|-
|-
| 3.3
| 6
| VLC
| Der Laptop muss in das letzte Video springen, Wenn ein Hand vom mitten Sensor in einer Entfernung zwischen 3-15cm erfasst wird.
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 94: Zeile 67:
| 02.10.2022
| 02.10.2022
|-
|-
| System
| 7
|-
| Der Laptop muss in das nächste Video springen, Wenn ein Hand vom mitten Sensor in einer Entfernung zwischen 25-40cm erfasst wird.
| 4.1
| Wenn beide Hände in einer bestimmten Entfernung vor den Sensor gehalten werden, sollte das Video im VLC-Player abgespielt/angehalten werden.
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 103: Zeile 74:
| 02.10.2022
| 02.10.2022
|-
|-
| 4.2
| 8
| Wenn die rechte Hand in einem bestimmten Abstand vor dem Sensor platziert wird, sollte das Video einen Schritt vorwärts laufen.
| 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
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 110: Zeile 81:
| 02.10.2022
| 02.10.2022
|-
|-
| 4.3
| 9
| Wenn die linke Hand in einer bestimmten Entfernung vor dem Sensor platziert wird, sollte das Video um einen Schritt zurückgespult werden.
| Der Laptop muss das Videos Stumm/Widerrufung einstellen, Wenn ein Hand vom rechten Sensor in einer Entfernung zwischen 40-50cm erfasst wird.
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 117: Zeile 88:
| 02.10.2022
| 02.10.2022
|-
|-
| 4.4
| 10
| Wenn die rechte Hand in einem bestimmten Nahbereich vor dem Sensor platziert wird und dann in Richtung des Sensors bewegt wird, sollte das Video vorgespult werden, und wenn es wegbewegt wird, sollte das Video zurückgespult werden.
| 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
|-
| 4.5
| Wenn die linke Hand in einem bestimmten Nahbereich vor dem Sensor platziert wird und dann in Richtung des Sensors bewegt wird, sollte die Lautstärke des Videos zunehmen und wenn sie wegbewegt wird, sollte die Lautstärke abnehmen.
| Lihui Liu
| Lihui Liu
| 02.10.2022
| 02.10.2022
Zeile 135: Zeile 99:
== Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf ==
== Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf ==


[[Datei:System_Entwurf_SteuerungdesComputersdurchHandgeste.png|thumb|1000px|none|Bild2: Systementwurf 1 17:35, 02. Okt. 2022]]
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.
[[Datei:Regelkreis123.jpeg|thumb|500px|none|Bild3: Systementwurf 2 17:35, 02. Okt. 2022]]
 
<gallery widths="750" heights="550">
Datei:System_Entwurf_SteuerungdesComputersdurchHandgeste.png|Abbildung 2: Systementwurf - Projektskizze
Regelkreis_SteuerungdesComputers.png|Abbildung 3: Systementwurf - Signalfluss
</gallery>
<!-- Füllen Sie Ihre Projektskizze bis hierher aus. Fügen Sie einen Projektplan unten ein.  -->
<!-- Füllen Sie Ihre Projektskizze bis hierher aus. Fügen Sie einen Projektplan unten ein.  -->


== Komponentenspezifikation ==
== Komponentenspezifikation ==
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 2: Komponentenspezifikation
! style="font-weight: bold;" | ID
! style="font-weight: bold;" | Komponente
! style="font-weight: bold;" | Eingänge
! style="font-weight: bold;" | Ausgänge
! style="font-weight: bold;" | Aufgabe
! style="font-weight: bold;" | 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) ==
== Umsetzung (HW/SW) ==
===Hardware===
Alle verwendeten Hardwarekomponenten können in der Stückliste in Tabelle 3 eingesehen werden.
===Stückliste===
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 3: Stückliste
! style="font-weight: bold;" | ID
! style="font-weight: bold;" | Anzahl
! style="font-weight: bold;" | Kosten pro Stück €
! style="font-weight: bold;" | Summe
! style="font-weight: bold;" | Bezeichnung / Komponente
! style="font-weight: bold;" | technische Bezeichnung
! style="font-weight: bold;" | Abbildung
|-
|1
|3x
|3,20 €
|9,60 €
|Ultraschallsensoren
|HY-SRF04 <ref>https://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</ref>
|[[Datei: UltraschallsensorArduino.jpg |100px|mini|zentriert| Ultraschallsensor HC-SR04]]
|-
|-
|2
|1x
|37,39€
|37,39€
|Mikrocontroller
|Arduino UNO R3 <ref>https://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</ref>
|[[Datei:Arduino UNO R3.jpg|100px|mini|zentriert|Arduino Uno Board]]
|-
|-
|3
|1x
|0,00€
|0,00€
|Breadboard, Jumperkabel
|Breadboard <ref>https://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</ref>, Jumperkabel
|[[Datei:Breadboard_LLH.jpg|left|mini|100px|Breadboard]]
|-
|}
====Verdrahtungsplan====
[[Datei:Verdrahtungsplan_Gruppe1_4_Aktualisieren.png|thumb|500px|none|Abbildung 4: Verdrahtungsplan]]
==Programmierung==
===Programmablaufpläne===
Die nachfolgenden Programmablaufpläne veranschaulichen die Struktur des Programmcodes. Auf der linken Seite stellt Programmablauf im Arduino und rechte Seite im dar.
{| class="mw-datatable"
!  style="font-weight: bold;" | Arduino PAP
!  style="font-weight: bold;" | Python PAP
|- style="vertical-align:top;"
| [[Datei:Arduino PAP update.png                |300px|thumb|left|Absatz| Abbildung 5: Arduino PAP]]
| [[Datei:Python PAP update.png                |300px|thumb|left|Absatz|Abbildung 6:Python PAP.png]]
|-
|}
===Programmcode===
'''Der Code dient zur Realisierung der Steuerung des Computers durch Handgesten mit Arduino Uno'''
<div style="width:950px; height:500px; overflow:auto; border: 1px solid #000">
<pre>
/**************************************************************\
*
* 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);
}
</pre>
</div>
'''Der Code dient zur Realisierung der Steuerung des Computers durch Handgesten mit Python'''
<div style="width:950px; height:500px; overflow:auto; border: 1px solid #000">
<pre>
##############################################################
#
# 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 = "";
</pre>
</div>
==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.
[[Datei:AufbauRückseite.png|thumb|left|Absatz|400px|Abbildung 7: Rückseite]]
[[Datei:AufbauStirnseite.png|thumb|left|Absatz|400px|Abbildung 8: Stirnseite]] <br clear=all>
===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 ==
== Komponententest ==
{| class="wikitable"
|-
! 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 ==
== 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.
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 5: Überprüfung der formulierten Anforderungen
! style="font-weight: bold;" | Anforderungs-ID
! style="font-weight: bold;" | Testinhalt
! style="font-weight: bold;" | 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 ==
== 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 ===
=== 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 ==
== Projektunterlagen ==
Dem [[:Datei:158_Steuerung_des_Computers_durch_Handgesten_mit_Arduino.zip| ZIP-Archiv]] sowie dem [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik\_Fachpraktikum/trunk/Projekte/151-175/158\_Steuerung\_des\_Computers\_durch\_Handgesten\_mit\_Arduino SVN] Ordner können die relevanten Projektunterlagen entnommen werden.
=== Projektplan ===
=== Projektplan ===
[[Datei:Abbildung ProjektPlan_GETPraktikum.PNG|left|mini|1200px|Abbildung 9: ProjektPlan_GETPraktikum]] <br clear=all>
=== Projektdurchführung ===
=== 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 ==
== YouTube Video ==
{{#ev:youtube|https://www.youtube.com/watch?v=qGLouISsMhw|450px|left}}
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== Weblinks ==
== Weblinks ==

Aktuelle Version vom 10. Januar 2023, 15:37 Uhr

Autoren: Lihui Liu, Junjie Lyu
Betreuer: Marc Ebmeyer

→ zurück zur Übersicht: WS 22/23: Angewandte Elektrotechnik (BSE)

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.

Abbildung 1: V-Modell 15:59, 02. Okt. 2022 Quelle:[1]

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.

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

Abbildung 4: 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.

Abbildung 7: Rückseite
Abbildung 8: Stirnseite


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

Abbildung 9: ProjektPlan_GETPraktikum


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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