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.

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

Anforderungen

Tabelle 1: Persölichkeit; Hardware; Software; System

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
Persönlichkeit
1.1	Python Erkenntnisse	Lihui Liu	-	Junjie Lyu	-
1.2	Arduino Erkenntnisse	Lihui Liu	-	Junjie Lyu	-
Hardware
2.1	Arduino Uno	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
2.2	Ultraschallsensor (3 stück)	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
2.3	USB Kabel	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
2.4	Laptop mit Python	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
Software
3.1	Arduino IDE	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
3.2	Python3	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
3.3	VLC media player	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
Funktionen des Systems
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	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
4.2	Wenn die rechte Hand in einem bestimmten Abstand vor dem Sensor platziert wird, sollte das Video einen Schritt vorwärts laufen.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
4.3	Wenn die linke Hand in einer bestimmten Entfernung vor dem Sensor platziert wird, sollte das Video um einen Schritt zurückgespult werden.	Lihui Liu	02.10.2022	Junjie Lyu	02.10.2022
4.4	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.	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	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 and pyserial mit dem VLC media player verknüpft.

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  Abbildung 2: Systementwurf - Projektskizze

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  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	Ultraschallsensor HC-SR04
2	1x	37,39€	37,39€	Mikrocontroller	Arduino UNO R3	Arduino Uno Board
3	1x	0,00€	0,00€	Breadboard, Jumperkabel	Breadboard , Jumperkabel	Breadboard

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
Arduino PAP	Python PAP.png

Aufbau

Abbildung 4: Rückseite

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 2 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	LEDs	Die LEDs sollen leuchten.	Die LEDs leuchten.
2	Peltier-Element	Das Peltier-Element soll warm werden und als Heizung dienen.	Beim anschließen des Peltier-Element wird dieses warm.
3	LCD-Display	Das Display soll verschiedene Werte anzeigen können.	Das Display kann beliebige Texte oder Werte der Sensoren anzeigen.
4	DHT11 Sensor	Der Sensor soll die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit messen.	Der Sensor reagiert auf Körperwärme oder den "feuchten" Atem.
5	Helligkeitssensor	Der Helligkeitssensor soll den Lichteinfall messen.	Der Sensor reagiert auf Licht bzw. das Abdunkeln durch die Hand.
6	Taster	Der Taster soll ein "durchschalten" des Displays ermöglichen.	Der Tasterdruck wird erkannt und kann mitgezählt werden.
7	Lüfter	Der Lüfter soll sich drehen.	Der Lüfter kann angesteuert werden. Allerdings beeinflusst dieser die gemessene Luftfeuchtigkeit nicht.

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. 5: ProjektPlan_GETPraktikum

Literatur

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