通過用簡(jiǎn)單的手和身體運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備及克服傳統(tǒng)手勢(shì)的局限性

本文介紹 HMI 應(yīng)用系列的第 4 部分，即使用低成本手勢(shì)識(shí)別技術(shù)控制系統(tǒng)。它描述了通過簡(jiǎn)單的手和身體運(yùn)動(dòng)來控制設(shè)備的方法，消除與系統(tǒng)控件的接觸，以及尋找基于手勢(shì)的 HMI 的設(shè)計(jì)解決方案，以及克服傳統(tǒng)手勢(shì)檢測(cè)器設(shè)計(jì)的局限性。

用簡(jiǎn)單的手和身體運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備

一些嵌入式系統(tǒng)自主運(yùn)行，但大多數(shù)執(zhí)行功能以響應(yīng)用戶輸入。許多機(jī)器和設(shè)備特別方便，因?yàn)樗鼈兊?a target="_blank">電子電路可以感應(yīng)人類的接近并做出響應(yīng)。例如，自動(dòng)進(jìn)出門會(huì)在人們走近時(shí)自動(dòng)打開。然而，這種基本的非接觸式人機(jī)界面 （HMI） 有很大的局限性。它們只檢測(cè)到身體或手的存在，因此電子設(shè)備偶爾會(huì)做出不恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。例如，當(dāng)路過的行人在入口附近短暫停留時(shí)，門可能會(huì)意外打開。

當(dāng) HMI 電路能夠識(shí)別定義的一組簡(jiǎn)單手勢(shì)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)更好、更可預(yù)測(cè)的非接觸式控制。易于使用的手勢(shì)使錯(cuò)誤的系統(tǒng)操作的可能性大大降低。例如，在典型的應(yīng)用中，站在門前的人只需伸出一只手從左向右移動(dòng)即可打開門，或從右向左移動(dòng)即可關(guān)閉門。（見圖 1a）

典型的手勢(shì)識(shí)別 HMI 應(yīng)用

無需接觸系統(tǒng)控制

在目前需要人們物理觸摸面板或操縱開關(guān)的設(shè)備中安裝手勢(shì)識(shí)別 HMI 的巨大市場(chǎng)正在出現(xiàn)。這些熟悉的控件可能會(huì)因重復(fù)使用而受到污染。隨著時(shí)間的推移，油和污垢會(huì)積聚，通常會(huì)導(dǎo)致操作變得不可靠。需要定期檢查和清潔來糾正這個(gè)問題，成本相當(dāng)高。

可以實(shí)現(xiàn)非接觸式控制方法，允許用戶使用手勢(shì)來執(zhí)行開/關(guān)、打開/關(guān)閉、翻頁和其他系統(tǒng)操作。先進(jìn)的基于手勢(shì)的 HMI 可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)管理和維護(hù)任務(wù)。此外，通過消除產(chǎn)品上的開關(guān)或面板，它們有助于簡(jiǎn)化、更現(xiàn)代的外觀設(shè)計(jì)（見圖 1b）。

在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中，手勢(shì)控制型 HMI 可以提高生產(chǎn)力。在食品加工廠等清潔設(shè)施中尤其如此，在這些設(shè)施中，操作員在接觸機(jī)器的控制面板之前必須洗手或消毒雙手?；谑謩?shì)的 HMI 消除了這些接觸，節(jié)省了重復(fù)洗手的時(shí)間和精力，同時(shí)還有助于最大程度地降低污染風(fēng)險(xiǎn)（見圖 1c）。

為手勢(shì)檢測(cè)器設(shè)計(jì)尋找設(shè)計(jì)解決方案

手勢(shì)識(shí)別功能并不新鮮。傳統(tǒng)上，它們是通過使用多個(gè)紅外 （IR） 傳感器或通過將圖像傳感器與圖像處理引擎相結(jié)合來構(gòu)建的。

IR 傳感器是一種檢測(cè)沿單個(gè)預(yù)定維度運(yùn)動(dòng)的低成本方式，它們可以抵抗外部光線的干擾。但是，它們僅在小距離（約 10 厘米）內(nèi)有效。

相比之下，與信號(hào)處理器配合使用的圖像傳感器可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的識(shí)別，但它們相當(dāng)昂貴。此外，它們不適合背光遮擋視線并降低運(yùn)動(dòng)檢測(cè)精度的位置。

實(shí)現(xiàn)有效的手勢(shì)識(shí)別用戶界面

瑞薩電子成功應(yīng)對(duì)了這一挑戰(zhàn)，成功開發(fā)了一種成本極低的高靈敏度實(shí)現(xiàn)，可檢測(cè)長(zhǎng)達(dá) 1 米的八個(gè)手掌運(yùn)動(dòng)方向（垂直、水平和對(duì)角線），并且可以檢測(cè)最遠(yuǎn) 10 米的身體手勢(shì)。

我們新的 HMI 解決方案的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安裝在智能手機(jī)上的大多數(shù)當(dāng)代手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，智能手機(jī)需要手非?？拷謾C(jī)屏幕。

因此，新的瑞薩解決方案是一項(xiàng)非常及時(shí)的技術(shù)進(jìn)步。它的功能使得人們可以通過在距離檢測(cè)電路合理距離處進(jìn)行手部動(dòng)作來構(gòu)建有吸引力的產(chǎn)品。這種能力是一個(gè)巨大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)——為非接觸式接口開辟了巨大的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

應(yīng)用一種新型的非常靈敏、快速響應(yīng)的紅外傳感器

感應(yīng)板裝有四個(gè)熱釋電紅外傳感器，能夠檢測(cè)生物體產(chǎn)生的紅外輻射（熱量）（見圖 2）。

熱釋電傳感器廣泛用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，并且多年來已經(jīng)證明了自己。但典型的實(shí)現(xiàn)通常僅用于檢測(cè)人是否存在，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的熱釋電傳感器響應(yīng)太慢而無法檢測(cè)小區(qū)域的快速運(yùn)動(dòng)，因此不適合檢測(cè)手掌運(yùn)動(dòng)。由于這些傳感器不會(huì)記錄圖片或以其他方式侵犯隱私，因此即使在隱私存在問題的領(lǐng)域也被廣泛接受。

手勢(shì)識(shí)別用戶界面演示板

瑞薩電子解決方案通過采用 Sensors and Works， Ltd. 開發(fā)的新型有機(jī)鐵磁薄膜類型，消除了傳統(tǒng)熱釋電 IR 傳感器的速度和距離限制。這些先進(jìn)的熱釋電器件的運(yùn)行速度提高了 10 倍以上，工作距離可達(dá)約 1 米。 它們的噪音也更低，允許更大的動(dòng)態(tài)范圍。此外，它們用途廣泛，可以安裝在廣泛的位置，因?yàn)樗鼈兙哂泄逃械目雇獠抗庠锤蓴_的能力。

熱釋電紅外傳感器的比較

圖 3 將有機(jī)鐵磁薄膜傳感器的最佳響應(yīng)特性與傳統(tǒng)熱釋電紅外傳感器的性能進(jìn)行了比較。藍(lán)線的左端表示傳統(tǒng)類型在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間暴露于熱源（如手掌）時(shí)具有高靈敏度。然而，該線的右端顯示了導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)性能不佳的靈敏度急劇下降。

減少 HMI 解決方案的部件數(shù)量和成本

如圖 4 所示，瑞薩電子手勢(shì)識(shí)別電路將來自四個(gè)有機(jī)鐵磁薄膜紅外傳感器的輸出信號(hào)饋送到瑞薩智能模擬 IC300 （RAA730300）。該芯片的模擬前端電路將傳感器的響應(yīng)特性標(biāo)準(zhǔn)化，然后將包含運(yùn)動(dòng)檢測(cè)信息的放大信號(hào)發(fā)送到 RL78/G1A 微控制器。

使用智能模擬 IC 作為橋接設(shè)備來調(diào)節(jié) MCU 的傳感器信號(hào)，顯著減少了原本需要的外部無源元件的數(shù)量，從而降低了我們手勢(shì)識(shí)別解決方案的成本。此外，智能模擬 IC 無需在 MCU 中運(yùn)行數(shù)字濾波器軟件，從而減少其 CPU 負(fù)載。

基于 RL78/G1A 的電路板可以驅(qū)動(dòng) LED 和 LCD 顯示器，讓系統(tǒng)工程師實(shí)時(shí)觀察傳感器輸出。這種測(cè)試功能加快了應(yīng)用程序的開發(fā)，消除了監(jiān)測(cè)傳感器跟蹤信號(hào)源的情況所需的大量工作。

瑞薩電子演示手勢(shì)識(shí)別板框圖

運(yùn)行強(qiáng)大、靈活的手勢(shì)識(shí)別軟件

這里應(yīng)該注意的是，紅外傳感器本身并不檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。相反，每個(gè)傳感器只有兩種可能的輸出：檢測(cè)到或未檢測(cè)到熱源。因此，MCU 必須處理來自所有四個(gè)傳感器的輸入信號(hào)，以確定檢測(cè)到的手勢(shì)的方向。

安裝在 RL78/G1A MCU 中的應(yīng)用軟件包含此處理必不可少的算法。如前所述，它區(qū)分了在水平、垂直和對(duì)角線方向應(yīng)用的八種不同的手掌運(yùn)動(dòng)（見圖 5）。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的要求，這些手勢(shì)中的每一個(gè)都可以分配給不同的系統(tǒng)控制功能。

八種手勢(shì)方向識(shí)別

雖然實(shí)際的手勢(shì)檢測(cè)處理相當(dāng)復(fù)雜，但瑞薩解決方案對(duì)系統(tǒng)開發(fā)人員隱藏了這種復(fù)雜性，以幫助最大限度地減少他們的設(shè)計(jì)工作量。例如，考慮到當(dāng)用戶執(zhí)行從右向左移動(dòng)手的手勢(shì)時(shí)，他或她幾乎肯定會(huì)在做出預(yù)期的控制手勢(shì)后將手放回原始位置。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)軟件不得將此返回運(yùn)動(dòng)解釋為另一個(gè)手勢(shì)；否則，可能會(huì)啟動(dòng)錯(cuò)誤操作。MCU 的內(nèi)置軟件僅識(shí)別和處理預(yù)期的初始動(dòng)作，同時(shí)有效地忽略返回動(dòng)作，從而避免了這一潛在問題。

片上軟件提供微調(diào)調(diào)整以處理不同的環(huán)境和操作員特征。例如，平均手勢(shì)速度可能因安裝而異；因此可以修改適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)以獲得最佳的 HMI 結(jié)果。檢測(cè)靈敏度參數(shù)也可以改變?？梢葬槍?duì)操作員的手部溫度、環(huán)境溫度和其他環(huán)境因素優(yōu)化用戶界面性能。

MCU 軟件中的參數(shù)調(diào)整功能使系統(tǒng)工程師能夠最大限度地提高產(chǎn)品性能，而無需分析手勢(shì)識(shí)別的細(xì)節(jié)。

編輯：ymf