基于靜場的手勢控制系統設計及空調應用

毛躍輝

MAO Yuehui

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

Gree Electric Appliance, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

隨著智能技術的飛速發展，手勢控制、語音識別等人機交互技術逐漸應用于消費電子領域，語音識別技術目前相對比較成熟，已在部分產品上工程落地。手勢技術是繼語音識別技術后又一智能技術，目前該技術得到行業的大力研究和工程推廣，如智能電視、智能空調、智能體感游戲等，人機交互控制方式由傳統的按鍵操控、紅外遙控、APP控制等線性界面操控方式逐漸轉化為“即效非接觸式非線性界面”手勢控制方式，讓用戶隨時伸手即控制，具有較強的視覺沖擊，科技感和互動性好，適用于靜音場合和特殊人群產品。此類手勢控制技術一般都基于圖像識別技術衍生，運行算力大，對硬件資源要求較高、成本高，同時受周邊亮度、光照等因素影響較大，且用戶學習成本高。

本文提出一種基于靜場的實時動態近場手勢控制系統，以區別于基于圖像識別手勢控制系統，該系統實時性好、成本相對低，受環境因素影響少，用戶對手勢學習成本低、體驗自然度好，識別率高，適合在廚房電器（如油煙機等）、立式空調、落地風扇、家用電梯等產品上應用，尤其適合在小孩和老年人產品上使用，易學易用，方便家電產品的控制，提高人機交互的實用性。

2 靜場手勢控制的基本原理

人手在空間三維靜電場中運動時，手指會切割電場線，從而改變場強的變化。靜電場手勢控制就是檢測這種電場強度的變化，把其轉化成數字信號，通過與內部存儲器中的信號對比、識別，判斷出人手的動作，然后把其輸入到主控，應用主控根據該動作信號對現有的控制模式及功能做出更改。

芯片生成勵磁電壓，頻率在100 kHz左右，勵磁電壓作用于發射電極與接地層，最終建立起一個電場，電場從發射電極擴展到電極之上的掃描區域。施加交流電壓時電荷會隨著時間變化，從而產生變化的電場。當電荷隨著頻率按照正弦曲線變化時，產生的電磁波特性波長λ=c/f（其中c是波速，即真空中光速）。

在波長比電極幾何尺寸大很多的情況下，磁分量實際為零，且不會傳播電波。由于勵磁電壓波長遠比電極尺寸大，貫穿掃描區域電場就非常均衡，電場由電荷產生，它分布在圍繞表面帶電物體的三維空間中。圖1為未失真電場的等電位線圖，圖2為失真電場的等電位線圖。

圖1 未失真電場的等電位線

圖2 失真電場的等電位線

圖1、2中：Field lines-電場線；Equipotential lines-等電位線；isolation-隔離；Transmitter-發射器；Receive-接收器；Ground-地。

如圖2，當用戶將手伸進掃描區域，電場就會隨之發生變化。電場線必須接近與導體表面呈垂直狀態，手旁邊的電場線由于人體自身導電特性產生分路，手伸進感應區域位置對等勢線產生壓迫，并且降低電極信號電平。在人手或手指進入電場時，電場會失真，由于人體本身導電性，電場線會被引向人手并分流到地，本地的三維電場會減小。

靜電場手勢控制技術需使用最少5個接收器（RX）電極，用于檢測不同位置電場變化，以測量電場失真（偏離所接收到的不斷變化信號）的根源，該信息用于計算位置、跟蹤移動和區分移動模式（手勢）。圖2模擬結果顯示接地的人體對電場的影響，人體的接近會導致等電位線擠壓，并將接收器（RX）電極信號電平平移至較低電位，從而得以測量。圖3為所用的靜場手勢傳感器整體設計效果圖。

圖3 靜場手勢傳感器整體設計效果圖

3 靜場手勢控制模式與控制系統設計

3.1 功能模式基本設計

控制過程中，需要對動態手勢符號進行定義，根據定義后的手勢控制空調各種負載運行（示例基礎功能但不限于此），控制要求及相應模式設計如下：

（1）手勢控制操作要求：

①要求在手勢傳感器范圍內操作，偏離此區域可能出現不識別或誤動作；

②要求距離面板（手勢傳感器區域）15 cm內進行指定動態手勢操作，超出此距離可能導致不識別或誤動作。

（2）靜場手勢操作實現的控制功能如下：

①TOUCH（開/關機）：初始關機狀態下，在由傳感器圍成的區域范圍內進行任一點以上觸摸，檢測到此手勢動作，運行狀態轉換；

②TOUCH（模式切換）：該【TOUCH 2】方式為觸摸控制板4個傳感器，該傳感器按照方向分別定義為【左】、【右】、【上】、【下】；

③觸摸傳感器【左】定義制熱模式；傳感器【右】定義制冷模式；傳感器【上】定義為自動模式、抽濕模式、送風模式；傳感器【下】定義為風速設定。其中，傳感器【左】和傳感器【右】均為單次觸摸即可實現制熱/制冷模式功能轉換；傳感器【上】為循環觸摸功能轉換：轉換順序按照：自動模式、抽濕模式、送風模式運行；傳感器【下】為風速循環觸摸功能轉換，轉換順序：低風檔、中風檔、高風檔、超高風檔運行；

④掃風和導風模式切換：右揮手定義掃風模式，左揮手定義掃風模式，上揮手定義導風模式，下揮手定義導風模式，左右連續手勢動作定義自動掃風，上下連續手勢動作定義為自動導風；

⑤AIR WHEEL（設定溫度調節）：當手勢連續順時針畫圈定義為設定溫度上升；當手勢連續逆時針畫圈定義為設定溫度下降：即【溫度+】和【溫度-】，調節范圍為16℃～30℃。

上述相關手勢符號定義匯總如表1。

3.2 靜場手勢控制系統設計

靜場控制器是一款混合型信號控制器，具有1個發送通道和5個高靈敏度接收通道，能夠檢測對應10～15 F范圍內電容變化的發送電場失真。發送和接收電場電極與控制器的發送和接收通道相連，電極空間分布使芯片可以確定電場失真的重心，并在檢測空間中對用戶的手進行易懂路徑及位置跟蹤，并從移動路徑中提取出手勢，從而實現近場動態手勢控制，與目前成本較高的基于圖像識別的動態手勢[5]控制相當。手勢檢測與識別提取、空調主控控制設計流程如圖4、圖5示意。

本系統設計的控制器由手勢檢測傳感器模塊、MGC3130控制模塊、嵌入式Gest IC庫模塊、外部電路模塊等4個關鍵主要模塊組成，整體控制原理圖如圖6所示。

表1 靜場動態手勢符號定義匯總表

圖4 手勢檢測與識別的提取流程圖

圖5 主控控制流程圖

圖6 控制系統設計實現原理圖

（1）檢測傳感器模塊電極設計

傳感器模塊電極使用雙層電極設計，電極布線如圖7。電極內置在PCB，包含1個發送電極和5個接收電極（東、西、南、北、中），各放置在不同層上。電極外邊緣尺寸為148 mm×98.7 mm。感應區域縱橫比為3:2。電極布線基于使用FR4材料的4層PCB設計，使用以下功能層如圖7：

①第1層（頂層）：接收電極；

②第2層未使用；

③第3層：發送電極和接收饋線；

④第4層（底層）：地。

圖7 電極布線圖

接收電極設計包括4個框架形電極和1個中心電極，框架形電極是根據其方位（北、東、南、西）來命名的。4個接收框架形電極的尺寸限定了最大感應區域，中心電極（陰影線區）采用結構化設計以得到與4個框架形電極相似的輸入信號電平。發送電極占據接收電極下面的整個區域，采用結構化設計以減小接收電極和發送電極之間的電容（CRXTX）。中心電極下面的區域占覆銅平面的50%，周圍區域僅占20%。接收饋線走線到第3層。它們嵌入到發送電極中見圖7和圖8，以屏蔽饋線。在目標系統設計中，不需要GND層，添加該層作為樣機驗證模塊板的屏蔽層，并可模擬靜態組件的存在，這些組件放置在感應電極下目標器件中。為保持接地電容（CTXGND和CRXGND）小于1 nF，GND層采用40%區域覆銅結構設計。電極設計尺寸如表2，整體檢測區域最終效果圖如圖9所示。

（2）MGC3130控制模塊設計

MGC3130模塊主要組成：低噪聲模擬前端、數字信號處理單元、通信接口。該控制器可以提供用于產生電場的發送信號，調節接收電極的模擬信號，以數字形式處理這些數據，并與主控進行數據交換通信，相應框架如圖10。

表2 檢測電極設計尺寸參數表

圖8 檢測傳感器PCB板的層疊圖

圖9 整體檢測感應區域效果圖

圖10 MGC3130控制器

（3）Gest IC庫模塊設計

嵌入式Gest IC庫優化結合MGC3130芯片，確保連續實時自由空間位置跟蹤和手勢識別連續性，該庫可以配置，并允許分別為每個應用和電極布局確定必需的參數。

（4）參考電路及I2C到USB橋接器設計

由單個3.3 V電源供電，通過板上的復位按鈕或PIC18F14K50控制MGC3130復位，并以I2C實現與USB橋接器的通信。其次，為了抑制輻射的高頻信號，通過1 kΩ電阻將芯片的5個接收通道連接到電極。MGC3130和主控之間的通信通過I2C到USB橋接器部分控制，消息交換由PIC18F14K50USB單片機處理，PIC18F14K50用于在LED條形顯示屏上指示通信狀態以及控制MGC3130硬件復位。模塊板通過USB端口供電，采用Microchip低壓差穩壓器MCP1801，用于將5 V的USB電源轉換為MGC3130和PIC18F14K50所需的3.3 V電源。

（5）電極電容參數選型設計及靈敏度曲線要求，電極電容參數選擇如表3，相應電極靈敏度要求曲線如圖11-12所示。

圖11 從西到東靈敏度曲線

表3 電容電極參數選型表

4 實驗過程及結果分析

4.1 實驗設計

本次測試樣機選擇玻璃面板的柜機，傳感器安裝在玻璃面板內側，安裝時需要保證傳感器板與空調面板玻璃緊密接觸。實驗樣機組裝圖如圖13所示。

驗證靜場手勢傳感器內置空調后，環境因素是否對該傳感器控制造成干擾，該實驗共經歷5項內容驗證：

（1）開關電源供電干擾實驗

判斷標準：本次手勢控制板供電電壓為3.3 V，開關電源的開關頻率和功率密度引起的電磁環境不對傳感器工作造成影響。

（2）面板材料干擾反應靈敏度實驗

判斷標準：安裝現有柜機面板背面，上電工作面板材料對功能操作沒有影響，不能出現誤動作或反應靈敏度下降。

圖12 從北到南靈敏度曲線

圖13 實驗樣機組裝圖

（3）溫濕度干擾實驗

①低溫實驗：將裝好傳感器的整機放入工況試驗室中試驗，室外側干球溫度設定為-20℃（RH30%），開機放置2 h后，送風模式下進行手勢控制器的測試，期間進行手勢控制和觸摸操作，各種功能指示、顯示是否正常。

②高溫實驗：將裝好傳感器的整機放入工況試驗室中試驗。室外側干球溫度設定為40℃（RH90%），開機放置2 h后，送風模式下進行手勢控制器的測試，期間進行手勢控制和觸摸操作，各種功能指示、顯示是否正常。

判斷標準：試驗過程中整機運行正常，各種功能指示、顯示器必須能正常顯示，不會出現模糊、暗劃、缺劃甚至不顯示等現象，手勢控制反應靈敏度高、無誤操作。

（4）EFT和靜電干擾實驗

EFT要求通過4 kV（峰值），靜電放電需滿足如下要求：

①實驗前對將要試驗的所有控制器上電檢測，保證試驗前控制器各部件完好，所有功能正常運行；

②控制器抗靜電值大于等于15 kV；

③對于測試的控制器在小于15 kV時出現了不可恢復的功能故障，控制器靜電測試判不合格；

④取3塊控制器，試驗過程中有其中任1塊控制器抗靜電值小于15 kV，則此款控制器抗靜電試驗判不合格。

（5）環境自適應校正測試

圖14 環境自適應測試校正曲線

4.2 實驗結果分析

（1）開關電源供電干擾實驗結果：開關電源對傳感器的供電不產生影響，手勢傳感器可以正常使用，無失效情況發生。

（2）面板材料的影響程度實驗結果：由于手勢傳感器的特殊情況，接觸面不能使用金屬材質，正常使用中選用非金屬材料，目前面板測試時選擇材料為：亞克力板、玻璃面板、噴涂面板。實驗結果顯示：亞克力板、玻璃面板、噴涂面板對手勢基本無影響，可以通過試驗。

（3）溫濕度干擾實驗結果：分別在環境溫度-15℃和40℃下靜置2 h后開啟，通過實驗后各項手勢功能均能正常工作，靈敏度均未見降低。

（4）EFT和靜電實驗結果：EFT和靜電實驗符合企標要求，驗證合格。

（5）模擬前端環境自適應校正實驗結果：通過校正軟件對手勢傳感器的干擾因素進行校正，最終校正測試結果如圖14示意，相應校正后的曲線滿足靈敏度測試要求，跟隨性較好，無卡頓滯留現象出現。

5 總結

通過對靜場手勢識別系統的設計研究，并在實際樣機上進行實驗驗證，相應結論總結如下：

①手勢傳感器安裝部位及附近接觸面不能使用金屬材質，正常使用中選用非金屬材料，避免檢測干擾。研究結果顯示，對非金屬材料選用基本無特殊性要求，對結構安裝約束性少，基本覆蓋現有空調的常規面板材料，可做到通用性；

②手勢傳感器PCB板建議設計為5寸，便于配合結構安裝，可滿足常規機型的通用要求；

③手勢傳感器與主控之間采用I2C通訊方式，保證相關控制功能得到可靠執行；

④提供傳感器的供電電壓必須保證3.3 V，若電壓與控制電壓稍有不符，通訊將無法正常實現，手勢無法獲得精確控制，此點設計時需要嚴格遵照，需單獨采用專用I2C芯片進行供電電路設計；

⑤實際樣機上進行驗證，設計滿足產品應用要求，實現了相關預定控制邏輯功能，設計成果將進一步向其他智能產品推廣應用。

綜上所述，在近場手勢控制領域，該系統設計成本相對圖像識別手勢控制系統低、受結構安裝和產品安裝表面材料影響極低，便于結構設計快速迭代，對硬件算力要求不高，占用資源要求較低，便于硬件模塊及系統的低成本設計，功能的低成本升級開發，能較好的適用于非接觸、近場操控場景產品，具有較高的推廣應用價值和較高的綜合性價比。