基于電容式低成本手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘭召根，賈思波，卿高軍，謝 博，常 成

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)及智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，人機(jī)交互的智能化設(shè)備日益增多，而手勢(shì)識(shí)別是人機(jī)交互的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于手語(yǔ)識(shí)別、交互式娛樂(lè)、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人等領(lǐng)域[1-2]。手勢(shì)識(shí)別的準(zhǔn)確性和快速性直接影響人機(jī)交互的流暢性和自然性。當(dāng)前手勢(shì)識(shí)別技術(shù)方案較多，主要包括基于圖像處理機(jī)器視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別[3-4]和基于超聲傳感器或者慣性傳感器的手勢(shì)識(shí)別[5-6]。大多數(shù)方案對(duì)周?chē)h(huán)境要求高、成本高，且算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大，本文針對(duì)上述問(wèn)題，基于低成本電容式傳感器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了預(yù)定手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)傳感器平面LC諧振頻率的變化判斷不同的手勢(shì)信息。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分組成?？傮w框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

通過(guò)DS-9018鍵盤(pán)輸入系統(tǒng)工作模式，將電容傳感器感應(yīng)覆銅箔層壓板不同手勢(shì)信息引起的電容變化，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I2C通信接口發(fā)送給主控模塊，主控根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式對(duì)接收信息進(jìn)行訓(xùn)練或者識(shí)別處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至TFT液晶屏顯示，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

1.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源供電模塊是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，其性能將直接影響嵌入式系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)主控和其他功能模塊芯片對(duì)供電特性的要求，往往需要多種不同等級(jí)的供電電壓。本文根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際功能需求和芯片手冊(cè)，設(shè)計(jì)了3種電壓等級(jí)，分別為12 V，5 V和3.3 V。在具體電路設(shè)計(jì)和芯片選型時(shí)還需綜合考慮電源模塊應(yīng)具有比較寬的輸入電壓范圍，比較穩(wěn)定的輸出電壓以及持續(xù)供電的能力。系統(tǒng)中需要12 V電壓供電的模塊直接采用12 V鋰電池供電，便于系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。

系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，電池電壓存在一定壓差的波動(dòng)，因此采用具有較寬電壓輸入范圍的 LM2596降壓電源管理芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)為5 V，其輸入電壓最高可達(dá)40 V，并具有3 A輸出驅(qū)動(dòng)電流，負(fù)載調(diào)節(jié)能力完全滿足系統(tǒng)需求。進(jìn)一步在輸入端加入100 μF的旁路電容來(lái)抑制較大的瞬態(tài)沖擊電壓，在輸出端加入低通濾波器和多級(jí)電容減小輸出電壓的紋波，其電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。采用三端線性穩(wěn)壓芯片LDO AMS1117將5 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V，其內(nèi)部集成過(guò)熱、限流保護(hù)等模塊，可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖2 LM2596模塊原理

圖3 AMS1117模塊原理

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分由FDC2214電容式傳感器模塊和覆銅箔層壓板傳感平面構(gòu)成，根據(jù)德州儀器公司提供的技術(shù)手冊(cè)，F(xiàn)DC2214傳感器電路使用外部40 MHz晶體振蕩器，借鑒官方提供的設(shè)計(jì)方案，在電源方面采用5 V電壓供電。FDC2214傳感器電路帶有3.3 V降壓芯片，可將5 V電壓降為3.3 V，為FDC2214芯片供電。使用Altium Designer軟件對(duì)FDC2214傳感器模塊進(jìn)行精簡(jiǎn)，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)，避免為系統(tǒng)帶來(lái)不確定因素，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力[7]。電路原理如圖4所示。

圖4 FDC2214傳感器模塊電路原理

傳感平面采用兩塊覆銅箔層壓板，水平放置，利用支架隔空固定測(cè)試區(qū)面板實(shí)現(xiàn)手勢(shì)信息的非接觸檢測(cè)。覆銅箔層壓板與FDC2214連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。當(dāng)手掌靠近測(cè)試區(qū)時(shí)，等效電容值會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)電容的物理定義可知，電容值變化的主要影響因素為手掌與銅板之間距離和手掌覆蓋銅板的面積，由于測(cè)試面板相對(duì)于銅板的距離固定，因此可通過(guò)手掌覆蓋面積識(shí)別不同的手勢(shì)。傳感平面示意圖如圖5所示。

圖5 傳感平面示意圖

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分主要在主控完成，主控制器選擇ST公司出品的STM32芯片，其基于ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，優(yōu)良的實(shí)時(shí)性能夠很好地滿足數(shù)據(jù)處理及軟件算法的要求。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了猜拳（石頭、剪刀、布）和數(shù)字識(shí)別（1～5）兩種游戲。上電初始化時(shí)鐘、電容傳感器、DS-9018小鍵盤(pán)、TFT液晶顯示屏等，根據(jù)周?chē)h(huán)境自設(shè)定閾值[6]，DS-9018小鍵盤(pán)選擇系統(tǒng)運(yùn)行模式。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程

系統(tǒng)處于訓(xùn)練模式時(shí)，測(cè)試者根據(jù)提示做出相應(yīng)手勢(shì)，放置于測(cè)試區(qū)，系統(tǒng)在極短時(shí)間內(nèi)多次采集測(cè)試者的手勢(shì)信息，經(jīng)滑動(dòng)濾波算法和閾值比較之后綜合判斷此數(shù)據(jù)是否有效，若有效，則存儲(chǔ)相關(guān)信息，待判決模式使用；若無(wú)效，則提示重新錄入手勢(shì)信息。系統(tǒng)處于判決模式時(shí)，測(cè)試者在測(cè)試區(qū)做手勢(shì)，系統(tǒng)將根據(jù)之前訓(xùn)練所保存的手勢(shì)信息識(shí)別此次手勢(shì)，若識(shí)別成功，則判別手勢(shì)姿態(tài)；若識(shí)別失敗，則提示調(diào)整手勢(shì)，再次放置，重新識(shí)別。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)硬件經(jīng)過(guò)焊接調(diào)試完畢后可進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)軟件功能。確定測(cè)試區(qū)面板與傳感銅板之間的高度，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，高度為1.5 cm時(shí)數(shù)據(jù)值變化比較明顯，有利于有效數(shù)據(jù)的分割和提取。確定高度后，對(duì)多組不同的測(cè)試人員的手勢(shì)信息進(jìn)行采集訓(xùn)練，訓(xùn)練完畢后通過(guò)數(shù)字鍵盤(pán)切換判別模式，對(duì)測(cè)試人員的手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)不同手勢(shì)識(shí)別結(jié)果及平均用時(shí)的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1所列。

表1 各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果用時(shí)統(tǒng)計(jì)

由測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)識(shí)別時(shí)間均小于1 s，總體平均識(shí)別率為96.25%，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于FDC2214電容式傳感器設(shè)計(jì)了一種低成本的快速手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)軟硬件模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過(guò)訓(xùn)練可以快速準(zhǔn)確識(shí)別測(cè)試者的手勢(shì)信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，然而受限于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)還無(wú)法滿足多種復(fù)雜場(chǎng)景下的手勢(shì)識(shí)別，后續(xù)將對(duì)該內(nèi)容做進(jìn)一步的研究。