設計汽車和工業應用的低成本手勢感測系統

作者:Paul Pickering

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

人機介面 (HMI) 在絕大多數工業和汽車應用中都是關鍵元件。有鑑於互動越來越複雜,傳統的開關設計已不適合諸多環境:有違直覺且會讓操作人員從其他任務分心,例如控制機器或駕駛車輛等作業。

目前有許多以手勢為主的控制方式可供選擇,設計人員會在效能和準確度,以及成本和簡便性之間的平衡上面臨難題,甚至還有功耗要考量。

本文將針對以紅外線感測技術為基礎的手勢控制系統,探討其所需的元件。然後介紹低成本感測器評估板及其相關軟體,藉此協助快速開發並縮短上市時間。

非接觸式感測應用

非接觸式感測的首款日常應用是用來偵測物體的趨近程度,並且觸發相關反應。自動門、給皂機、走廊燈以及乾手機,皆採用非接觸式感測器作為輸入元件。

這些系統的接近感測器可當作開關,提供數位開/關輸出,而手勢感測則可讓使用者運用三維度運動以直覺方式來控制系統。

手勢控制亦可讓使用者在廣大的作用區域內進行變更,因此能以大動作取代細微動作。此能力是電玩系統的主要特點之一,運用手勢感測技術偵測與移動相關的複雜運動,或追蹤多名玩家。

紅外線手勢感測 | DigiKey

電玩系統運用雷射和專屬相機來感測使用者的活動,但對汽車等許多應用而言,這些技術太複雜且昂貴。以切換電台頻道為例,就只需要單純將手向左或向右揮動即可 (圖 1)。同樣地,調整音量只要向上或向下滑動,或是前後推動就可完成。

手勢感測系統使用直覺動作的示意圖

圖 1:手勢感測系統採用直覺動作來簡化機器控制。(圖片來源:BBC/BMW)

紅外線 (IR) 感測技術能以低成本偵測多種簡易手勢,因此非常適合多種工業、消費性和汽車應用 (圖 2)。硬體含有兩個 IR 發光二極體 (IRED),位於板件上且相隔指定的距離,兩者中間還具有一個偵測器。

IR 手勢感測系統運用兩個 IR 二極體和一個感測元件示意圖

圖 2:簡易的 IR 手勢感測系統採用兩個 IR 二極體,且在兩者中間具有一個感測元件。(圖片來源:Vishay Semiconductor)

每個 IR 發光體的發光模式具有高度指向性。當手部經過發光體時,偵測感測器所量測到的反射光會顯示出對應的尖波。操作人員將手由左向右揮動時,左側 (黑色) 發光體的訊號會增加,而右側發光體 (綠色) 前方的訊號則減少,由右至左揮動時則相反。

感測器會將數據傳送到微控制器,其中含有軟體,可分析訊號強度隨時間的差異,藉此判斷是否有揮動手勢,若有,也會判斷揮動方向。

手勢感測設計範例

典型的手勢感測應用電路會在基本系統中添加第三個 IR 發光體,因此能偵測向上/向下,以及向左/向右的手勢(圖 3)。

Vishay Semiconductor 的 VCNL4035X01 手勢感測設計示意圖

圖 3:採用三個發光體的手勢感測設計能偵測向左/向右,以及向上/向下的手勢。(圖片來源:Vishay Semiconductor)

此系統的核心是 Vishay Semiconductor 的 VCNL4035X01 IR 和環境光感測器,能以單一 2.5 至 3.6 V 電壓進行操作。此應用專屬積體電路 (ASIC) 含有三個外部 IR 發光體的驅動器、一個接收反射輸出的內部光電二極體,以及處理光電二極體訊號的電路。具有業界標準 I2C 序列介面,能與外部微控制器進行通訊,以分析資料對手勢進行解碼。

Vishay 的 VCNL4035 可驅動高達三個外部 IR 發光體示意圖

圖 4:VCNL4035可驅動高達三個外部 IR 發光體,且含有一個內部環境光感測器。(圖片來源:Vishay Semiconductor)

為了省電並降低處理負擔,VCNL4035 具有可編程的中斷引腳,可在手勢事件或環境光變化時喚醒微控制器,因此無需持續輪詢。

VCNL4035X01 採用 4.0 x 2.36 mm 的小型無引線封裝 (LLP),高度為 0.75 mm,因此能裝入空間受限的智慧型手機、數位相機、平板電腦以及類似應用中。

感測器的正規化頻譜響應示意圖

圖 5:VCNL4035 IR 光電二極體 (a) 和環境光感測器 (b) 中的感測器正規化頻譜響應。亦顯示人體肉眼反應以利比較。(圖片來源:Vishay Semiconductor)

為了判斷移動方向,軟體必須能分辨 IRED 輸出之間的差異,以便進行比較。在手勢感測模式中,VCNL4035 會依序快速驅動 IRED,然後標記微控制器以讀取其內部暫存器中的三個 16 位元光電二極體輸出。電流驅動強度、驅動時間,以及量測順序組合間的時間皆可由使用者選擇。

環境光感測器 (ALS) 會接收可見光並轉換成 16 位元 ADC 值。VCNL4035 的 ALS 峰值靈敏度為 540 nm,頻寬介於 430 nm 至 610 nm,非常接近人體肉眼。

IRED 需求

IRED 的輸出必須匹配 VCNL4035 的光電二極體靈敏度反應,以確保最佳效能。Vishay Semiconductor 的 VSMY2940RG 系列發光體峰值波長 (λP) 為 940 nm,非常適合此用途。這些元件採用砷鋁化鎵 (GaAlAs) 表面發光體晶片技術為基礎。在脈衝操作 (tp = 100 μS)、1 A 順向電流下,典型輻射強度為每球面度 880 毫瓦 (mW/sr)。

此外,這些元件會以高指向模式散發輻射,特別是在 ±10° 光束角內 (圖 6)。

Vishay 的 VSMY2940RG IR 發光體圖片

圖 6:Vishay 的 VSMY2940RG IR 發光體具有非常受限的相對輻射強度對角位移曲線比,因此非常適合用於手勢感測應用。(圖片來源:Vishay Semiconductor)

手勢感測設計的考量

手勢感測系統的設計人員必須進行諸多權衡後,才能決定最佳設計。其中一項就是偵測範圍對電流消耗。另一向則是 IRED 的置放。

增加可偵測手勢的距離,意味著必須提高 IRED 的輸出功率,這也是順向電流的功能之一。也因此功耗會增加,這對電池供電式裝置來說是不樂見的情況。功率越高也會增加需要耗散的熱能,進而增加設計的尺寸。

在上述設計中,IRED 的 200 mA 驅動電流會達到 200 mW/sr 的典型輻射強度,能讓手部手勢的偵測距離,從感測器板算起長達 40 公分。

IRED 的位置、外部 IRED 的數量及其位置,必須依據應用的專屬需求進行決定。在簡易的接近應用中,或是單純只是要偵測小幅度手勢,如手指移動等,IRED 和感測器之間的距離可能只有幾毫米。

感測器和 IRED 之間間隔越遠,可在判斷遠距手部揮動方向時提供優勢。透過實證測試,可達到最佳距離。

手勢偵測軟體

有好幾種方法可透過 VCNL4035 的輸出來判斷手勢。有個簡單的方法是設定物件偵測的最小閾值。超過閾值的正緣代表手部抵達 IRED 上方,負緣則代表手部離開 IRED 的偵測區。

透過兩個 IRED,事件順序可指出是向左或向右揮動。此方法能隔離分析每次量測循環的結果,且僅需要少許處理器資源。

有個較耗費運算能力的方法,可用來分析多組 (訊框) 量測結果的資料。此演算法會計算各個訊框的兩個數量:各訊號與其各自取樣組的標準差,以及左右訊號之間的時間延遲。將結果與使用者指定的閾值比較,此演算法能判別發生何種手勢。

標準差可用來測量分析之訊框內的數據分布範圍。以下列公式進行計算:

方程式 1

X̄ 是電流訊框的平均值,n 則是分析的樣本數。

高標準差意味著訊號改變程度大,代表手部穿越或朝向感測器移動。

另一方面,低標準差則意味著訊號僅有小幅度甚至沒有改變,也就是說,感測器的偵測區域內沒有手的存在,要不就是手部沒有移動。若訊號之間的時間延遲相當明顯,則表示出現揮動手勢。此計算方法亦可利用交叉相關演算法 (計算兩個訊號之間的重疊) 估算延遲。

使用感測器入門套件快速開始設計

Vishay 的 VCNL4020 感測器入門套件提供簡易的方法開始進行 IR 手勢感測的設計。此套件含有 USB 硬體鎖、插入式 VCNL4020 手勢展示板,以及一片小型光碟,其中含有 USB 驅動程式與軟體。

VCNL4020 本身就是整合式接近和環境光感測器,內建一個 IR 發光體。在展示板上,VCNL4020 亦可驅動一個外部 IRED,在必要時提供更大的空間間隔。

Vishay 的 VCNL4020 感測器入門套件圖片

圖 7:Vishay 的VCNL4020 感測器入門套件提供開始進行手勢感測開發作業所需的軟硬體。Vishay 以此為出發點並可連結眾多擴充板,以運用不同的 Visahy 感測器。(圖片來源:Vishay Semiconductor)

USB 硬體鎖能在展示板和主機 PC 之間達到 I2C 對 USB 通訊。其中含有 Cypress SemiconductorCY768013A,此 ASIC 結合增強的 8051 微控制器以及整合式單晶片 USB 2.0 收發器。此外也含有 3.3 V 穩壓器,以及 Microchip TechnologyMCP3421,此 18 位元單輸入三角積分類比數位轉換器 (ADC),可提供額外的類比輸入。

此 USB 硬體鎖可當作連接其他 VCNL 感測器展示板的基礎,且這些展示板皆可從 Vishay 免費取得,包括 VCNL4035 展示板。此板件的直覺性特別高,因為其中含有 LED 陣列可指出手勢的方向。

VCNL4035 隨附光碟中的開發軟體可實作前述的標準差和交叉相關偵測演算法。

此軟體能讓使用者變更資料擷取和偵測演算法的主要參數。許多參數皆可調整,藉此微調系統效能,包括:

  • 數據量測率
  • 量測取樣時間
  • 上/下偵測閾值
  • 左/右偵測閾值
  • 閾值坡度
  • 標準差閾值

LabVIEW GUI 中的手勢感測畫面圖

圖 8:手勢感測畫面運用 LabVIEW GUI 讓 VCNL4035 顯示由左至右動作的結果。(圖片來源:Vishay Semiconductor)

入門套件含有圖形使用者介面 (GUI),可在 National Instruments 常用的 LabVIEW 編程平台執行。在此顯示由左至右移動的手勢感測畫面 (同圖 8)。左側 (紅色) IRED 先指出,接著是中間 (綠色),然後左側 (藍色)。

若是剛接觸 LabVIEW 環境的開發人員,DigilentLabVIEW Home 套裝能讓開發人員以最低成本入門使用。

結論

紅外線手勢感測系統能克服 HMI 的眾多難題。結合了低成本硬體和精細軟體,可偵測工業、汽車和消費性應用中的許多手部動作。

Vishay 提供多種光電子元件和入門套件,協助開發人員快速開始進行 HMI 手勢感測設計。加入 LabVIEW GUI 亦可簡化開發作業,且更有效地管理設計中所涉及的各項權衡項目。

聲明:各作者及/或論壇參與者於本網站所發表之意見、理念和觀點,概不反映 Digi-Key Electronics 的意見、理念和觀點,亦非 Digi-Key Electronics 的正式原則。

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