基于電容式低成本手勢識別系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

蘭召根，賈思波，卿高軍，謝 博，常 成

（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、信息技術及智能控制技術的快速發(fā)展，人機交互的智能化設備日益增多，而手勢識別是人機交互的重要組成部分，被廣泛應用于手語識別、交互式娛樂、機器視覺、機器人等領域[1-2]。手勢識別的準確性和快速性直接影響人機交互的流暢性和自然性。當前手勢識別技術方案較多，主要包括基于圖像處理機器視覺的手勢識別[3-4]和基于超聲傳感器或者慣性傳感器的手勢識別[5-6]。大多數(shù)方案對周圍環(huán)境要求高、成本高，且算法復雜，實現(xiàn)難度大，本文針對上述問題，基于低成本電容式傳感器設計并實現(xiàn)了預定手勢識別系統(tǒng)，通過檢測傳感器平面LC諧振頻率的變化判斷不同的手勢信息。

1 系統(tǒng)硬件設計

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。總體框圖設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

通過DS-9018鍵盤輸入系統(tǒng)工作模式，將電容傳感器感應覆銅箔層壓板不同手勢信息引起的電容變化，通過標準I2C通信接口發(fā)送給主控模塊，主控根據(jù)當前系統(tǒng)的工作模式對接收信息進行訓練或者識別處理，并將處理結果發(fā)送至TFT液晶屏顯示，同時進行語音播報。

1.1 電源模塊設計

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)定的運行。根據(jù)系統(tǒng)主控和其他功能模塊芯片對供電特性的要求，往往需要多種不同等級的供電電壓。本文根據(jù)系統(tǒng)實際功能需求和芯片手冊，設計了3種電壓等級，分別為12 V，5 V和3.3 V。在具體電路設計和芯片選型時還需綜合考慮電源模塊應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)的安裝和調試。

系統(tǒng)長時間運行，電池電壓存在一定壓差的波動，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電壓轉為5 V，其輸入電壓最高可達40 V，并具有3 A輸出驅動電流，負載調節(jié)能力完全滿足系統(tǒng)需求。進一步在輸入端加入100 μF的旁路電容來抑制較大的瞬態(tài)沖擊電壓，在輸出端加入低通濾波器和多級電容減小輸出電壓的紋波，其電路設計原理如圖2所示。采用三端線性穩(wěn)壓芯片LDO AMS1117將5 V電壓轉為3.3 V，其內部集成過熱、限流保護等模塊，可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電路設計原理如圖3所示。

圖2 LM2596模塊原理

圖3 AMS1117模塊原理

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊設計

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成，根據(jù)德州儀器公司提供的技術手冊，F(xiàn)DC2214傳感器電路使用外部40 MHz晶體振蕩器，借鑒官方提供的設計方案，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FDC2214傳感器模塊進行精簡，在簡化系統(tǒng)復雜度的同時，避免為系統(tǒng)帶來不確定因素，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試區(qū)面板實現(xiàn)手勢信息的非接觸檢測。覆銅箔層壓板與FDC2214連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。當手掌靠近測試區(qū)時，等效電容值會發(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，由于測試面板相對于銅板的距離固定，因此可通過手掌覆蓋面積識別不同的手勢。傳感平面示意圖如圖5所示。

圖5 傳感平面示意圖

2 軟件設計

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內核，最高工作頻率可達72 MHz，優(yōu)良的實時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)設計了猜拳（石頭、剪刀、布）和數(shù)字識別（1～5）兩種游戲。上電初始化時鐘、電容傳感器、DS-9018小鍵盤、TFT液晶顯示屏等，根據(jù)周圍環(huán)境自設定閾值[6]，DS-9018小鍵盤選擇系統(tǒng)運行模式。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程

系統(tǒng)處于訓練模式時，測試者根據(jù)提示做出相應手勢，放置于測試區(qū)，系統(tǒng)在極短時間內多次采集測試者的手勢信息，經(jīng)滑動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，則存儲相關信息，待判決模式使用；若無效，則提示重新錄入手勢信息。系統(tǒng)處于判決模式時，測試者在測試區(qū)做手勢，系統(tǒng)將根據(jù)之前訓練所保存的手勢信息識別此次手勢，若識別成功，則判別手勢姿態(tài)；若識別失敗，則提示調整手勢，再次放置，重新識別。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)硬件經(jīng)過焊接調試完畢后可進一步測試系統(tǒng)軟件功能。確定測試區(qū)面板與傳感銅板之間的高度，經(jīng)過多次測量，高度為1.5 cm時數(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，對多組不同的測試人員的手勢信息進行采集訓練，訓練完畢后通過數(shù)字鍵盤切換判別模式，對測試人員的手勢進行識別。對不同手勢識別結果及平均用時的統(tǒng)計見表1所列。

表1 各項測試結果用時統(tǒng)計

由測試結果可知，系統(tǒng)識別時間均小于1 s，總體平均識別率為96.25%，滿足了系統(tǒng)的設計要求。

4 結 語

本文基于FDC2214電容式傳感器設計了一種低成本的快速手勢識別系統(tǒng)，對系統(tǒng)軟硬件模塊進行了詳細設計，通過訓練可以快速準確識別測試者的手勢信息。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)的實時性和準確率均達到預期目標，然而受限于實驗平臺，系統(tǒng)還無法滿足多種復雜場景下的手勢識別，后續(xù)將對該內容做進一步的研究。