CN103576861A - 非接触手势控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及面向民用或工业电器设备操作的非接触手势控制系统，包括手势识别电路、PWM交流功率调节电路、PWMLED调光驱动电路、红外遥控编码电路和继电器驱动电路。其基于无线测距传感器实现3D空间内手势轨迹的跟踪检测，利用微控制器通过特征抽取，运行模式识别算法预测具体的手势动作，进而判断手势意图，并转化为实际操作方式：状态量增加/减少调节、开、关、推、拉、定时、转动、扳动、刺、滑动、伺服、点击和模式切换等涉及民用或工业电器设备的各类操作控制动作。根据控制对象，非接触手势控制系统可独立或嵌入民用或工业电器设备，各模块可任意增减组合，取代或兼容按键、遥控器和开关等传统操控设备，实现非接触手势控制，极大提高用户体验。

Description

非接触手势控制系统

技术领域

本发明涉及非接触手势控制领域，尤其涉及面向民用或工业电器设备操作的非接触手势控制系统。

背景技术

通常民用或工业场所的电器设备操作是通过触摸按键、机械开关、无线遥控、声控、光控等方式来实现。操作动作包括但不限于“打开/关闭”双态开关、状态或模式切换、定时、分档调节、无极调节、伺服控制等。“打开/关闭”双态开关，如电器设备的电源开关；切换开关如遥控器按钮，一般家用电器状态选择按钮；分档调解开关，如微波炉输出功率的分档调节；无级调节开关，如吊扇通过TRIAC电路实现无极变速；伺服开关，如工业设备的速度、位置加速度控制等。这些操作按执行方式又可分为两种：一种需要手或肢体直接接触开关器件完成相应操作，如一般的家庭照明电源开关，包括传统机械开关，触摸感应开关等，大部分需要视觉导引支持、操作人员必须站立在离操控按键一臂距离内；另一种，不需要产生肢体接触就可实现较远距离操作控制，不需要肢体接触任何设备，如声控，简单的声控只要声音达到一定强度就可以导通电路，但存在辨识性较差的问题，复杂的声控则成本过高，另外机器能解析语音但很难分析出人的确切意图；还有一种是无线遥控器，但遥控器通常需要固定地方保存，容易丢失。

非接触手势（识别）控制是近年来发展较快的一种控制方式，目前主要用于人机交互界面的非接触操作，目前主要有四种方式，根据MEMS（微机电系统传感器）的手势识别，多普勒效应的手势识别，基于红外帘幕的手势识别，和基于机器视觉的手势识别。这四种手势控制技术，目前都可以替代鼠标完成对计算机屏幕的操控，可以实现复杂的动作识别。其中基于机器视觉的手势识别，可以实现3D手势识别，从而实现更加复杂的操控，如游戏操控。这四种方式目前广泛应用于人机交互，通常与计算机捆绑，基于多普勒效应和机器视觉的手势识别需要高性能CPU计算支持，独立作为开关使用时相对成本过高，不适合一般低成本电器设备的配套与普及。红外帘幕式的手势识别操控动作必须紧贴红外光发射接收阵列或红外帘幕组成的平面，除了可以实现多点精确控制外和普通操作相比没有优势。基于MEMS传感器的手势识别则必须佩戴MEMS传感器和微处理器，限制了使用的便捷性。

上述提到的传统操作方式都禁锢了人和机器的操作距离，先进的基于纯手势识别的操作方式则整体成本过高。市场迫切需要一种低成本条件下，能满足对一般民用或工业电器设备的高精度非接触手势控制的设备，实现不需要遥控器的遥控。

发明内容

为了克服上述技术中的不足，本发明提供了一种非接触手势控制系统，可实现无视觉导引下的各类电器设备的非接触操作控制，极大改善用户体验。所述技术方案如下： 

 一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统,包括主模块和副模块，其特征在于：主模块包括手势识别电路，副模块包括PWM交流功率调节电路、PWM LED调光驱动电路、红外遥控编码发射电路和继电器驱动电路；其中主模块由微控制器、无线测距传感器以及晶振电路组成，晶振电路由电容与晶振组成，其中电容（C1）的一端接微控制器晶振引脚PB7另一端接地；电容（C2）的一端接微控制器晶振引脚PB6另一端接地，晶振（Y1）的一端接微控制器PB7引脚, 另一端接微控制器PB6引脚，晶振电路决定微控制器工作频率；无线测距传感器的1号引脚接电源Vcc, 2号引脚接微控制器通用输入输出引脚PD4，3号引脚接微控制器通用输入输出引脚PD7，4号引脚接地，无线测距传感器用于采集手势的空间位置，实现对空间内手势动作的定位和运动轨迹跟踪，再通过微控制器决策判断处理后给出相应的控制信号；微控制器PB3～PB1为支持PWm脉宽调制信号的通用输入输出引脚，可以连接副模块PWM交流功率调节电路、PWM LED调光驱动电路、红外遥控编码发射电路，微控制器PC0～PC5为通用输入输出引脚，可连接副模块继电器驱动电路。

一种基于无线测距传感器的非接触手势控制主模块手势识别电路中无线测距传感器可根据实际情况连接1个及1个以上，无线测距传感器可排列成点、直线阵、L型线阵，平面点阵，以实现对手势轨迹的采集。副模块可以根据实际控制对象需要任意增减组合。微控制器基于但不限于AVR atmega328p-au，也可以是其他类型的CPU、DSP或FPGA。无线测距传感器基于但不限于超声波测距传感器HC-SR04，可以是其他基于电磁波、光波、声波、红外光和可见光的无线测距传感器。可以通过GPIO口连接其他副模块；也可以通过总线方式和其他模块间实现控制通信；或通过连接无线通信模块和其他副模块间实现无线通信控制，无线方式包括但不限于WIFI、蓝牙、红外、声波、2.4G和ZIGBEE等。

一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统副模块PWM交流功率调节电路模块包括光耦和双向可控硅。其特征在于：主模块输出的PWM控制信号通过光耦，光耦基于但不限于MOC3061-M，控制双向可控硅的导通角，双向可控硅基于但不限于FKPF12N60。光耦MOC3601-M的2号引脚接受来自手势识别电路模块的PWM控制信号， 4号输出引脚连接双向可控硅的控制脚，FKPF12N60两端并联39Ω电阻和0.01μF电容的串联，FKPF12N60两端串在民用交流电路中，串联电路中包括负载，负载可以是单向交流电驱动的电器设备，包括但不限于单相异步电机，电加热或制冷设备，不含整流和驱动电路的电光源等。该电路实现PWM对民用交流电的斩波，进而通过对供电功率的调节实现对负载输出功率的调节。如控制单相异步电机转速，电加热功率的调节，或白炽灯卤素灯等光源的亮度调节。

一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统副模块PWM LED调光驱动电路模块包括恒流源驱动芯片和外围辅助电子元器件。其特征在于：恒流源驱动芯片基于但不限于MT7201，引脚ADJ接受来自手势识别电路模块的PWM控制信号，并通过PWM信号脉宽比来调节所驱动的串联LED灯珠供电电流的大小，进而实现LED灯珠发光强度的调节。根据实际需要， PWM LED调光驱动电路模块可以增加1组或多组。如1组可以控制单色温LED灯珠的亮度调节；两组可以通过调节不同色温LED灯珠发光比例，实现色温的调节；三组及以上可以调节不同发光颜色LED灯珠亮度，实现LED灯色彩的调节。

一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统副模块红外遥控编码发射电路模块包括由三极管驱动的红外发光二极管。其特征在于：驱动三极管基于但不限8050，其基极通过电阻连接手势识别电路模块的GPIO引脚并接收PWM控制信号。集电极通过连接电阻R2和红外发光二极管，与电源Vcc连接，发射极接地，该电路的作用是通过PWM信号控制红外遥控编码的生成和发射，实现对家电设备的红外遥控操作。通过模拟民用或工业设备的红外遥控器发射编码实现对相应设备的遥控控制。如通过发射对应的红外编码实现对空调温度的调节控制，电视机的音量调节，还包括但不限于取暖器、冰箱、热水器、油烟机、加湿器、风扇、微波炉、洗衣机、厨卫设备、玩具、小家电等家电设施，以及实现对支持红外遥控的工业设备的控制。

一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统副模块继电器驱动电路模块包括三极管驱动的继电器。其特征在于：驱动三极管基于但不限8050，基极连接手势识别电路模块任意一GPIO引脚，集电极连接继电器。继电器驱动电路模块可以确保按照对手势动作的识别，实现对民用或工业设备的通断电控制，使用双路开关继电器时配合单刀双投开关，可以实现双联开关操作，兼顾传统和手势控制两种开关操作。

一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统主模块手势识别电路，特征在于：通过无线测距传感器采集手势的空间位置，通过微控制器执行相应的模式识别算法抽取特征和给出对手势动作的分类预测，进而判断手势意图，这些意图包括但不限于：状态量增加/减少调节、开、关、推、拉、定时、转动、扳动、刺、滑动、伺服、点击和模式切换等涉及民用或工业电器设备的各类操作控制动作。

一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，特征在于：可以作为独立的控制模块嵌入到各类民用或工业电器设备中，主模块中微控制器可通过GPIO和中断引脚外接支持数字量输出的按键矩阵、旋钮开关、滑动开关等对副模块进行相应的控制，功能上和非接触手势控制等同，取代并从操作方式上兼容传统开关部件，从而实现手势控制方式与传统设备操作方式的兼容，用户可以选择熟悉的方式，并逐步过渡到非接触手势控制。非接触手势控制系统也可以独立作为电气设备的电源通断控制器。

与现有技术相比，以较低成本实现了基于手势控制的民用或工业电器设备的任意类型操作动作。增强用户体验，控制方式直观，方便用户进行精确而自由的设备状态操作控制。该方案可以应用于民用或工业需要进行便捷非接触控制的领域。

附图说明

下面结合附图并以油烟机、转页扇、台灯为例对本发明作进一步详细的描绘。

图1非接触手势控制系统结构框图。

图2手势识别电路图。

图3 PWM交流功率调节电路图。

图4 PWM LED调光驱动电路图。

图5红外遥控编码发射电路图。

图6继电器驱动电路图。

图7家用抽油烟机手势控制调速示意图。

图8家用转页电扇手势控制示意图。

图9家用台灯手势控制调节示意图。

具体实施方式

以下结合附图1，对本发明的具体物理实施方案做详细说明。

图1为非接触手势控制系统整体框架，包括主模块：手势识别电路，副模块：PWM交流功率调节电路、PWM LED调光驱动电路、红外遥控编码发射电路和继电器驱动电路。其特征在于：手势识别电路通过GPIO口（支持PWM输出）分别连接PWM交流功率调节电路、PWM LED调光驱动电路、红外遥控编码发射电路，通过GPIO口连接继电器驱动电路。无线测距传感器和各副模块可以根据实际控制对象需要任意增减组合，如控制风扇只需要一路PWM交流功率调节电路；双风扇油烟机，就需要两路无线测距传感器和两路PWM交流功率调节电路；可调色温的LED台灯需要两路PWM LED调光驱动电路；要实现更复杂的手势识别则需要三路或四路以上的无线测距传感器组成阵列；对于空调等支持红外遥控器的家电，只要一路红外遥控编码发射电路直接发送相应的红外编码，实现诸如开、关、模式切换、调温等控制功能；家居环境下存在多路照明，需配置对应数目的继电器驱动电路，实现照明开关控制功能。非接触手势控制系统可以作为独立的控制模块嵌入到各类民用或工业电器设备中，主模块中微控制器可通过GPIO口外接支持数字量输出的按键矩阵、旋钮开关、滑动开关等对副模块进行相应的控制，功能上和非接触手势控制等同，取代并从操作方式上兼容传统开关部件，从而实现手势控制方式与传统设备操作方式的兼容，用户可以选择熟悉的方式，并逐步过渡到非接触手势控制。非接触手势控制系统也可以独立作为电气设备的电源通断控制器。

图2为手势识别电路模块，主要由无线测距模块和微控制器组成。其特征在于：微控制器通过GPIO口和无线测距传感器相连，实现对无线测距传感器的控制和检测信号接受，其中无线测距传感器可根据实际情况连接1个及1个以上，无线测距传感器可排列成点、直线阵、L型线阵，平面点阵。微控制器基于但不限于AVR atmega328p-au，也可以是其他类型的CPU、DSP或FPGA。无线测距传感器基于但不限于超声波测距传感器HC-SR04，可以是其他基于电磁波、光波、声波、红外光和可见光的无线测距传感器。可以通过GPIO口连接其他副模块；也可以通过总线方式和其他模块间实现控制通信；或通过串口连接无线通信模块和其他模块间实现无线通信控制，无线方式基于但不限于WIFI、蓝牙、红外、声波、2.4G和ZIGBEE。通过无线测距传感器采集手势的空间位置，实现对空间内手势动作的定位和运动轨迹跟踪。通过微控制器执行相应的模式识别算法抽取特征和给出对手势动作的分类预测，进而判断手势意图，判断完成后，微控制器将这些手势意图数据转换成相应的PWM信号和开关量信号，进而完成驱动PWM交流功率调节电路、PWM LED调光驱动电路、红外遥控编码发射电路或继电器驱动电路，从而实现对电器的开、关，亮度、温度、风力等增大或减小的调节。这些意图包括但不限于：状态量增加/减少调节、开、关、推、拉、定时、转动、扳动、刺、滑动、伺服、点击和模式切换等涉及民用或工业电器设备的各类操作控制动作，并将之转化为对应的开关控制信号，驱动副模块电路。

图3为PWM交流功率调节电路模块，主要元件包括光耦和双向可控硅。其特征在于：主模块输出的PWM控制信号通过光耦，光耦基于但不限于MOC3061-M，控制双向可控硅的导通角实现对交流负载电路的斩波限流控制，双向可控硅基于但不限于FKPF12N60。光耦MOC3061-M的2号引脚接受来自手势识别电路模块的PWM控制信号， 4号输出引脚连接双向可控硅的控制脚，FKPF12N60两端并联39Ω电阻和0.01μF电容的串联，FKPF12N60两端串在民用交流电路中，HOT连接火线端，NEUTRAL连接零线端。串联电路中LOAD代表负载，负载可以是单向交流电驱动的电器设备，包括但不限于单相异步电机（如油烟机风扇电机），电加热（如电取暖器红外发热管）或制冷设备，不含整流和驱动电路的电光源等。该电路实现PWM对民用交流电的斩波，通过脉宽调节实现对交流电设备输出功率的调节。如手势控制模块将识别对应的手势动作，以确定用户的意图是加快风扇转速或者是减慢，风扇转速的快慢直接对应电机输出功率的多少，通过PWM控制信号实现对单相交流电的斩波压制电机的输出功率就可以实现分扇调速。另如控制电加热速度的快慢，或白炽灯卤素灯等光源的亮度调节，但该电路无法实现对LED照明的亮度调节。

图4为PWM LED调光驱动电路模块，包括恒流源驱动芯片和外围辅助电子元器件。其特征在于：恒流源驱动芯片基于但不限于MT7201，引脚ADJ接受来自手势识别电路模块的PWM控制信号。通过恒流源驱动芯片驱动串联的LED灯珠，通过PWM信号脉宽比来调节驱动电流的大小，从而实现调光。单路PWM LED调光驱动电路模块可驱动串联的相同色温（或不同色温）的LED灯珠，实现对固定色温LED灯珠的亮度调节；两路PWM LED调光驱动电路模块电路，驱动两路不同色温的LED灯珠，则可以实现色温调节也可以实现亮度调节；三路及以上PWM LED调光驱动电路模块电路，驱动三路以上不同色温的LED灯珠，则可以实现变色彩调节和亮度调节。手势控制模块将识别对应的手势动作，并将之转换为对应的PWM控制信号，实现LED灯光各种调节功能的开关控制。

图5为红外遥控编码发射电路模块，包括由三极管驱动的红外发光二极管。其特征在于：驱动三极管基于但不限8050，其基极连接手势识别电路模块的PWM控制信号GPIO引脚。其中三极管成为红外发光二极管的驱动控制开关，PWM信号通过三极管被转化为固定频率的红外编码脉冲，微控制器通过中断和开启PWM信号，模拟民用或工业设备的红外遥控器发射编码实现对相应设备的非接触手势控制。如通过发射对应的红外编码方式实现对家电的遥控，完成如空调调节控制、模式切换、开和关等控制，电视机的音量调节、频道增减、开和关等控制。还包括但不限于取暖器、冰箱、热水器、油烟机、加湿器、风扇、微波炉、洗衣机、厨卫设备、玩具、小家电等家电设施，以及实现对支持红外遥控的工业设备的非接触手势控制。

图6为继电器驱动电路模块，其特征在于：驱动三极管基于但不限8050，基极连接手势识别电路模块的GPIO引脚，集电极连接继电器J（支持各种类型的继电器），通过三极管驱动继电器实现相应的开关操作。继电器驱动电路模块可以确保按照对手势动作的识别，实现对民用或工业电器设备的供电通断电控制，使用双路开关继电器时配合单刀双投开关，微控制器可根据GPIO内部锁存器状态取反，给出正确的开关信号，实现联动通电控制既双联开关操作，也即在保留用户传统开关习惯的同时融合非接触手势控制，兼顾传统和手势控制两种开关操作，兼顾用户原有习惯。

图7为内嵌非接触手势控制系统的侧排油烟机，其中101为侧排式油烟机主体；102为无线测距传感器组成的手势检测模块；103为手势识别区域；当104用户手掌在103区域内纵向或横向移动时，微控制器通过分析无线测距传感器得到的手掌运动轨迹数据，判断用户手势意图，根据意图判断是增强或减弱侧排式油烟机的吸风量（也即增加或降低侧排式油烟机内部风扇单相异步电机转速），以及风扇电机的启动或关闭；105为油烟分离导风板；106为控制按键；107为风道。用户在炒菜过程中，无需抬头看控制面板，只需将手移动到大致的检测区域，通过手势运动，经微控制器识别并控制PWM交流功率调节电路调节风扇电机转速实现油烟机吸风量的控制。同时传统的按键方式（含感应触摸）依然可以通过微控制器外接106按键矩阵实现兼容，既可以使用手势控制也可以通过传统按键方式控制，从而实现了对用户传统习惯的兼容，也提高了系统的稳定性。

图8为集成非接触手势控制系统的转页电扇，其中201为转页电扇上安装的无线测距传感器组成的手势检测模块；202为传统的控制面板，包括调速、定时、模式切换和开关；当204用户手掌纵向或横向在203手势识别区域内移动时，微控制器通过分析无线测距传感器得到的手掌运动轨迹数据，判断用户手势意图，根据意图判断是增强或减弱风扇单相异步电机转速，从而改变风扇出风量。用户无需起身或拿遥控器，只需要手掌进入203区域内，通过手势运动，经微控制器识别并控制PWM交流功率调节电路调节风扇电机转速就可以实现在较远距离上对风扇的调速、定时、模式切换，以及风扇的启动或关闭。

图9为集成非接触手势控制系统的LED台灯，其中301为台灯底座，302为台灯传统控制面板， 304用户手在303为手势识别区域内完成特定的动作，微控制器通过无线测距传感器组成的手势检测模块305完成对304用户手动作的识别，给出对应的控制信号控制PWM LED调光驱动电路，从而实现LED台灯灯头306的开关以及对应的亮度色温的调节。手势控制方式优于传统按键或旋钮方式，控制更加简单和准确。

Claims (9)

1.一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统,包括主模块和副模块，其特征在于：所述主模块包括手势识别电路，所述副模块包括PWM交流功率调节电路、PWM LED调光驱动电路、红外遥控编码电路和继电器驱动电路；其中手势识别电路由微控制器、无线测距传感器以及晶振电路组成，晶振电路由电容与晶振组成，其中电容（C1）的一端接微控制器的晶振引脚PB7，另一端接地；电容（C2）的一端接微控制器的晶振引脚PB6，另一端接地，晶振（Y1）的一端接微控制器PB7引脚, 另一端接微控制器PB6引脚，晶振电路决定微控制器工作频率；无线测距传感器的1号引脚接电源Vcc,2号引脚接微控制器通用输入输出引脚PD4，3号引脚接微控制器通用输入输出引脚PD7，4号引脚接地，无线测距传感器用于采集手势的空间位置，实现对空间内手势动作的定位和运动轨迹跟踪，再通过微控制器决策判断处理后给出相应的控制信号；微控制器的PB3～PB1引脚为支持PWM脉宽调制信号的通用输入输出引脚，可以连接副模块中的PWM交流功率调节电路、PWM LED调光驱动电路、红外遥控编码电路，微控制器的PC0～PC5引脚为通用输入输出引脚，可连接副模块中的继电器驱动电路。

2.根据权利要求1所述一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，其特征在于：所述副模块中所包含的PWM交流功率调节电路、PWM LED调光驱动电路、红外遥控编码电路和继电器驱动电路，可根据实际控制对象的需要进行选择。

3.根据权利要求1所述一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，其特征在于：所述无线测距传感器可根据实际情况选择1个或1个以上，无线测距传感器可排列成点、直线阵、L型线阵，平面点阵，以实现对手势轨迹的采集。

4.根据权利要求1所述一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，其特征在于：所述PWM交流功率调节电路由光耦MOC3061-M、双向可控硅FKPF12N60、负载（LOAD）和外围电子元器件组成，该电路主要完成对交流负载的功率调节，其中负载可以是单向交流电驱动的电器设备；其中光耦的2号引脚接受来自手势识别电路中微控制器引脚PB3输出的PWM控制信号，4号输出引脚连接双向可控硅的控制脚，通过光电隔离实现对双向可控硅的导通角的控制，实现对交流电波峰的同步斩波，进而通过对供电功率的调节实现对负载输出功率的调节。

5.根据权利要求1所述一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，其特征在于：所述PWM LED调光驱动电路包括恒流源驱动芯片MT7201、串联的LED灯珠和外围电子元器件组成，其中恒流源驱动芯片引脚ADJ接受来自手势识别电路中微控制器引脚PB2输出的PWM控制信号，并通过PWM信号脉宽比来调节所驱动的串联LED灯珠供电电流的大小，进而实现LED灯珠发光强度的调节；根据实际需要， PWM LED调光驱动电路模块可以选择1组或多组，以实现亮度、色温和色彩的调节。

6.根据权利要求1所述一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，其特征在于：所述红外遥控编码电路包括三极管8050、红外发光二极管、电阻；三极管基极通过电阻R1连接手势识别电路中微控制器引脚PB1输出的PWM控制信号，集电极通过连接电阻R2和红外发光二极管，与电源Vcc连接，发射极接地，该电路的作用是通过PWM信号控制红外遥控编码的生成和发射，实现对家电设备的红外遥控操作。

7.根据权利要求1所述一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，其特征在于：所述继电器驱动电路包括三极管8050、继电器（J）、电阻和二极管，其中三极管基极连接手势识别电路中微控制器引脚PC0～PC5任一引脚，集电极连接继电器，通过三极管驱动继电器实现相应的开关操作。

8.根据权利要求1～7任一权利要求所述的一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，其特征在于：所述微控制器的型号为AVR公司的atmega328p-au。

9.根据权利要求1所述一种基于无线测距传感器的非接触手势控制系统，其特征在于：所述微控制器可通过通用输入输出引脚和中断引脚外接按键矩阵、旋钮开关、滑动开关实现非接触手势与传统开关操作方式功能上的兼容。

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