CN103713536B - 一种基于超声定位的3d手势识别控制器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种基于超声定位的3D手势识别控制器及方法，控制器包括：信号采集电路和定位与识别单元；方法包括：采集背景信号并滤波；采集发射超声波信号，对采集的数据进行滤波，并使滤波后的数据减去背景信号滤波后的数据；截取直射信号与反射信号，对直射信号与反射信号间的时间延时进行最大拟然估计；通过直射时间与延时时间获得超声波信号传播时间，根据超声波传播时间得到超声波从发射探头发射经手反射到达接收探头的传播距离依此获得手势位置坐标，采集标准手势位置坐标数据并保存；计算数据表中的样本与所有标准手势坐标间的距离；分析数据表中的样本与标准手势坐标间的最小距离是否小于给定值，是，输出对应的标注手势；否则不做判定。

Description

一种基于超声定位的3D手势识别控制器及方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声定位的3D手势识别控制器及实现方法，可用于智慧家庭中家居设备控制、工业设备的手势控制，也可作为一种人机接口。

背景技术

智慧家庭是未来发展趋势，现在智慧家庭中用到的家居设备主要通过按钮，遥控器控制和接触式手势识别控制，其特点都是需要接触特定的物体。随着家居设备的增多，按钮和遥控器的数量增多，需要记忆的操作模式增多。目前用超声定位进行手势识别的方案需要有发射或者接收器在手中，为接触式手势识别控制。

鼠标能测量平面位置移动和发出简单按键信号，但鼠标需要用手接触控制，并且需要平整的鼠标垫；这样鼠标无法随时随地的用于人机接口，如在厨房或者在工业现场难以用鼠标作为人机接口。

基于视觉的手势识别方法简便易行，设备成本低廉，属于非接触式的手势识别，但二维图像没有深度信息，图像上的手和背景难以进行区分。如果使用立体扫描的方法，则系统结构复杂，数据量大，不适合在小型的家居设备或者工控设备上运行。

发明内容

鉴为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种基于超声定位的3D手势识别控制器及实现方法，该控制器和实现方法可以实现手势位置的测量，包括收到控制器的距离和控制器平行平面上的坐标；根据手势位置的变化识别手势；使用简便，成本低廉。所述技术方案如下：

一种基于超声定位的3D手势识别控制器，包括：

信号采集电路和定位与识别单元；所述

信号采集电路，包括超声波收发阵列、发射电路、接收电路和升压电源；

定位与识别单元，包括位置测量单元和手势识别单元；

所述位置测量单元，包括关闭接收探头，用于采集超声背景信号和发射的超声波信号，并通过发射的超声波信号和超声背景信号得到测量信号；及

截取时间段内的测量信号为直射信号和反射信号，对直射信号与反射信号间的延时进行最大拟然估计，通过直射时间与延时时间获得超声波信号传播时间，根据超声波传播时间得到超声波从发射探头发射经手反射到达接收探头的传播距离，根据所述传播距离获得手势位置坐标并保存；所述手势位置坐标包括多组；

所述手势识别单元，用于对获取的多组手势位置坐标求平均得到手势的位置并采集标准手势位置坐标序列并保存，对获取的手势坐标序列与标准手势坐标序列进行识别。

一种基于超声定位的3D手势识别方法，包括：

采集背景信号并滤波；

采集发射超声波信号，对采集的数据进行滤波，并使滤波后的数据减去背景信号滤波后的数据；

截取直射信号与反射信号，对直射信号与反射信号间的时间延时进行最大拟然估计；

通过直射时间与延时时间获得超声波信号传播时间，根据超声波传播时间得到超声波从发射探头发射经手反射到达接收探头的传播距离；

通过所述传播距离获得手势位置坐标，采集标准手势位置坐标数据并保存；

计算数据表中的样本与所有标准手势坐标间的距离；

分析数据表中的样本与标准手势坐标间的最小距离是否小于给定值，是，输出对应的标注手势；否则不做判定。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

改进升压电路，使得升压电路高效且驱动能力大，设计快速消振电路，减小了超声波测量盲区；使用了对数放大器，可接收大动态信号；

通过关闭接收探头获取背景信号，每次测量值都减去背景信号的方法，消除了背景信号的干扰，突出了直射信号与反射信号。

通过截取直射信号与反射信号，对两个信号延时做最大似然估计，可准确确定回波时间点；使用粗迭代与细迭代相结合的方法提高了延时最大似然方程的求解速度；对反射波飞行距离进行分组求解然后平均，使得手势位置稳定，准确。

使用最近邻法进行手势识别，并对样本间的距离做了简单合理的定义。

手运动姿势包括平行和垂直控制器平面手势，有左右，前后，上下，顺时针画圈，逆时针画圈，往复，及这些手势可能的组合，操控简单，可以对家居设备，工业设备，电脑进行控制，且该控制器坚固耐用。

附图说明

图1是基于超声定位的3D手势识别控制器结构图；

图2是基于超声定位的3D手势识别控制器升压电源电路图；

图3是基于超声定位的3D手势识别控制器发射电路图；

图4是基于超声定位的3D手势识别控制器接收电路图；

图5是基于超声定位的3D手势识别控制器的定位算法流程图。

具体实施例

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明专利作进一步地详细描述。

本发明提供了一种基于超声定位的3D手势识别控制器，所述控制器包括：信号采集电路和定位与识别单元；所述

信号采集电路，包括超声波收发阵列、发射电路、接收电路和升压电源；

定位与识别单元，包括位置测量单元和手势识别单元；

所述位置测量单元，包括关闭接收探头，用于采集超声背景信号和发射的超声波信号，并通过发射的超声波信号和超声背景信号得到测量信号；及

截取时间段内的测量信号为直射信号和反射信号，对直射信号与反射信号间的延时进行最大拟然估计，通过直射时间与延时时间获得超声波信号传播时间，根据超声波传播时间得到超声波从发射探头发射经手反射到达接收探头的传播距离，根据所述传播距离获得手势位置坐标并保存；所述手势位置坐标包括多组；

所述手势识别单元，用于对获取的多组手势位置坐标求平均得到手势的位置并采集标准手势位置坐标序列并保存，对获取的手势坐标序列与标准手势坐标序列进行识别。

手到发射点和接收点距离之和用超声飞行时间法测量；所述飞行时间法是通过测量直射信号与反射信号延时加上直射信号传播时间的方法间接测量；本方法测量得到反射波所用时间，由于声速不变，可根据反射波所用时间计算反射波的总路程，如图1所示，反射探头在原点坐标为（0,0,0），接收探头在四周成对称位置排列坐标为(Rcosθ,Rsinθ,0)，(-Rcosθ,Rsinθ,0)，(-Rcosθ,-Rsinθ,0)，(Rcosθ,-Rsinθ,0)。

上述超声波收发阵列由一个发射探头和四个接收探头组成，四个接收探头以发射探头为圆心R为半径的圆上对称安装。

上述发射电路具有快速消除余振的功能，由H桥进行发射功率放大，变压器进行升压，串联二极管进行余振阻断，当发射完毕时打开PhotoMOS继电器，进行消除余振（如图3所示）。所述的发射电路由图2所示产生的升压电源进行供电，该升压电源使用了PT4101升压芯片，并改进部分电路；所述改进部分为芯片“SW”引脚与地之间接入一个串联谐振电路，先接电容，后串联电感到地，电容与电感的连接处接二极管输出，电容大小为5nF，电感大小为4.7uH。

上述接收电路为具有接收任意时间点超声强度且大动态输入的电路，如图4所示，接收信号C1用差分方式输入模拟开关C2，对模拟开关输出信号进行差分放大C3和带通滤波C4，对滤波输出信号进行对数放大C5，最后通过运放跟随器C6输出给AD进行采样；所述接收电路用5V单电源供电，用运放构建2.5V的“虚地”，对数放大C5的差分输入端，一端接入滤波器C4输出信号，另一端接“虚地”。开机时关闭接收探头开关A_SW，发送超声信号并采集；把此次采集得到的信号进行数字滤波，作为背景信号保存；设背景信号为S_b1,S_b2,S_b3,S_b4。

本实施例还提供了一种基于超声定位的3D手势识别方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤10采集背景信号并滤波；

步骤20采集发射超声波信号，对采集的数据进行滤波，并使滤波后的数据减去背景信号滤波后的数据；

步骤30截取直射信号与反射信号，对直射信号与反射信号间的时间延时进行最大拟然估计；

步骤40通过直射时间与延时时间获得超声波信号传播时间，根据超声波传播时间得到超声波从发射探头发射经手反射到达接收探头的传播距离，

步骤50通过所述传播距离获得手势位置坐标，采集标准手势位置坐标数据并保存；

步骤60计算数据表中的样本与所有标准手势坐标间的距离；

步骤70分析数据表中的样本与标准手势坐标间的最小距离是否小于给定值，是，输出对应的标注手势；否则不做判定。

上述背景信号的采集是在关闭探头后进行。在打开接收探头后，发射超声波并采集，对采集得到信号进行数字滤波；得到信号设为：S₁,S₂,S₃,S₄；把该信号与背景信号相减，即S₁-S_b1,S₂-S_b2,S₃-S_b3,S₄-S_b4，得到测量信号，设为：S_x1,S_x2,S_x3,S_x4。

因为直射信号产生的时间固定为式中R为发射探头到接收探头的直线距离，t_l为超声信号发射时间；截取该段时间内的测量信号为直射信号设为：S_xd1,S_xd2,S_xd3,S_xd4；因为反射信号到达时间大于直射信号，可截取时间大于的测量信号为反射信号设为：S_xb1,S_xb2,S_xb3,S_xb4；根据延时的最大拟然估计方程：可用迭代法求得延时τ。使用粗迭代与细迭代相结合的办法加快求解速度，首先对S_xb,S_xd中每h个点抽取一个点得到两个新采样信号S_xbn,S_xdn，根据最大拟然估计方程求解延时τ；然后用原反射信号S_xb在[τ-h,τ+h]时间范围内再次求解延时的最大拟然估计方程得到精确的延时值τ。根据四个探头接收到的信号可求得τ₁,τ₂,τ₃,τ₄。加上直射使用的时间则反射波经历时间为：根据声速为340m/s，则反射波经历距离为：τ₁*340+R,τ₂*340+R,τ₃*340+R,τ₄*340+R。根据该距离与接收探头在四周成对称位置排列坐标确定坐标方程：

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x-R\cos \mathrm{\θ})}^2+{(y-R\sin \mathrm{\θ})}^2+z^2}=t_{x1}*340---\left(1\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x+R\cos \mathrm{\θ})}^2+{(y-R\sin \mathrm{\θ})}^2+z^2}=t_{x2}*340---\left(2\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x+R\cos \mathrm{\θ})}^2+{(y+R\sin \mathrm{\θ})}^2+z^2}=t_{x3}*340---\left(3\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x-R\cos \mathrm{\θ})}^2+{(y+R\sin \mathrm{\θ})}^2+z^2}=t_{x4}*340---\left(4\right)$

以上四个方程每三个一组可解得一组坐标，这样可解的三组坐标：(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)，用平均法求得手势位置为：

$(\frac{x_1+x_2+x_3}{3},\frac{y_1+y_2+y_3}{3},\frac{z_1+z_2+z_3}{3}).$

在存储区获取一数据表D[n]，定时测量手势位置并依此保存在D[n]中。当D[n]装满时操作指针指向D[1]继续操作；根据操作指针的位置可知数据表中最近存入数据与最原始数据。

通过上述过程扫描标准手势，并保存在数据表P₁[n],P₂[n],P₃[n],……；求标准手势P[n]与D[n]之间的距离，计算方法为：

对数据表D[n]中的数据按照存储时间排序得到新的数据表E[n]；

取出标准手势P[n]中的P[1]，并在E[n]中搜索最接近的坐标E[a₁]，求得P[1]与E[a₁]两点间的距离d₁；

取出标准手势样本P[i]，并在E[a_i-1]至E[n]中搜索最接近的坐标E[i]，求的P[i]与坐标E[i]两点之间的距离d_i；重复该步骤，直至求出标准手势样本P[i]内每个坐标与E[i]的最近距离；

将P[i]内每个坐标最近距离相加得到总的距离R＝d₁+d₂+……d_n；

求出每个标准样本到E[n]的总距离，分别为R_pd1,R_pd2,……；

取出最小的总距离R_pdx，设定一个最小的距离R_max，当R_pdx<R_max时，判定手势为P_x[n]对应的标准手势；当R_pdx>R_max时，不做判断。

上述判定得到的标准手势通过识别控制器的通讯单元输出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于超声定位的3D手势识别控制器，其特征在于，所述控制器包括：信号采集电路和定位与识别单元；所述

信号采集电路，包括超声波收发阵列、发射电路、接收电路和升压电源；

定位与识别单元，包括位置测量单元和手势识别单元；

所述位置测量单元，包括关闭接收探头，用于采集超声背景信号和发射的超声波信号，并通过发射的超声波信号和超声背景信号得到测量信号；及

截取时间段内的测量信号为直射信号和反射信号，对直射信号与反射信号间的延时进行最大似然估计，通过直射时间与延时时间获得超声波信号传播时间，根据超声波传播时间得到超声波从发射探头发射经手反射到达接收探头的传播距离，根据所述传播距离获得手势位置坐标并保存；所述手势位置坐标包括多组；

所述手势识别单元，用于对获取的多组手势位置坐标求平均得到手势的位置并采集标准手势位置坐标序列并保存，对获取的手势坐标序列与标准手势坐标序列进行识别；

对所述对直射信号与反射信号间的延时进行最大似然估计具体包括：以发射时刻为时间零点，截取在时间段内测量信号为直射波信号，式中R为发射探头到接收探头的直线距离，t_l为超声信号发射时间；根据延时的最大似然估计方程：式中x(t)为反射信号，s(t)为直射波信号，τ为延时大小；使用迭代法求解延时τ。

2.根据权利要求1所述的基于超声定位的3D手势识别控制器，其特征在于，所述超声波收发阵列由一个发射探头和四个接收探头组成；所述四个接收探头平均分布在以发射探头为圆心的圆上。

3.根据权利要求1所述的基于超声定位的3D手势识别控制器，其特征在于，所述关闭接收探头在开机时发射超声信号并采集接收信号，其中，采集接收信号先滤波再保存为背景信号。

4.根据权利要求1所述的基于超声定位的3D手势识别控制器，其特征在于，所述超声波从发射探头发射经手反射到接收探头总路程所用时间为： $t_x=\mathrm{\&tau;}+\frac{R}{340}.$

5.根据权利要求1所述的基于超声定位的3D手势识别控制器，其特征在于，所述手势坐标是：将超声从发射探头经手每三个反射到达接收探头所用时间(t_x1，t_x2，t_x3，t_x4)每三个分为一组，并分为三组求解得到；发射探头坐标为(0,0,0)，四个接收探头坐标为(Rcosθ,Rsinθ,0)，(-Rcosθ,Rsinθ,0)，(-Rcosθ,-Rsinθ,0)，(Rcosθ,-Rsinθ,0)，手位置坐标为(x,y,z)，按以下四个方程中任意三个可通过算法求解一个手位置坐标，所述方程为：

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x-Rcos\mathrm{\&theta;})}^2+{(y-Rsin\mathrm{\&theta;})}^2+z^2}=t_{x1}*340---\left(1\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x+Rcos\mathrm{\&theta;})}^2+{(y-Rsin\mathrm{\&theta;})}^2+z^2}=t_{x2}*340---\left(2\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x+Rcos\mathrm{\&theta;})}^2+{(y+Rsin\mathrm{\&theta;})}^2+z^2}=t_{x3}*340---\left(3\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x-Rcos\mathrm{\&theta;})}^2+{(y+Rsin\mathrm{\&theta;})}^2+z^2}=t_{x4}*340---\left(4\right)$

并将方程分为每三个一组解的一组坐标，共解的三组坐标：(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)，用平均法求得手势位置为： $(\frac{x_1+x_2+x_3}{3},\frac{y_1+y_2+y_3}{3},\frac{z_1+z_2+z_3}{3}).$

6.一种基于超声定位的3D手势识别方法，其特征在于，所述方法包括：

采集背景信号并滤波；

采集发射超声波信号，对采集的数据进行滤波，并使滤波后的数据减去背景信号滤波后的数据；

截取直射信号与反射信号，对直射信号与反射信号间的时间延时进行最大似然估计；

通过直射时间与延时时间获得超声波信号传播时间，根据超声波传播时间得到超声波从发射探头发射经手反射到达接收探头的传播距离；

通过所述传播距离获得手势位置坐标，采集标准手势位置坐标数据并保存；

计算数据表中的样本与所有标准手势坐标间的距离；

分析数据表中的样本与标准手势坐标间的最小距离是否小于给定值，是，输出对应的标注手势；否则不做判定；

对所述对直射信号与反射信号间的延时进行最大似然估计具体包括：以发射时刻为时间零点，截取在：时间段内测量信号为直射波信号，式中R为发射探头到接收探头的直线距离，t_l为超声信号发射时间；根据延时的最大似然估计方程：式中x(t)为反射信号，s(t)为直射波信号，τ为延时大小；使用迭代法求解延时τ。

7.根据权利要求6所述的基于超声定位的3D手势识别方法，其特征在于，所述手势坐标是：将超声从发射探头经手每三个反射到达接收探头所用时间(t_x1，t_x2，t_x3，t_x4)每三个分为一组，并分为三组求解得到；发射探头坐标为(0,0,0)，四个接收探头坐标为(Rcosθ,Rsinθ,0)，(-Rcosθ,Rsinθ,0)_，(-Rcosθ,-Rsinθ,0)，(Rcosθ,-Rsinθ,0)，手位置坐标为(x,y,z)，按以下四个方程中任意三个可通过算法求解一个手位置坐标，所述方程为：

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x-Rcos\mathrm{\&theta;})}^2+{(y-Rsin\mathrm{\&theta;})}^2+z^2}=t_{x1}*340---\left(1\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x+Rcos\mathrm{\&theta;})}^2+{(y-Rsin\mathrm{\&theta;})}^2+z^2}=t_{x2}*340---\left(2\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x+Rcos\mathrm{\&theta;})}^2+{(y+Rsin\mathrm{\&theta;})}^2+z^2}=t_{x3}*340---\left(3\right)$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}+\sqrt{{(x-Rcos\mathrm{\&theta;})}^2+{(y+Rsin\mathrm{\&theta;})}^2+z^2}=t_{x4}*340---\left(4\right)$

并将方程分为每三个一组解的一组坐标，共解的三组坐标：(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)，用平均法求得手势位置为： $(\frac{x_1+x_2+x_3}{3},\frac{y_1+y_2+y_3}{3},\frac{z_1+z_2+z_3}{3}).$

8.根据权利要求6所述的基于超声定位的3D手势识别方法，其特征在于，所述数据表中的样本与所有标准手势坐标间的距离计算方法包括：

对数据表D[n]中的数据按照存储时间排序得到新的数据表E[n]；

取出标准手势P[n]中的P[1]，并在E[n]中搜索最接近的坐标E[a₁]，求得P[1]与E[a₁]两点间的距离d₁；

取出标准手势样本P[i]，并在E[a_i-1]至E[n]中搜索最接近的坐标E[i]，求的P[i]与坐标E[i]两点之间的距离d_i；重复该步骤，直至求出标准手势样本P[i]内每个坐标与E[i]的最近距离；

将P[i]内每个坐标最近距离相加得到总的距离R＝d₁+d₂+……d_n；

求出每个标准样本到E[n]的总距离，分别为R_pd1,R_pd2,……；

取出最小的总距离R_pdx，设定一个最小的距离R_max，当R_pdx<R_max时，判定手势为P_x[n]对应的标准手势；当R_pdx>R_max时，不做判断。