CN104503575B - 一种低功耗手势识别电路装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种低功耗手势识别电路装置的设计方法属于信息技术领域，涉及一种低功耗手势识别电路装置的设计方法，是一种低功耗、低成本的人机交互技术。该设计方法借助人体手势对自然空间无线信号强度的不同影响，采用智能识别软件和手势识别电路装置进行模式识别，实现智能人机交互；该设计方法中采用的手势识别电路装置由宽带全向天线、超低功耗无线接收机、多频带无线集能电路、触发唤醒电路、低功耗微处理电路、以及运行在微处理电路上的智能识别软件组成。本发明的电路多为电阻、电容、二极管等无源器件，该装置提供了一种低功耗、低成本的人机交互技术，可以应用到日益增多的采用电池供电的移动计算与移动应用领域。

Description

一种低功耗手势识别电路装置的设计方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及一种低功耗手势识别电路装置的设计方法，是一种低功耗、低成本的人机交互技术。

背景技术

随着智能电子设备的日益增多，智能人机交互技术得到广泛的研究，并已经开始应用到一些智能设备中。所谓智能人机交互，指的是人体通过一些特定的姿势和手势向机器传达特定的指令。

目前，比较成熟的智能人机交互方法是通过视频识别人体的姿势或者手势，进而实现命令的识别。相关工作，如：知名的Xbox Kinect产品，http://www.xbox.com/en-US/kinect。视频方法可以获得较好的人机交互效果，但是，视频方法需要摄像头一直开启，能量消耗较大，同时，对光线较为敏感，不具有穿透性，且成本较高。

研究人员利用人体手势对近距离电场的影响，开发了电场感应手势识别技术。相关工作，如：微芯科技(Microchip)开发的GestIC芯片，“GestIC:Electrical near field(E-field)3D Tracking and Gesture Controller”，2013，http://www.microchip.com/pagehandler/en-us/technology/gestic/home.html。电场感应的作用距离非常近，要求手势距离电场传感器10厘米以内，限制了其在某些场合的应用；同时，虽然其功耗相对于视频传感器已经降低了很多，但是，由于需要产生电场，其功耗仍然在100mW的量级，限制了该技术在移动计算等领域的应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术功耗过大的缺陷，发明一种低功耗手势识别电路装置的设计方法，该方法借助人体手势对自然环境无线信号的影响，采用低功耗电路捕获不同手势造成的不同影响，进而基于模式识别算法对手势进行识别分类。与已有技术方案相比，本发明的电路多为电阻、电容、二极管等无源器件，功率消耗仅为已有方案的几十分之一，使之可以应用到日益增多的采用电池供电的移动计算与移动应用领域，例如：手机交互、平板电脑交互、智能游戏机等。

本发明采用的技术方案是一种低功耗手势识别电路装置的设计方法，其特征是，该设计方法借助人体手势对自然空间无线信号强度的不同影响，采用智能识别软件和手势识别电路装置进行模式识别，实现智能人机交互；

智能识别软件的工作流程如下：

1)低功耗微处理电路对信号强度包络信息进行模数转换后，获得数字化的序列信息。

2)智能识别软件首先判断开始的序列数据是否是高低高低重复2次以上的唤醒命令，如果是，进行后继手势识别，如果不是，再次进入低功耗休眠模式。

3)检测到唤醒命令后，智能识别软件利用离散时间规整算法对采集的序列R以及N种手势样本序列R_i，i＝1，...，N进行似然度P_i的计算，如下：

P_i＝DTW(R，R_i） s.t. i＝1，...，N

其中，DTW(R，R_i)表示对序列R以及R_i基于时间规整算法计算的似然度。如果N个似然度P_i中最大的数值大于设定阈值H，则智能识别软件将当前时刻的手势识别为似然度P_i最大的序列对应的手势，否则，识别为未定义手势。然后，进行下一手势的识别。如果连续3次识别为未定义手势，则重新进入低功耗休眠模式；

信号接收过程如下：

1)自然空间无线信号首先被宽带全向天线接收之后，送入超低功耗无线接收机和多频带无线集能供电电路；送入超低功耗无线接收机的无线信号进行包络检波解调，信号强度包络信息被保留，高频信息被滤除；送入多频带无线集能供电电路的无线信号被多级倍压整流后转化为直流能量存储到电容器中，以便为低功耗微处理电路供电；

2)触发唤醒电路检测信号强度包络信息的变化，当发生较大改变时，触发微处理电路进入工作模式；

3)低功耗微处理电路一旦被唤醒，将对信号强度包络信息进行模数转换，之后，判断是否为唤醒命令，如果是，将接着采集数据序列并进行手势识别，否则，重新进入休眠。

一种低功耗手势识别电路装置的设计方法，其特征是，该设计方法中采用的手势识别电路装置由宽带全向天线1、超低功耗无线接收机2、多频带无线集能电路3、触发唤醒电路4、低功耗微处理电路5、以及运行在微处理电路上的智能识别软件6组成；该装置基于离散时间规整算法对采集的信号强度序列进行识别分析；

超低功耗无线接收机2由二极管、电容、电阻构成，自身不消耗能量；该接收机实现对自然空间无线信号包络的解调，获取对后继识别处理有用的信号强度信息；

多频带无线集能电路3通过多级倍压整流原理可以将自然空间无线信号的能量转化为直流能量，从而可以在必要的时候为该装置供电，实现装置的自供电。该多频带无线集能电路可同时收集多个频带的无线信号能量，同时，可实现各频带转化的直流电平的叠加，从而提高了能量转换效率；

触发唤醒电路4通过均值处理电路和比较电路，在信号强度偏离均值较大的时候产生唤醒脉冲，从而触发低功耗微处理电路进入工作模式，对信号强度信息进行采样和识别操作；

低功耗微处理电路5平时处于节能休眠状态，当被触发唤醒电路唤醒时，对接收机解调的信号强度信息进行模数转换，获取采样序列；之后，首先判断是否是唤醒命令，如果是，则处理器上运行的智能识别软件基于离散时间规整算法对当前的手势进行识别，否则，重新进入节能休眠状态；

智能识别软件6将高低高低连续两次以上的变化定义为唤醒信号，当接收到有效的唤醒信号之后开始识别操作。

本发明的有益效果是利用自然环境无线信号实现对人体手势的识别，无线信号具有穿透性无需发送信号，功耗低，装置体积较小，可以方便的安装到手机、PDA等移动设备上。因此，该装置在有遮挡的情况下仍然可以完成手势识别。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图，图中：1-宽带全向天线、2-超低功耗无线接收机、3-多频带无线集能电路、4-触发唤醒电路、5-低功耗微处理电路、6-智能识别软件。

图2为本发明装置的工作流程图，图3为超低功耗无线接收机，图4为多频带无线集能电路，图5为触发唤醒电路。其中，C1-C8为电容，D1-D11为二极管，R1-R2为电阻。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图具体详细阐述本发明的具体实施。

实施例采用图1所示的系统结构框图。电路装置的构成如下：宽带全向天线频段覆盖整个手势识别电路装置的工作频段，且是全向天线。超低功耗无线接收机由无源器件：二极管、电容、电阻构成，自身不消耗能量。该接收机实现对自然空间无线信号包络的解调，获取对后继识别处理有用的信号强度信息。多频带无线集能供电电路通过多级倍压整流原理可以将自然空间无线信号的能量转化为直流能量，从而可以在必要的时候为该装置供电，实现装置的自供电。该多频带无线集能供电电路可同时收集多个频带的无线信号能量，同时，可实现各频带转化的直流电平的叠加，从而提高了能量转换效率。触发唤醒电路通过均值处理电路和比较电路，在信号强度偏离均值较大的时候产生唤醒脉冲，从而触发低功耗微处理电路进入工作模式，对信号强度信息进行采样和识别操作。低功耗微处理电路平时处于节能休眠状态，当被触发唤醒电路唤醒时，对接收机解调的信号强度信息进行模数转换，获取采样序列。之后，首先判断是否是唤醒命令，如果是，则处理器上运行的智能识别软件基于离散时间规整算法对当前的手势进行识别，否则，重新进入节能休眠状态。实施例的具体参数是宽带全向天线1采用频率范围800MHz至2.5GHz的宽带平板天线，增益+3dBm；超低功耗无线接收机2采用由二极管、电容、电阻组成的包络检波接收机，具体电路结构见图3，其中，二极管选用安捷伦公司的HSMS2852，R1＝150K，R2＝10M，C1＝27nF，C2＝0.2uF；多频带无线集能电路3采用由二极管、电容组成的2级倍压整流电路组成，分别调谐在900MHz以及2.4GHz，将两个频带的无线能量转化为直流能量存储，具体电路参数和电路结构见图4，其中，二极管D1至D11全部采用安捷伦公司的HSMS2852，电容C1至C8均采用100pf电容；触发唤醒电路4由均值处理电路与比较器组成，具体电路结构见图5，其中均值滤波电路利用RC网络获得信号均值，之后，采用意法半导体的TS881超低功耗比较器将输入信号与均值进行比较，当变动过大时产生唤醒触发信号，触发微处理器工作。

低功耗微处理电路5由德州仪器公司超低功耗微处理器MSP430F5438组成，内置10位模数转换器，实现对信号包络强度信息的数字化处理，以及基于采集的信号强度序列利用智能识别软件6实现对手势的识别。

一种低功耗手势识别电路装置，其特征在于：该装置通过由二极管、电容、电阻构成的无源无线接收机接收信号强度包络，接收电路自身不消耗能量；该装置采用多频带无线集能供电电路收集自然空间无线信号能量，必要时可为该装置供电；该装置基于离散时间规整算法对采集的信号强度序列进行识别分析。

智能识别软件将高低高低连续两次以上的变化定义为唤醒信号，当接收到有效的唤醒信号之后开始识别操作。因此，人在手势识别前，需要连续进行两次以上的手靠近识别装置后再远离识别装置的操作，从而激活该识别电路装置。智能识别软件基于离散时间规整算法，对采集的信号强度序列进行识别。如果连续3次识别到的手势为未定义手势，则重新进入休眠节能状态。智能识别软件的工作流程如下：

1)低功耗微处理电路对信号强度包络信息进行模数转换后，获得数字化的序列信息。

2)智能识别软件首先判断开始的序列数据是否是高低高低重复2次以上的唤醒命令，如果是，进行后继手势识别，如果不是，再次进入低功耗休眠模式。

3)检测到唤醒命令后，智能识别软件利用离散时间规整算法对采集的序列R以及N种手势样本序列R_i，i＝1，...，N进行似然度P_i的计算，如下：

P_i＝DTW(R，R_i） s.t. i＝1，...，N

其中，DTW(R，R_i)表示对序列R以及R_i基于时间规整算法计算的似然度，如果N个似然度P_i中最大的数值大于设定阈值H，则智能识别软件将当前时刻的手势识别为似然度P_i最大的序列对应的手势，否则，识别为未定义手势。然后，进行下一手势的识别。如果连续3次识别为未定义手势，则重新进入低功耗休眠模式。

该手势识别装置可识别距离该装置30厘米的手势，采用8种不同的手势进行识别测试，识别正确率可达95％以上。该装置唤醒工作时的功耗为3mW，休眠时的功耗仅为8uW。

Claims (2)

1.一种低功耗手势识别电路装置的设计方法，其特征是，该设计方法借助人体手势对自然空间无线信号强度的不同影响，采用智能识别软件和手势识别电路装置进行模式识别，实现智能人机交互；

智能识别软件的工作流程如下：

1)低功耗微处理电路对信号强度包络信息进行模数转换后，获得数字化的序列信息；

2)智能识别软件首先判断开始的序列信息是否是高低高低重复2次以上的唤醒命令，如果是，进行后继手势识别，如果不是，再次进入低功耗休眠模式；

3)检测到唤醒命令后，智能识别软件利用离散时间规整算法对采集的序列信息R以及N种手势样本序列信息R_i，i＝1，...，N进行似然度P_i的计算，如下：

P_i＝DTW(R，R_i) s.t. i＝1，...，N

其中，DTW(R，R_i)表示对序列信息R以及R_i基于时间规整算法计算的似然度；

如果N个似然度P_i中最大的数值大于设定阈值H，则智能识别软件将当前时刻的手势识别为似然度P_i最大的序列信息对应的手势，否则，识别为未定义手势；然后，进行下一手势的识别；如果连续3次识别为未定义手势，则重新进入低功耗休眠模式；

信号接收过程如下：

1)自然空间无线信号首先被宽带全向天线接收之后，送入超低功耗无线接收机和多频带无线集能供电电路；送入超低功耗无线接收机的无线信号进行包络检波解调，信号强度包络信息被保留，高频信息被滤除；送入多频带无线集能供电电路的无线信号被多级倍压整流后转化为直流能量存储到电容器中，以便为低功耗微处理电路供电；

2)触发唤醒电路检测信号强度包络信息的变化，当发生较大改变时，触发低功耗微处理电路进入工作模式；

3)低功耗微处理电路一旦被唤醒，将对信号强度包络信息进行模数转换，之后，判断是否为唤醒命令，如果是，将接着采集数据序列信息并进行手势识别，否则，重新进入休眠。

2.如权利要求1所述的一种低功耗手势识别电路装置的设计方法，其特征是，该设计方法中采用的手势识别电路装置由宽带全向天线(1)、超低功耗无线接收机(2)、多频带无线集能电路(3)、触发唤醒电路(4)、低功耗微处理电路(5)、以及运行在低功耗微处理电路上的智能识别软件(6)组成；

超低功耗无线接收机(2)由二极管、电容、电阻构成包络检波接收机；多频带无线集能电路(3)采用由二极管、电容组成的2级倍压整流电路，将两个频带的无线能量转化为直流能量存储；触发唤醒电路(4)由均值处理电路与比较器组成；其中，均值处理电路利用RC网络获得信号均值；多频带无线集能电路收集自然空间无线信号能量，必要时为该装置供电；

智能识别软件(6)将高低高低连续两次以上的变化定义为唤醒信号，当接收到有效的唤醒信号之后开始识别操作。