CN105320257B - 非触摸式远程手势控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非触摸式远程手势控制器。本控制器使用光电管阵列检测手势信息，中央控制器控制数模转换电路完成对光电管阵列信号的采集，然后对得到的数字信号进行信号处理，从而在非触摸方式下完成对使用者手势的初步识别。最后通过数据接口与电脑连接，将采集到的数据及识别结果上传至电脑，通过上位机程序对数据进行实时处理。本发明提供了一种非触摸式，可扩展，低成本系统，适用于卫生要求高等不适合直接接触的场合，也适用于某些成本敏感的物联网应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别是一种人机交互系统。
背景技术
在物联网快速发展的如今，鉴于新一代智能人机交互(HCI)系统的应用需要，体感信息采集与检测被越来越多地应用于各种控制场所。手势控制是最常用也是最友好的方式，其中，非触摸式手势控制由于其非直接物理接触的特点，可以应用在诸如医院、卫生间、等对卫生性要求较高的公共场所。目前，市场上和实验室里已有的手势识别系统主要分为基于数据手套和基于计算机视觉的交互系统,如文献“Gesture Recognition:A Survey”(Mitra S,Acharya T.IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,2007,37(3):311-324)所述，基于数据手套的系统穿戴复杂，价格昂贵，大量推广比较困难；而基于视觉的手势识别系统，如文献“基于DGMM的中国手语识别系统”(吴江琴，高文。计算机研究与发展，200D，37(5)：551-558)所述，其算法复杂、难于移植到物联网相关的微小系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非触摸式远程手势控制器，解决了手势识别器价格昂贵，穿戴复杂等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种非触摸式远程手势控制器，包括光电采集处理电路、A/D转换电路、中央控制器核心电路和数据传输电路；光电采集处理电路包括光电管采集电路、光电管采集电路电压跟随器、模拟通道选择电路、光电管参考电路、光电管参考电路电压跟随器、减法电路。
光电管采集电路输出端与光电管采集电路电压跟随器相连，光电管参考电路输出端与光电管参考电路电压跟随器相连，光电管采集电路电压跟随器输出端与模拟通道选择电路相连，模拟通道选择电路输出端和光电管参考电路电压跟随器输出端与减法电路相连，减法电路输出与A/D转换电路相连，A/D转换电路输出端与中央控制器核心电路相连，中央控制器核心电路输出与数据传输电路相连。
手在光电管采集电路上方挥动时，光电管采集电路产生的电流型模拟信号首先经过光电管采集电路电压跟随器转成电压型模拟信号，然后进入模拟通道选择电路进行选通，选通后电压型模拟信号输入减法电路，光电管参考电路产生参考电流型模拟信号，经光电管参考电路电压跟随器输出的参考电压型模拟信号，并输入减法电路，在减法电路中上述电压型模拟信号和参考电压型模拟信号相减，相减后的电压输入A/D转换电路转换成数字信号，并由中央控制电路处理得到手势信号，最后由数据传输电路将处理完的数据上传到上位机。
上述光电管采集电路包括N路完全相同的光电管采集子电路，按照m行，n列进行排布，m≥6，n≥10，N≥60，光电管参考电路包括至少1路光电管。
上述光电管采集电路与光电管参考电路所处光照环境一致，且光电管参考电路位于光电管采集电路外。
上述中央控制器核心电路包括时钟电路、中央控制器、退耦电路和配置电路，时钟电路为中央控制器提供稳定的全局系统时钟；退耦电路保证电源为中央控制器提供稳定的电压；配置电路保证中央控制器在掉电时，不丢失数据。
上述数据传输电包括蓝牙接口，WIFI接口，USB芯片和USB接口；蓝牙接口为系统提供蓝牙接入；WIFI接口为系统提供WIFI接入；USB芯片与USB接口为系统提供有线USB接入。
光电管采集电路的光电管采集子电路的光电管包括光电接收管和光电发射管两部分，光电接收管和光电发射管紧挨放置于同一平面。上述手势信号是光电接收管接收因人手遮挡而反射光电发射管发射的红外线产生的，手势信号的大小由人手与光电管采集电路之间的距离决定。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明通过光电阵列将光强信息转为电压信号，成本低廉，易于量产；(2)通过FPGA将电压信号按序采集，这样采集到完整的手势信号，其中包含了手势的高低与位置信息，上位机应用程序根据控制信号做出相应响应，算法相对简单，易于移植；(3)通过WIFI、USB、蓝牙等接口将控制信号发送至上位机，实现与物联网微系统无缝连接，大大增加了本装置的适用范围和实用性。
附图说明
图1为本发明的非触摸式远程手势控制器整体示意图。
图2本发明的非触摸式远程手势控制器的中央控制器核心电路示意图。
图3本发明的非触摸式远程手势控制器的数据传输电路示意图。
图4本发明的非触摸式远程手势控制器的光电采集处理电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种非触摸式远程手势控制器，包括光电采集处理电路、A/D转换电路7、中央控制器核心电路8和数据传输电路9；光电采集处理电路包括光电管采集电路1、光电管采集电路电压跟随器2、模拟通道选择电路3、光电管参考电路4、光电管参考电路电压跟随器5、减法电路6。
以60路光电管采集子电路，控制赛车游戏为例：
光电管采集电路1包括60路完全相同的光电管采集子电路，按照6行，10列进行排布，光电管参考电路4包括4路光电管，光电管采集电路1与光电管参考电路4所处光照环境一致，且光电管参考电路4位于光电管采集电路1外。
光电管采集电路1输出端与光电管采集电路电压跟随器2相连，光电管参考电路4输出端与光电管参考电路电压跟随器5相连，光电管采集电路电压跟随器2输出端与模拟通道选择电路3相连，模拟通道选择电路3输出端和光电管参考电路电压跟随器5输出端与减法电路6相连，减法电路6输出与A/D转换电路7相连，A/D转换电路7输出端与中央控制器核心电路8相连，中央控制器核心电路8输出与数据传输电路9相连。
结合图2，中央控制器核心电路8包括时钟电路10、中央控制器11、退耦电路12和配置电路13，时钟电路10为中央控制器11提供稳定的50MHz全局系统时钟；退耦电路12保证电源为中央控制器11提供稳定的3.3V主电压、2.5V辅助电压、1.2V内核电压；配置电路13为中央控制器11存储可执行程序，使得数据掉电不丢失。
结合图3，数据传输电路9包括蓝牙接口14，WIFI接口15和USB接口16。蓝牙接口14为系统提供蓝牙接入；WIFI接口15为系统提供WIFI接入；USB接口16为系统提供有线USB接入。
光电管采集电路1采集手势信号，经光电管采集电路电压跟随器2、模拟通道选择电路3、光电管参考电路4、光电管参考电路电压跟随器5后与光电管参考电路4输出的电压型模拟信号进行相减，去除环境的影响。再经A/D转换电路7、中央控制器核心电路8和数据传输电路9将手势信号传至上位机，由上位机进行处理。如在赛车控制时，上位机通过检测左右半平面电压信号平均值来确定左右手的高度，左手高，则控制游戏中的赛车右转；右手高，则控制游戏中的赛车左转。
结合图4，光电管采集子电路包括光电管U1、第一四路运算放大器U2、八路数据选通器U3、第二四路运算放大器U4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，第一电阻R1为光电管发射限流电阻，第二电阻R2为光电管接收管上拉电阻，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6与第四器件U4构成减法器。光电管U1输出电流型信号，并输入第一四路运算放大器U2转换成电压信号IR_OUT1，第一四路运算放大器U2的输出信号IR_OUT1输入到八路数据选通器U3，在控制信号CD_EN1,CD1_S0,CD1_S1,CD1_S2控制下，由CD_OUT1输出到第二四路运算放大器U4，并与参考电压IR_REF相减，AD_IN1为相减之后的电压信号。
上述光电管采集电路1的光电管采集子电路的光电管包括光电接收管和光电发射管两部分，光电接收管和光电发射管紧挨放置于同一平面。上述手势信号是光电接收管接收因人手遮挡而反射光电发射管发射的红外线产生的，手势信号的大小由人手与光电管采集电路1之间的距离决定。
Claims (5)
1.一种非触摸式远程手势控制器，其特征在于：包括光电采集处理电路、A/D转换电路（7）、中央控制器核心电路（8）和数据传输电路（9）；光电采集处理电路包括光电管采集电路（1）、光电管采集电路电压跟随器（2）、模拟通道选择电路（3）、光电管参考电路（4）、光电管参考电路电压跟随器（5）、减法电路（6）；
光电管采集电路（1）输出端与光电管采集电路电压跟随器（2）相连，光电管参考电路（4）输出端与光电管参考电路电压跟随器（5）相连，光电管采集电路电压跟随器（2）输出端与模拟通道选择电路（3）相连，模拟通道选择电路（3）输出端和光电管参考电路电压跟随器（5）输出端与减法电路（6）相连，减法电路（6）输出端与A/D转换电路（7）相连，A/D转换电路（7）输出端与中央控制器核心电路（8）相连，中央控制器核心电路（8）输出端与数据传输电路（9）相连；
手在光电管采集电路（1）上方挥动时，光电管采集电路（1）产生的电流型模拟信号首先经过光电管采集电路电压跟随器（2）转成电压型模拟信号，然后进入模拟通道选择电路（3）进行选通，选通后电压型模拟信号输入减法电路（6），光电管参考电路（4）产生参考电流型模拟信号，经光电管参考电路电压跟随器（5）输出的参考电压型模拟信号，并输入减法电路（6），在减法电路（6）中上述电压型模拟信号和参考电压型模拟信号相减，相减后的电压输入A/D转换电路（7）转换成数字信号，并由中央控制器核心电路（8）处理得到手势信号，最后由数据传输电路（9）将处理完的数据上传到上位机。
2.根据权利要求1所述的非触摸式远程手势控制器，其特征在于：上述光电管采集电路（1）包括N路完全相同的光电管采集子电路，按照m行，n列进行排布，m≥6，n≥10，N≥60，光电管参考电路（4）包括至少1路光电管。
3.根据权利要求2所述的非触摸式远程手势控制器，其特征在于：上述光电管采集电路（1）与光电管参考电路（4）所处光照环境一致，且光电管参考电路（4）位于光电管采集电路（1）外。
4.根据权利要求1所述的非触摸式远程手势控制器，其特征在于：上述中央控制器核心电路（8）包括时钟电路（10）、中央控制器（11）、退耦电路（12）和配置电路（13），时钟电路（10）为中央控制器（11）提供稳定的全局系统时钟；退耦电路（12）保证电源为中央控制器（11）提供稳定的电压；配置电路（13）保证中央控制器（11）在掉电时，不丢失数据。
5.根据权利要求1所述的非触摸式远程手势控制器，其特征在于：上述数据传输电路（9）包括蓝牙接口（14），WIFI接口（15），USB芯片（16）和USB接口（17）；蓝牙接口（14）为系统提供蓝牙接入；WIFI接口（15）为系统提供WIFI接入；USB芯片（16）与USB接口（17）为系统提供有线USB接入。
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