CN105493408A - 开关启动系统、移动装置、及用于使用非触碰推动手势启动开关的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于通过利用发热部位(115)所执行的四种可能类型(111-114)的非触碰推动手势来启动开关(103)的开关启动系统(100)包括：手势传感器(1)，其设置成在推动手势类型(111-114)中的一个的执行过程中，借助至少四个毗邻排列的像素(21-24)来检测自部位(115)发出的热量，并且根据由分别包括由热电材料制成的薄膜的相应像素(21，22，23，24)的薄膜所检测到的热量的随时间变化的强度分布来为每一像素(21-24)均输出具有信号偏振(58)的信号(51-54)；信号评估单元(101)，用于根据信号偏振(58)的时间次序来确定推动手势类型(111-114)中的一个的执行；以及激发器(104)，其由信号评估单元(101)来控制并且一旦确定所述推动手势的类型(111-114)中任一类型的执行便启动开关(103)，其中，像素(21-24)中的四个像素分别布置于凸四边形(11)的一角上，该凸四边形(11)的一条对角线(12)基本上平行于纵向(31)，另一对角线(13)基本上平行于横向(32)。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关启动系统、一种具有该开关启动系统的移动装置、及一种用于通过特别是人体手部的非触碰推动姿势以该开关启动系统启动开关的方法。
背景技术
对于人机交互而言，已知交互系统及其人机界面，其配有用于自动识别由人类所执行的非触碰或触碰姿势的装置。姿势基本上能够从各种体态以及各种肢体活动推导出，其中主要包括手势。手势识别系统配有用于对尤其是作手势的手部进行光学检测的装置，其中以相应的算法对由此产生的图像信息进行评估，以便从图像信息中推导出手势。用于光学检测非触碰手势的装置通常是相机，而相机的不利在于占据较大结构空间且引起较高的投资成本。由此，基于相机的用于手势识别的系统无法实现在最小化的结构方式的同时成本低廉，而这诸如针对应用于移动电话而言却较为有利。此外，基于相机的系统不利地具有很高的能量消耗，由此使移动应用难以付诸实践。作为替选，已知高速分光仪，而其却未能解决有关在最小化结构方式的同时成本低廉的问题。此外，已知用于尤其是移动电话的触碰屏，然而这种触碰屏仅适用于识别触碰手势，却不适用于识别非触碰手势。
发明内容
本发明的目的是，提供一种开关启动系统、一种具有该开关启动系统的移动装置、及一种用于使用非触碰推动手势以该开关启动系统启动开关的方法，其中所述开关启动系统具有小型化结构类型，同时成本低廉且能量消耗较少，并且利用该开关启动系统来启动开关安全且无误。
本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1、5和6的特征。本发明的优选设计方案参阅其他权利要求。
根据本发明的开关启动系统，用于通过利用发热部位所执行的四种可能类型的非触碰推动手势来启动开关，该开关启动系统包括：手势传感器，其设置成在推动手势类型中的一个的执行过程中，借助四个毗邻排列的像素来检测自所述部位发出的热量，并且根据由分别包括由热电材料制成的薄膜的相应像素的薄膜所检测到的热量的随时间变化的强度分布来为每一像素均输出一个具有信号偏振的信号；信号评估单元，用于根据信号偏振的时间次序来确定推动手势类型中的一个的执行；以及激发器，其由信号评估单元来控制，并且一旦确定推动手势类型中的一个的执行便启动开关，其中，通过部位在纵向上的运动定义推动手势的第一类型，通过部位在反向于纵向上的运动定义推动手势的第二类型，通过部位在偏离纵向的横向上的运动定义推动手势的第三类型，并且通过部位在反向于横向上的运动定义推动手势的第四类型，并且像素中的四个像素分别布置于凸四边形的一角上，该凸四边形的一条对角线基本上平行于纵向，另一对角线基本上平行于横向。
根据本发明的移动装置包括开关启动系统，其中开关连通至移动装置中以激活/去激活其功能性。
根据本发明的用于操作开关启动系统的方法包括以下步骤：利用发热部位执行可能的推动手势中的一种类型，从而从像素将信号偏振的序列输出至信号评估单元；根据信号偏振的序列：识别首先响应的像素以及最后响应的像素；检验两个其他像素的信号偏振在时间上是否处于首先响应的像素的信号偏振与最后响应的像素的信号偏振之间；倘若检验为正，则继续进行后续步骤；根据由首先响应的像素及最后响应的像素所形成的对角线平行于哪一方向，将该对角线分配给纵向或横向，并且考虑首先响应的像素及最后响应的像素的响应次序，从而将所执行的推动手势的类型识别为第一、第二、第三或第四类型；根据所识别的推动手势的类型：通过信号评估单元相应触发激发器以启动开关。优选地，热电材料是锆钛酸铅。
鉴于像素分别包括由热电材料制成的薄膜，优选为锆钛酸铅，因此由发热部位在执行非触碰推动手势的过程中所产生的信号有利地实现利用根据本发明的方法可安全无误地进行对所执行的推动手势的类型进行识别。此外，具有像素的手势传感器可在成本低廉的同时以最小化的结构方式制作，以使开关启动系统可有利地用于移动装置。利用薄膜通过由部位发出的热量产生信号，从而无需对利用外部热源的手势传感器供能。据此，开关启动系统包括信号评估单元以及激发器作为耗能装置，从而用于移动装置的开关启动系统的能量消耗有利地在总体上较低。
优选地，四边形是菱形。两个紧邻的像素的间距优选为50皮米至300皮米之间。此外，优选的是，所述部位是人体手部，自该部位发出的热量是自人体手部散发的体热。利用开关启动系统的优选实施方式，在通常人类运动过程的范围内能够特别安全无误地识别用人手执行的非触碰推动手势的类型。
优选地，用于操作开关启动系统的方法包括以下步骤：检验全部四个信号偏振的绝对值是否超过预定的电平；倘若检验为正，则继续后续步骤。由此，有利地实现，比如由于像素周边的影响所发出的干扰信号不会妨碍手势的评估，由此提高手势识别的精确度。
另外，优选的是，用于操作开关启动系统的方法包括以下步骤：检验在时间上介于首先响应的像素的信号偏振与最后响应的像素的信号偏振之间的这些信号偏振的时间偏移是否处于第一预定偏移时间段之内；倘若检验为正，则继续后续步骤。特别优选的是，第一预定偏移时间段为0.5毫秒。据此，在时间上出现于第一信号偏振之后且在时间上出现于最后信号偏振之前的中间信号偏振应出现在0.5毫秒的偏移时间段之内，由此针对安全无误的手势识别而设定中间信号偏振出现的同步性程度。
用于操作开关启动系统的方法优选地进一步包括以下步骤：检验时间上的第一信号偏振是否处于时间上的第二或第三信号偏振之前的至少第二预定偏移时间段内以及时间上的第四信号偏振是否处于时间上的第二或第三信号偏振之后的至少第二预定偏移时间段内；倘若检验为正，则继续后续步骤。特别优选的是，第二预定偏移时间段在7毫秒至40毫秒之间。通过第二预定偏移时间段，确定第一信号偏振关于中间信号偏振的时间提前以及最后时间偏振关于中间信号偏振的时间延后，以便安全无误地进行手势识别。
检验中间信号偏振的时间偏移是否处于第一预定偏移时间段内以及第一信号偏移关于中间信号偏振的时间提前和最后信号偏振关于中间信号偏振的时间延后是否分别处于第二预定偏移时间段内，能够评估非触碰推动手势的方向。倘若检验之一为正或两次检验均为正，则能够安全无误地确定所执行的推动手势的类型，亦即所执行的推动手势是否是第一、第二、第三或第四类型。然而，倘若检验之一为负或两次检验均为负，则推动手势并未在为其设定的方向上执行，由此不能将该推动手势识别为四种类型中的某一类型，由此不予采纳。为推动手势所设定的方向基本上平行于纵向或者基本上平行于横向。
优选的是，针对信号偏振，采用由像素输出的信号的振幅分布或者由像素输出的信号的振幅分布关于时间的第一导数。特别在采用振幅分布关于时间的导数的情况下，意外观察到，能够以更灵敏且更容差的方式识别推动手势的类型，由此利用根据本发明的开关启动系统以及根据本发明的用于操作该开关启动系统的方法更安全无误地进行手势识别。
根据本发明，像素分别包括由热电材料制成的薄层，优选由锆钛酸铅制成。由此，通过部位接近像素中的每一像素并且部位从像素中的每一像素离开，来产生相应的S形信号偏振，其呈正弦曲线形状，特别如在图3中所示。优选地，用于操作开关启动系统的方法包括以下步骤：识别信号偏振的形状并且检验信号偏振的形状是否具有S形；倘若检验为正，则继续后续步骤。鉴于像素分别包括由优选锆钛酸铅的热电材料制成的薄层，因此信号偏振在部位逼近以及部位远离的过程中产生独特S形，其中S形就此用于检验所执行的推动手势是否是所述四种类型中的一种类型。据此，不似具备S形的信号偏振应演绎为并未执行四种类型中任一类型的推动手势。以出众的方式，通过考虑信号偏振的形状并且检验信号偏振是否具备S形，手势识别的精确度获得显著提高。
特别优选的是，针对检验，考虑像素信号的S形信号偏振的极大点和/或极小点按时间先后的出现。信号的S形信号偏振的极大点和/或极小点可简单且精确地由信号评估单元来确定。由此，尤其能够利用开关启动系统以及用于操作该开关启动系统的方法提供对于非触碰推动手势的手势识别，其中开关启动系统在具有最小化结构形式的同时成本低廉且能量消耗较少，从而该开关启动系统特别适用于移动装置。对移动装置所执行的非触碰推动手势的四种类型中的任一类型的识别足以安全无误。
附图说明
下面参照所附示意图阐明本发明的优选实施方式。
图1表示根据本发明的用于根据本发明的移动装置的开关启动系统的示意图；
图2表示手势传感器的示意图；
图3表示如图2所示的手势传感器的信号的振幅分布的曲线图；
图4表示如图3所示的振幅分布关于时间的第一导数的曲线图；
图5表示图3的局部放大视图；以及
图6表示用于形成如在图4中所示的振幅分布关于时间的第一导数的规则的曲线图。
附图标号说明
1手势传感器
11菱形
12纵对角线
13横对角线
21第一像素
22第二像素
23第三像素
24第四像素
25两个相邻像素的间距
31纵向
32横向
51第一像素的信号
52第二像素的信号
53第三像素的信号
54第四像素的信号
55像素无源状态的信号电平
56在逼近过程中的信号偏振的S形的第一部分
57在远离过程中的信号偏振的S形的第二部分
58信号偏振
61横坐标：时间
62纵坐标：振幅
63纵坐标：振幅关于时间的第一导数
71第一支点
72第二支点
73时间增量
74幅差
81第一最低点
82第二最低点
83第三最低点
84第四最低点
91第一时间点
92第二时间点
93第三时间点
94时间偏移
100开关启动系统
101信号评估单元
102信号线路
103开关
104激发器
111第一类型推动手势
112第二类型推动手势
113第三类型推动手势
114第四类型推动手势
115手部
具体实施方式
在图1中示出开关启动系统100，其集成于移动装置内。开关启动系统100包括手势传感器1及信号评估单元101，二者经由信号线路102耦合，用于将信号从手势传感器1传递至信号评估单元101。根据对从手势传感器1传递至信号评估单元101的信号的评估，信号评估单元101激活或去激活激发器104，利用该激发器104可启动移动装置的开关103。开关103连通至移动装置中以激活/去激活该移动装置的功能性。
手势传感器1设置用于检测非触碰推动手势，其中，根据手势传感器1检测到哪一种推动手势，一个信号或多个信号经由信号线路102传递至信号评估单元101，基于该信号评估单元101完成经由激发器104来启动开关103。开关103的启动仅在由手势传感器1并由信号评估单元101识别出四种类型推动手势111至114中的一个时才被触发。
推动手势是用手部115在手势传感器1的附近以触碰的方式来执行，其中由手势传感器1可检测自手部115发出的热量。在图1中可以看出，第一类型推动手势111是手部115自左向右的运动，第二类型推动手势112是手部115自右向左的运动，第三类型推动手势113是手部115自下向上的运动，第四类型推动手势114是手部115自上向下的运动。
在图2中示出手势传感器1的示意图，该手势传感器1包括具有纵对角线12及横对角线13的菱形11，其中像素21至24分别布置于菱形11的各角。在图2中可以看出，第一像素21布置于菱形11的上角，第二像素22布置于菱形11的右角，第三像素23布置于菱形11的下角，第四像素24布置于菱形11的左角。两个紧邻的像素的间距在50皮米(pm)至300皮米之间。在图2中呈水平延伸的纵向31平行于由第四像素24和第二像素22构成的纵对角线12。横向32如图2中所示平行于由第一像素21和第三像素23构成的横对角线13。第一类型推动手势111和第二类型推动手势112平行于纵向31移动，而第三类型推动手势113和第四类型推动手势114则平行于横向32移动，其中第一类型推动手势111和第一类型推动手势112具有相反方向，第三类型推动手势113和第四类型推动手势具有相反方向。
像素21至24各自包括由锆钛酸铅制成的薄膜，利用该薄膜，一旦各个像素21至24检测到自手部115发出的热量，便生成信号。据此，在用手部115执行推动手势的过程中，根据由相应像素21至24的薄膜所检测到热量的随时间变化的强度分布，而从各像素21至24均向信号评估单元101输出具有信号偏振58的信号。以标号51表示第一像素21的信号，以标号52表示第二像素22的信号，以标号53表示第三像素23的信号，以标号54表示第四像素24的信号。在图3中示出从像素21至24输出的信号51至54的随时间变化的振幅分布的曲线图，其中，在横坐标61上表示时间，在纵坐标63上表示振幅。信号51至54分别包括S形，其中在手部115逼近手势传感器1处的过程中产生信号偏振的S形的第一部分56，在手部115从手势传感器1离开的过程中产生继第一部分56之后的信号偏振的S形的第二部分57。在信号偏振的S形的第一部分56之前以及信号偏振的S形的第二部分57之后形成处于像素无源状态的信号电平55，当手势传感器1并未检测到自手部115发出的热量时进入这种像素无源状态。
作为图3的替选方案，在图4中，在纵坐标63上表示在图3中所示的振幅分布关于时间的第一导数。在图6中示出信号51至54中的一个的代表性片段，其中绘出该信号随时间变化的振幅。振幅分布特别由第一支点71和第二支点72所构成，其中支点71和72通过时间增量73而彼此在时间上偏移，在支点71与72之间形成幅差74。以离散的方式由幅差74与时间增量74之商构成关于时间的时间导数。在图5中示出图3的细节，其中放大表示在逼近过程中信号偏差的S形的第一部分56。在此示出信号51至54的振幅的分布，其中振幅分布中的每一个均分别包括最低点81至84。信号51至54是通过第一类型推动手势111所产生。在第一类型推动手势111的执行过程中，手部115首先途径第四像素24，然后同时经过第一像素21和第三像素23，此后途径第二像素22。由此，信号51至54存在相应的时间偏移，从而第四像素24的信号54是时间上的第一信号，第二像素22的信号52是时间上的最后信号。第二像素22和第三像素23的信号52和53在时间上处于信号51与54之间。信号51至54的这种按时间先后的排列次序又体现在最低点81至84的排列，从而第四极低点84作为第一个出现且第二最低点82作为最后一个出现，其中第一最低点81和第三最低点83在极低点84与82之间。
进行第一类型推动手势111，以使手部115平行于纵向31并且垂直于横向32移动。由此，手部115首先被第四像素24且最后被第二像素22所检测到，在此，由第三像素23和第一像素21对手部115的检测处于其间。鉴于第一类型推动手势111垂直于横向32移动，因此第一像素21和第三像素23同时检测到手部115，从而信号51和53基本上相叠且所属的极低点81和83基本上同时出现。第四最低点84的出现在图5中以第一时间点91来表示，第一最低点81或第三最低点83的出现以第二时间点92来表示，第二最低点82的出现以第三时间点93来表示。在第一时间点91与第二时间点92之间以及在第二时间点92与第三时间点93之间分别是时间偏移94。
在开关启动系统100的启动过程中，可以由手部115执行任意手势。然而，将其设置成，应仅在执行四种类型中的一个的推动手势111至114的情况下才根据推动手势的类型111至114而启动开关103。据此，根据多种可能的推动手势以及出自开关启动系统100周边环境的干扰作用来识别四种类型中的一个的推动手势111至114的存在。
为了识别所执行的推动手势，信号51至54从手势传感器1传递至信号评估单元101。在信号评估单元101中，检验信号51至54是否具有S形，并且振幅偏转在时间进程中首先向下，然后再向上，换言之，检验是否首先出现信号51至54的极低点81至84，然后再出现其极高点。倘若这种检验值为正，则将信号51至54用于识别推动手势。还可考虑，将像素21至24链接成在执行这些移动手势的过程中首先出现极高点，然后再出现极低点。此外，在信号评估单元101中，检验在手部115的逼近过程中的信号偏振的S形的第一部分56的四个极低点81至84以及在手部115远离过程中的信号偏振的S形的第二部分56的四个极高点中各点的绝对值是否均超过预定的振幅电平。对预定的振幅电平进行测定，以使来自手势传感器1周边的预计干扰信号低于预定的振幅电平。
像素21至24中紧邻布置的两个像素之间的距离在50皮米至300皮米之间。基于手部115的常规运动速度，利用极低点81至84或其相关极高点的随时间的次序，能够对推动手势的类型111至114进行识别或者对并不属于类型111至114中任一类型的推动手势不予采纳。下面根据第一种类型的推动手势111的识别来阐述信号评估单元101的功能。对其他类型的推动手势112至114的识别与之类似。
在信号评估单元101中，验证第一像素21的最低点81与第三像素23的最低点83的时间偏移或者第二像素22的最低点82与第四像素24的最低点84的时间偏移是否处于0.5毫秒的时间段之内。倘若对于像素对21、23和22、24均不合乎这种情况，则由手势传感器1所检测到的信号由于不属于四种类型111至114中任一类型推动手势而不予采纳。倘若例如在信号评估单元101中确定第一像素21的第一最低点81以及第三像素23的第三最低点83在0.5毫秒内出现，则由此推导出存在第一类型推动手势111或者第二类型推动手势112。此后，在信号评估单元101中检验第四像素24的第四最低点84是否位于像素21和23的极低点81和83之前或之后，或者此后还检验第二像素22的最低点82是否位于像素21和23的极低点81和83之后或其之前。
倘若在信号评估单元101中的检测结果是，第四最低点84根据极低点81、83中哪一点较先而在第一最低点81或第三最低点83之前的7毫秒至40毫秒内出现，并且第二最低点82根据极低点81、83中哪一点较迟出现而在第一最低点81或第三最低点83之后7毫秒至40毫秒内出现，则将由手势传感器1所检测到的推动手势识别为第一类型推动手势111。相应地，诸如将其备份于信号评估单元101中，经由激发器104来启动开关103。并未识别为属于四种类型111至114中任一类型的手势在信号评估单元101中不予采纳并且导致不启动开关103。以类似方式进行对第二至第四类型推动手势111至114的识别。基本上，可考虑以任意次序对检测结果进行任意组合。
Claims (15)
1.一种开关启动系统(100)，用于通过利用发热部位(115)所执行的四种可能类型(111-114)的非触碰推动手势来启动开关(103)，所述开关启动系统(100)具有手势传感器(1)，其设置成在所述推动手势的所述类型(111-114)中的一个的执行过程中，借助至少四个毗邻排列的像素(21-24)来检测自所述部位(115)发出的热量，并且根据由分别包括由热电材料制成的薄膜的相应像素(21，22，23，24)的所述薄膜所检测到的热量的随时间变化的强度分布来为每一像素(21-24)均输出具有信号偏振(58)的信号(51-54)；信号评估单元(101)，用于根据所述信号偏振(58)的时间次序来确定所述推动手势的所述类型(111-114)中的一个的执行；以及激发器(104)，其由所述信号评估单元(101)来控制并且一旦确定所述推动手势类型(111-114)中的一个的执行便启动所述开关(103)，其中，通过所述部位(115)在纵向(31)上的运动定义所述推动手势的第一类型(111)，通过所述部位(115)在反向于所述纵向(31)上的运动定义所述推动手势的第二类型(112)，通过所述部位(115)在偏离所述纵向的横向上的运动定义所述推动手势的第三类型(113)，通过所述部位(115)在反向于所述横向上的运动定义所述推动手势的第四类型(114)，以及，所述像素(21-24)中的四个像素分别布置于凸四边形(11)的一角上，该凸四边形(11)的一条对角线(12)基本上平行于所述纵向(31)，另一对角线(13)基本上平行于所述横向(32)。
2.根据权利要求1所述的开关启动系统，其中，所述热电材料是锆钛酸铅。
3.根据权利要求1或2所述的开关启动系统，其中，所述四边形是菱形(11)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关启动系统，其中，两个紧邻像素(21-24)的间距(25)在50μm至300μm之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的开关启动系统，其中，所述部位是人体手部(115)，自所述部位发出的热量是自该人体手部(115)散发的体热。
6.一种具有根据权利要求1至5中任一项所述的开关启动系统(100)的移动装置，其中，所述开关(103)连通至所述移动装置中以激活/去激活该移动装置的功能性。
7.一种用于操作根据权利要求1至5中任一项所述的开关启动系统(100)的方法，该方法具有以下步骤：
只要利用所述发热部位(115)执行所述可能推动手势的所述类型(111)中的一个，便从所述像素(21-24)向所述信号评估单元(101)输出所述信号偏振(58)的序列；
根据所述信号偏振(58)的序列：识别首先响应的像素(24)以及最后响应的像素(22)；
检验两个其他像素(21，23)的所述信号偏振(58)在时间上是否处于所述首先响应的像素(24)的所述信号偏振(58)与所述最后响应的像素(22)的所述信号偏振(58)之间；倘若所述检验为正，则继续进行后续步骤；
根据由所述首先响应的像素(24)及所述最后响应的像素(22)所形成的对角线(12)平行于哪一方向，将所述对角线(12)分配给所述纵向(31)或所述横向(32)，并且考虑所述首先响应的像素(24)及所述最后响应的像素(22)的响应次序，以将所执行的推动手势的所述类型(111)识别为所述第一类型(111)、所述第二类型(112)、所述第三类型(113)或所述第四类型(114)；
根据所识别的所述推动手势的类型(111)：通过所述信号评估单元(101)相应触发所述激发器(104)以启动所述开关(103)。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法具有以下步骤：
检验全部四个信号偏振(58)的绝对值是否超过预定的电平；倘若检验为正，则继续后续步骤。
9.根据权利要求7或8所述的方法，该方法具有以下步骤：
检验在时间上介于所述首先响应的像素(24)的所述信号偏振与所述最后响应的像素(22)的所述信号偏振之间的这些信号偏振的时间偏移是否处于第一预定偏移时间段之内；倘若检验为正，则继续后续步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一预定偏移时间段为0.5毫秒。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，该方法具有以下步骤：
检验时间上的第一信号偏振是否处于时间上的第二或第三信号偏振之前的至少第二预定偏移时间段内，以及时间上的第四信号偏振是否处于所述时间上的第二或第三信号偏振之后的至少所述第二预定偏移时间段内；倘若检验为正，则继续后续步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二预定偏移时间段介于7毫秒至40毫秒之间。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其中，对于所述信号偏振(58)，采用由所述像素(21-24)输出的信号(51-54)的振幅分布或者由所述像素输出的信号(51-54)的振幅分布关于时间的导数。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其中，所述像素(21-24)包括由热电材料制成的薄层，以此通过所述部位(115)接近每一像素(21-24)并且所述部位从每一像素(21-24)离开，来产生相应的S形(56，57)的信号偏振(58)，具有步骤：
a1)识别所述信号偏振的形状并且检验所述信号偏振的形状是否具有所述S形(56，57)；倘若检验为正，则继续后续步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，针对所述检验，考虑所述像素(21-24)的所述信号(51-54)的所述S形(56，57)的所述信号偏振(58)的极大点和/或极小点按时间先后的出现。
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