CN105677019A - 一种手势识别传感器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种手势识别传感器及其工作方法，包括：可进行波形编程的锁相环PLL、压控振荡器VCO、发射天线、接收天线、混频器、中频模拟电路、模数转换器ADC和信号处理模块；所述的压控振荡器VCO分别与锁相环PLL、发射天线连接；所述混频器分别与接收天线、中频模拟电路的一端连接，模数转换器ADC分别与中频模拟电路的另一端、信号处理模块连接。该传感器采用了与传统手势识别传感器完全不同的识别方法，具有很高的可靠性和识别精度。

Description

一种手势识别传感器及其工作方法
技术领域
本发明属于手势识别领域，具体说是一种手势识别传感器及其工作方法。
背景技术
手势识别是进行人机交互最为直接和有效的手段，通过手势识别技术，用户可以用手势去控制身边的各种电子设备，操作简单快捷，如控制手机，电脑，车载电子设备等。由于人体手势的多样性和复杂度较高，要实现较为精确和可靠的手势识别，难度极大，这也是目前市场上没有应用比较成熟的手势识别方案的原因。目前手势识别的技术方案一般有两种：1、基于数据手套的手势识别系统；其工作原理是通过使用者佩戴特制的传感手套，该手套上装有多个可检测人体手腕，手指弯曲，摆动等特定动作的传感器，当手势发生变化时，传感器检测到信号变化，通过数据传感器传到计算机，计算机通过多个传感器的数据进行综合分析，和预设的模型进行匹配，最终判断出具体的手势类型，其结构框图如图1所示。该种手势识别方法最主要的缺点是使用者需要佩戴复杂的数据手套，该手套不仅佩戴极为不便，且成本极高，只能应用在少数一些较为固定的场所。2、基于图像处理的手势识别系统；其工作原理是通过单个或者多个图像采集传感器，采集人体手势的图形影像数据，然后通过计算机对采集的图像数据进行成像分析，最终和之前建立的手势模型进行比对分析，判断书具体的手势姿态，其具体工作流程框图如图2所示。该种方案使用者虽然不用像方案1中需要佩戴额外设备，使用简单，但是其最大的缺点是受环境影响过于明显，在光线不足或者强光下，图像传感器所采集的数据失真过大，即使通过复杂的算法进行还原，也很难得到真实的图像数据，因此其识别可靠性较差，只能在一些环境较为理想的地方使用。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺点，本发明提供了一种手势识别传感器及其工作方法,该传感器采用了与传统手势识别传感器完全不同的识别方法，具有很高的可靠性和识别精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种手势识别传感器，包括：可进行波形编程的锁相环PLL、压控振荡器VCO、发射天线、接收天线、混频器、中频模拟电路、模数转换器ADC和信号处理模块；所述的压控振荡器VCO分别与锁相环PLL、发射天线连接；所述混频器分别与接收天线、中频模拟电路的一端连接，模数转换器ADC分别与中频模拟电路的另一端、信号处理模块连接。
进一步的，所述发射天线为一路；所述接收天线为四路。
进一步的，所述的混频器和中频模拟电路为零中频架构。
一种上述手势识别传感器的工作方法，是通过以下步骤实现的：
S1：用户通过可进行波形编程的锁相环PLL产生三角波与恒平波电压波形；
S2：电压波形驱动压控振荡器VCO产生调频波形，通过发射天线发射出去，电磁波遇到人体手势后反射，经过接收天线接收；
S3：经接收天线接收的信号进入到混频器，信号经过混频器下变频后变为中频信号进入中频模拟电路；
S4：中频模拟电路经过放大滤波后到达模数转换器ADC，模数转换器ADC进行采样把携带手势目标发射信息的数据发送给信号处理单元；
S5：信号处理单元经过信号处理后判断具体的手势类别。
进一步的，手势类别包括：三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅱ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅱ，后超前接收天线Ⅱ，则手往左移动；若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅱ，后滞后接收天线Ⅱ，则手往右移动；
三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅲ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅲ，后超前接收天线Ⅲ，则手往上移动；若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅲ，后滞后接收天线Ⅲ，则手往下移动。
进一步的，手势类别包括：三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅳ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅳ，后超前接收天线Ⅳ，则手往左上45°移动；若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅳ，后滞后接收天线Ⅳ，则手往右下45°移动；
三角波区域对比接收天线Ⅱ和Ⅲ的相位变化，若接收天线Ⅱ的相位先超前接收天线Ⅲ，后滞后接收天线Ⅲ，则手往左下45°移动；若天线Ⅱ的相位先滞后天线Ⅲ，后超前天线Ⅲ，则手往右上45°移动。
进一步的，手势类别包括：恒平波区域对比任一个接收天线的I路和Q相位，若I路相位滞后Q路，则手做靠近移动；若I路相位超前Q路则手做远离移动。
进一步的，手势类别包括：三角波区域检测接收天线Ⅰ和Ⅱ的相位，若两者的相位超前滞后来回交叉变化，则手在左右摆动；
三角波区域检测接收天线Ⅰ和Ⅲ的相位，若两个的相位超前滞后来回交叉变化，则手在上下摆动。
作为更进一步的，手势类别还包括：三角波区域检测到两个目标做远离运动，则为放大手势；两个目标做靠近运动，则为缩小手势；两个目标做交叉运动，则为旋转手势。
作为更进一步的，上述方法中，采用毫米波雷达进行检测手势。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：该手势识别传感器采用了与传统手势识别传感器完全不同的识别方法，具有很高的可靠性和识别精度。本发明与其它手势识别传感器相比具有如下优势：本发明进行手势识别采用雷达原理，不受光线，背景色等环境影响；雷达依靠电磁波进行检测，无论光线强弱，背景为何种颜色，手上手否带有手套等，电磁波都能毫不受影响的检测到人体手的真实目标，这个是传统光学成像识别系统永远无法实现的；本发明采用毫米波雷达频段进行检测，检测精度非常高；由于毫米波雷达频段电磁波波长小，目标在该频段下目标特性明显，特别适合手势等小幅度运动场景，此场景下检测精度非常高，其它的成像方法识别是根据成像结果来和预设的手势模型进行匹配，信号处理过程中进行了很大的模糊处理，精度较差。
本发明依靠系统硬件即可实现多种手势检测，对算法的依赖程度低；本发明传感器采用了一发四收雷达系统来实现目标手势检测，可检测多手势多目标检测，后续不需要太多算法进行处理，传统的基于图像成像理论的识别系统，前端传感器只是负责采集图像数据，后面需要进行大量复杂的算法运算。本发明可以很方便的调整识别距离，识别目标数量等，具有非常高的可扩展性；用户可以通过调整雷达传感器的发射功率，调制波形等，来匹配各种不同的使用场景，传统的图像成像的方法由于受到光学传感器的限制，其使用场景具有很高的局限性。
附图说明
本发明共有附图5幅：
图1为背景技术中基于数据手套的手势识别系统组成示意图；
图2为背景技术中基于图像处理的手势识别系统工作示意图；
图3为本发明手势识别传感器系统组成框图；
图4为手势识别传感器雷达调制波形图；
图5为手势识别传感器天线结构图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1
一种手势识别传感器，包括：可进行波形编程的锁相环PLL、压控振荡器VCO、发射天线、接收天线、混频器、中频模拟电路、模数转换器ADC和信号处理模块；所述的压控振荡器VCO分别与锁相环PLL、发射天线连接；所述混频器分别与接收天线、中频模拟电路的一端连接，模数转换器ADC分别与中频模拟电路的另一端、信号处理模块连接，所述发射天线为一路；所述接收天线为四路。
一种上述手势识别传感器的工作方法，采用毫米波雷达实现手势的探测与识别，其组成如图3所示，是通过以下步骤实现的：
S1：用户通过可进行波形编程的锁相环PLL产生三角波与恒平波电压波形，具体波形见图4；
S2：电压波形驱动压控振荡器VCO产生调频波形，通过一路发射天线发射出去，电磁波遇到人体手势后反射，经过四路接收天线接收，天线的具体结构件见图5；
S3：经接收天线接收的信号进入到混频器，信号经过混频器下变频后变为中频信号进入中频模拟电路；
S4：中频模拟电路经过放大滤波后到达模数转换器ADC，模数转换器ADC进行采样把携带手势目标发射信息的数据发送给信号处理单元；
S5：信号处理单元经过信号处理后判断具体的手势类别。
本发明在不用进行任何复杂算法的情况下，可以检测15基本的手势动作及其组合，基本可以满足所有需要进行人机交互的手势动作，其检测方法分别如下：
左移：在图4中三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅱ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅱ，后超前接收天线Ⅱ，则手往左移动；
右移：在图4中三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅱ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅱ，后滞后接收天线Ⅱ，则手往右移动；
上移：在图4中三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅲ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅲ，后超前接收天线Ⅲ，则手往上移动；
下移：在图4中三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅲ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅲ，后滞后接收天线Ⅲ，则手往下移动。
左上45°移动：在图4中三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅳ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅳ，后超前接收天线Ⅳ，则手往左上45°移动。
右下45°移动：在图4中三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅳ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅳ，后滞后接收天线Ⅳ，则手往右下45°移动。
左下45°移动：在图4中三角波区域对比接收天线Ⅱ和Ⅲ的相位变化，若接收天线Ⅱ的相位先超前接收天线Ⅲ，后滞后接收天线Ⅲ，则手往左下45°移动；
右上45°移动：在图4中三角波区域对比接收天线Ⅱ和Ⅲ的相位变化，若天线Ⅱ的相位先滞后天线Ⅲ，后超前天线Ⅲ，则手往右上45°移动。
靠近：在图4中恒平波区域对比任一个接收天线的I路和Q相位，若I路相位滞后Q路，则手做靠近移动；
远离：在图4中恒平波区域对比任一个接收天线的I路和Q相位，若I路相位超前Q路则手做远离移动。
左右摆动：在图4中三角波区域检测接收天线Ⅰ和Ⅱ的相位，若两者的相位超前滞后来回交叉变化，则手在左右摆动；
上下摆动：在图4中三角波区域检测接收天线Ⅰ和Ⅲ的相位，若两个的相位超前滞后来回交叉变化，则手在上下摆动。
放大：在图4中三角波区域检测到两个目标做远离运动，则为放大手势(两根手指做划开动作)；
缩小：在图4中三角波区域检测到两个目标做靠近运动，则为缩小手势(两根手指做相对运动)；；
旋转：在图4中三角波区域检测到两个目标做交叉运动，则为旋转手势(两根手指一个往前一个往后运动)。
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披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手势识别传感器，其特征在于，包括：可进行波形编程的锁相环PLL、压控振荡器VCO、发射天线、接收天线、混频器、中频模拟电路、模数转换器ADC和信号处理模块；所述的压控振荡器VCO分别与锁相环PLL、发射天线连接；所述混频器分别与接收天线、中频模拟电路的一端连接，模数转换器ADC分别与中频模拟电路的另一端、信号处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种手势识别传感器，其特征在于，所述发射天线为一路；所述接收天线为四路。
3.根据权利要求2所述的一种手势识别传感器，其特征在于，所述的混频器和中频模拟电路为零中频架构。
4.上述手势识别传感器的工作方法，其特征在于，是通过以下步骤实现的：
S1：用户通过可进行波形编程的锁相环PLL产生三角波与恒平波电压波形；
S2：电压波形驱动压控振荡器VCO产生调频波形，通过发射天线发射出去，电磁波遇到人体手势后反射，经过接收天线接收；
S3：经接收天线接收的信号进入到混频器，信号经过混频器下变频后变为中频信号进入中频模拟电路；
S4：中频模拟电路经过放大滤波后到达模数转换器ADC，模数转换器ADC进行采样把携带手势目标发射信息的数据发送给信号处理单元；
S5：信号处理单元经过信号处理后判断具体的手势类别。
5.根据权利要求4所述的手势识别传感器的工作方法，其特征在于，手势类别包括：三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅱ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅱ，后超前接收天线Ⅱ，则手往左移动；若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅱ，后滞后接收天线Ⅱ，则手往右移动；
三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅲ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅲ，后超前接收天线Ⅲ，则手往上移动；若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅲ，后滞后接收天线Ⅲ，则手往下移动。
6.根据权利要求5所述的手势识别传感器的工作方法，其特征在于，手势类别包括：三角波区域对比接收天线Ⅰ和Ⅳ的相位变化，若接收天线Ⅰ的相位先滞后接收天线Ⅳ，后超前接收天线Ⅳ，则手往左上45°移动；若接收天线Ⅰ的相位先超前接收天线Ⅳ，后滞后接收天线Ⅳ，则手往右下45°移动；
三角波区域对比接收天线Ⅱ和Ⅲ的相位变化，若接收天线Ⅱ的相位先超前接收天线Ⅲ，后滞后接收天线Ⅲ，则手往左下45°移动；若天线Ⅱ的相位先滞后天线Ⅲ，后超前天线Ⅲ，则手往右上45°移动。
7.根据权利要求6所述的手势识别传感器的工作方法，其特征在于，手势类别包括：恒平波区域对比任一个接收天线的I路和Q相位，若I路相位滞后Q路，则手做靠近移动；若I路相位超前Q路则手做远离移动。
8.根据权利要求7所述的手势识别传感器的工作方法，其特征在于，手势类别包括：三角波区域检测接收天线Ⅰ和Ⅱ的相位，若两者的相位超前滞后来回交叉变化，则手在左右摆动；
三角波区域检测接收天线Ⅰ和Ⅲ的相位，若两个的相位超前滞后来回交叉变化，则手在上下摆动。
9.根据权利要求4所述的手势识别传感器的工作方法，其特征在于，手势类别还包括：三角波区域检测到两个目标做远离运动，则为放大手势；两个目标做靠近运动，则为缩小手势；两个目标做交叉运动，则为旋转手势。
10.根据权利要求4-9任一项所述的手势识别传感器的工作方法，其特征在于，上述方法中，采用毫米波雷达进行检测手势。
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