CN108181985A - 一种基于静电探测的车载多媒体手势识别装置 - Google Patents

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李鹏斐
陈曦
王伟
韩怀鹏
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Abstract

本发明涉及一种基于静电探测的车载多媒体手势识别装置，由静电探测阵列、信号放大滤波单元、信号转换单元、数据处理单元及电源单元组成；可通过非接触式的方法探测手部运动时产生的静电扰动信号对车载多媒体进行控制。该系统可以方便的布设在车载环境中，驾驶人员可以通过简单的手势操作对车载多媒体系统进行操作，省去了寻找按键的时间，可使操作更加顺畅。系统通过静电探测阵列采集手部挥动的静电感应信号，使用单片机对信号进行处理并发送给车载多媒体系统，最终实现通过手部静电对车载多媒体系统的控制。本发明可减少行车过程中由于寻找按键等操作影响驾驶人员注意力造成的安全隐患，并降低手势识别系统的复杂程度、逻辑设计难度与功耗。

Description

一种基于静电探测的车载多媒体手势识别装置
技术领域
本发明涉及一种使用非接触式手势探测对车载多媒体进行控制的装置，尤其涉及一种通过电路探测手部运动时产生的静电扰动信号进行手势识别的装置，属于静电探测领域。
背景技术
目前应用于车载多媒体的控制方式的发展方向是研究抗干扰性能好、识别率高、逻辑算法简单、学习成本低以及系统布设方便的新体制探测技术。车载多媒体的控制方式最主要的是物理按键，随着技术的发展，手势识别技术也应用到车载系统中，用以取代部分按键的功能，简化驾驶人员的操作步骤。目前使用图像识别的手势控制系统已经应用到车载系统中。
图像识别技术利用获取的图片来感知目标的存在，但是由于汽车行驶在不同的情况下，存在光源的变化使得该技术的手势识别率偏低。另外图像识别技术对识别背景要求高，在背景产生变化后，将无法有效识别目标的存在；图像模式需要分析大量的图像数据，因此必须采用复杂的逻辑算法设计。
静电探测技术利用运动中物体所带的静电实现对目标的探测识别。“ElectricPotential Probes-New Directions in the Remote Sensing of the Human Body”Harland C J,Clark T D,Prance R J Meas.Sci.Tech.,2002,13:163-169中研制了无需与人体体表接触的人体静电信号探测感器。受此启发，“Electrification of human body bywalking”Ficker T 2006J.Electrostat.64 10-16通过安装在人身体上的静电计对运动中人体电势的变化进行了研究。由于一切运动的物体都会带上静电，人体手部由于曲率半径小静电信号相对于身体的躯干部位较强，因此将静电探测方法应用于识别手部运动是可行的，国内外均未将基于静电的手势探测装置应用于控制车载多媒体系统。
“EMG Prosthetic Hand Controller Discriminating Ten Motions UsingReal-time Learning Method”D.Nishikawa,W.Yu,H.Yokoi,Y.Kakazil.InternationalConference On Intelligent Robots and Systems,1592-1597、“FingerMouse-A ButtonSize Visual Hand Tracking and Segmentaiton Device”P.Hamette,G.Troster.Comput.Architecture of Computing Systems-ARCS 2006,2006, 31-41中分别通过在人体手部安装传感设备及图像识别技术实现对人体手部运动轨迹的跟踪。然而由于汽车行驶在不同的情况下，存在光源的变化使得该技术的手势识别率偏低。另外图像识别技术对识别背景要求高，在背景产生变化后，将无法有效识别目标的存在；图像模式需要分析大量的图像数据，因此必须采用复杂的逻辑算法设计。穿戴式传感器网络能够精确地描绘人体手部的运动轨迹，但由于需要将传感器佩戴在人体手部位置，存在着使用不便的缺点，同时也会对人体手部的运动状态造成影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是利用手部静电信号识别手势装置对车载多媒体进行控制，同时解决探测系统功耗大与逻辑算法复杂的问题。本发明公开了一种基于静电探测的车载多媒体手势控制识别装置，该装置可探测手部静电并应用于对车载多媒体控制中，可减少行车过程中由于寻找按键等操作影响驾驶人员注意力造成的安全隐患，并降低手势识别系统的复杂程度、逻辑设计难度与功耗。
本发明针对手部静电小，电场微弱的情况，设计了多电极静电探测阵列作为手部电场信号传感器，能够测得手部挥动时微弱的电场扰动信号，并且该探测系统具有易于车载环境搭配，功耗低，逻辑简单的优点。
该探测系统的探测原理如下：
静电场作为矢量场，在探测电极表面某一点感应的电荷量大小和电场在该点的法向分量的大小紧密相关，如高斯定理所述：
式中，E为场强，S为某一闭区域面积，q为该闭区域面积包围的电荷，α为电场方向与该面积单元法向方向夹角。可见，α夹角的变化将影响感应电荷q 的大小。
在一次手部与探测极板交会的过程中，探测极板表面与人体手部运动方向的夹角大小和场强与法向夹角α的大小紧密相关。设手部为带电点目标，距电极中心O水平距离为x直距离为y，β为场强方向与电极表面法向的夹角，θ为探测极板表面与人体手部运动方向的夹角。令目标S所带的电荷量为Q，则其在O点法向方向的场强分量为：
随着手部在运动过程中与探测极板的逐渐接近，即水平距离x的减小，电场分量En随之变化，极板上的感应电流可由如下公式表示：
通过设计电路将此电流转换为可测量的电压值，二十路静电探测阵列产生的信号根据布设位置将产生存在相位与幅值都不同的波形，比较并分析二十路极板信号可以计算得出手部的运动趋势，这就是手部运动趋势的静电探测原理。
本发明通过下述技术方案实现：
本系统由静电探测阵列、信号放大滤波单元、信号转换单元、数据处理单元及电源单元组成；
所述的静电探测阵列由基板，电极阵列，阵列信号线组成。其中：
所述的基板为平板，尺寸根据车载屏幕而定，要求材质绝缘性能高、透明度高。电极阵列由透明金属制作，总共二十块，形状为正方形，每块电极之间的间距相等，布设成长方形。阵列信号线从每一块极板引出，与后面的信号放大滤波电路构成电气连接。
所诉的信号放大滤波单元，由电流-电压转换器，电压放大器，滤波电路组成。电流-电压转换器将电流信号转换为电压信号，由于手部静电量小，极板能够感受到的感应电流在pA级别，因此需要精密的电流转换电路将微小信号转换为较好处理的电压信号。电压放大器将电流-电压转换电路输出的电压信号进一步放大。滤波电路将工频信号、高频干扰、电路噪声信号滤除，保留完整的手部运动信号。
所述的信号转单元由模拟-数字转换电路，基准电压产生电路组成。模拟- 数字转换电路将模拟电压信号转换成数字信号，提供给后端数据处理单元进行运算。基准电压产生电路生成稳定的电压，提供给模拟-数字转换电路作为转换电压的参考值。
所述的数据处理单元由单片机处理电路，CAN总线传输电路组成。单片机处理电路采集并存储由模拟-数字转换电路转换的电压数据，并通过算法计算信号代表的手势含义，生成控制代码。CAN总线传输电路将控制代码发送给车载多媒体系统并确认动作的完成信号。
所述的电源单元给所有的电路提供符合要求的不同电轨的稳定电源，保证系统的电力供应。
本发明的创新点为：
1测量原理及方式的创新。对手部运动时产生的微弱静电扰动信号进行测量并计算手部的运动趋势，然后通过手部的运动趋势对应手势含义。
2静电探测应用方式的创新。将该手势静电探测系统应用在车载系统中，替代部分按键功能，使得驾驶人员对车载多媒体的操作简单方便。
3安装方式的创新。将静电探测电极制作成透明极板，并与车载屏幕符合布设，降低空间占用，方便手势进行操作。
本发明应用领域：实现对手部运动趋势的测量，分析手势含义并将手势动作传送给车载多媒体控制系统，实现了非接触式的手部识别功能。可减少行车过程中由于寻找按键等操作影响驾驶人员注意力造成的安全隐患，并降低手势识别系统的复杂程度、逻辑设计难度与功耗，有着良好的应用前景。
有益效果：
1、本发明的一种基于静电探测的车载多媒体手势识别装置首次将静电探测技术应用于车载多媒体的手势控制中，可实时计算手部的运动趋势并将手势代表的操作含义传送给车载多媒体系统实现对车载多媒体系统的手势控制。
2、本发明的一种基于静电探测的车载多媒体手势识别装置，利用氧化铟锡透明电极制作静电探测阵列，可与车载屏幕共形，节省布设空间，便于车载环境的使用。
3、本发明的一种基于静电探测的车载多媒体手势识别装置不需要额外的信号处理方法，通过幅值矩阵与过零点时刻矩阵即可计算出手部的运动趋势，算法简单，便于系统实现。
附图说明
图1是本发明的静电探测系统结构图；
图2是本发明的用于获取人体手部运动静电感应信号的静电探测阵列布设图；
图3是电场测量电路以及信号链路图
图4是静电探测装置信号处理流程图
图2中1基板2电极阵列3阵列信号线
图3中4静电探测阵列5电流-电压转换电路6电压放大电路7滤波电路 8模拟-数字转换电路9单片机处理电路10CAN总线传输电路11车载多媒体控制系统12基准电压产生电路13电源
具体实施方式
该基于静电探测的车载多媒体手势识别装置系统结构如图1所示，静电探测阵列，静电探测电路，数据处理输出电路，车载多媒体控制系统等组成。如图2所示，平板1为基板，上面使用透明金属制作透明电极阵列2，通过3阵列信号线引出各个电极的感应电流信号。
手部在静电探测阵列前挥过时，由于手部带有一定量的电荷，手部的运动会使得电极阵列中每块金属极板的电荷重新分布，电荷的移动产生了感应电流，又由于手部的位置与各个金属极板的距离不同，因此各个金属极板输出的感应电流信号的相位与幅值是不同的。
图3中，电流-电压转换电路5接收从电极阵列传递的电流，将二十个极板的电流信号转换为电压信号，电压放大电路6将电流-电压转换电路转换的电压进一步放大，滤波电路7将放大后的电压中的50Hz工频信号、高频干扰信号和电路噪声滤除，保留完整的手部运动信号。
模拟-数字转换电路8使用基准电压产生电路12产生的标准电压作为参考电压源将滤波后的手部运动产生的模拟电压转换成数字信号，单片机处理电路9 将模拟-数字转换电路8转换完成的数字信号读取并进行处理，根据电极阵列的布设位置与电极信号计算出手部的运动趋势，并赋予相应的动作代码。
CAN总线传输电路10将动作代码传输给车载多媒体控制系统11，车载多媒体控制系统根据动作代码执行相应的操作动作。

Claims (2)

1.一种基于静电探测的车载多媒体手势识别装置，其特征在于该系统由基板，电极阵列，阵列信号线组成；所述的基板为平板，尺寸根据车载屏幕而定，要求材质绝缘性能高、透明度高；电极阵列由透明金属制作，总共二十块，形状为正方形，每块电极之间的间距相等，布设成长方形；阵列信号线从每一块极板引出，与后面的信号放大滤波电路构成电气连接；所诉的信号放大滤波单元，由电流-电压转换器，电压放大器，滤波电路组成；电流-电压转换器将电流信号转换为电压信号，由于手部静电量小，极板能够感受到的感应电流在pA级别，因此需要精密的电流转换电路将微小信号转换为较好处理的电压信号；电压放大器将电流-电压转换电路输出的电压信号进一步放大；滤波电路将工频信号、高频干扰、电路噪声信号滤除，保留完整的手部运动信号；所述的信号转单元由模拟-数字转换电路，基准电压产生电路组成；模拟-数字转换电路将模拟电压信号转换成数字信号，提供给后端数据处理单元进行运算。基准电压产生电路生成稳定的电压，提供给模拟-数字转换电路作为转换电压的参考值；所述的数据处理单元由单片机处理电路，CAN总线传输电路组成。单片机处理电路采集并存储由模拟-数字转换电路转换的电压数据，并通过算法计算信号代表的手势含义，生成控制代码；CAN总线传输电路将控制代码发送给车载多媒体系统并确认动作的完成信号；所述的电源单元给所有的电路提供符合要求的不同电轨的稳定电源，保证系统的电力供应。
2.一种基于静电探测的车载多媒体手势识别装置，其特征在于使用静电探测阵列作为传感器获得手部静电信号，进而对信号进行相应的处理，通过设计算法将手势信号识别出手势含义并转换成代码传输给车载多媒体控制系统完成操作。
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