本文介紹 HMI 應用系列的第 4 部分，即使用低成本手勢識別技術控制系統(tǒng)。它描述了通過簡單的手和身體運動來控制設備的方法，消除與系統(tǒng)控件的接觸，以及尋找基于手勢的 HMI 的設計解決方案，以及克服傳統(tǒng)手勢檢測器設計的局限性。

用簡單的手和身體運動控制設備

一些嵌入式系統(tǒng)自主運行，但大多數(shù)執(zhí)行功能以響應用戶輸入。許多機器和設備特別方便，因為它們的電子電路可以感應人類的接近并做出響應。例如，自動進出門會在人們走近時自動打開。然而，這種基本的非接觸式人機界面 （HMI） 有很大的局限性。它們只檢測到身體或手的存在，因此電子設備偶爾會做出不恰當?shù)姆磻＠纾斅愤^的行人在入口附近短暫停留時，門可能會意外打開。

當 HMI 電路能夠識別定義的一組簡單手勢時，就可以實現(xiàn)更好、更可預測的非接觸式控制。易于使用的手勢使錯誤的系統(tǒng)操作的可能性大大降低。例如，在典型的應用中，站在門前的人只需伸出一只手從左向右移動即可打開門，或從右向左移動即可關閉門。（見圖 1a）

典型的手勢識別 HMI 應用

無需接觸系統(tǒng)控制

在目前需要人們物理觸摸面板或操縱開關的設備中安裝手勢識別 HMI 的巨大市場正在出現(xiàn)。這些熟悉的控件可能會因重復使用而受到污染。隨著時間的推移，油和污垢會積聚，通常會導致操作變得不可靠。需要定期檢查和清潔來糾正這個問題，成本相當高。

可以實現(xiàn)非接觸式控制方法，允許用戶使用手勢來執(zhí)行開/關、打開/關閉、翻頁和其他系統(tǒng)操作。先進的基于手勢的 HMI 可以簡化系統(tǒng)管理和維護任務。此外，通過消除產(chǎn)品上的開關或面板，它們有助于簡化、更現(xiàn)代的外觀設計（見圖 1b）。

在商業(yè)和工業(yè)應用中，手勢控制型 HMI 可以提高生產(chǎn)力。在食品加工廠等清潔設施中尤其如此，在這些設施中，操作員在接觸機器的控制面板之前必須洗手或消毒雙手。基于手勢的 HMI 消除了這些接觸，節(jié)省了重復洗手的時間和精力，同時還有助于最大程度地降低污染風險（見圖 1c）。

為手勢檢測器設計尋找設計解決方案

手勢識別功能并不新鮮。傳統(tǒng)上，它們是通過使用多個紅外 （IR） 傳感器或通過將圖像傳感器與圖像處理引擎相結合來構建的。

IR 傳感器是一種檢測沿單個預定維度運動的低成本方式，它們可以抵抗外部光線的干擾。但是，它們僅在小距離（約 10 厘米）內有效。

相比之下，與信號處理器配合使用的圖像傳感器可實現(xiàn)更復雜的識別，但它們相當昂貴。此外，它們不適合背光遮擋視線并降低運動檢測精度的位置。

實現(xiàn)有效的手勢識別用戶界面

瑞薩電子成功應對了這一挑戰(zhàn)，成功開發(fā)了一種成本極低的高靈敏度實現(xiàn)，可檢測長達 1 米的八個手掌運動方向（垂直、水平和對角線），并且可以檢測最遠 10 米的身體手勢。

我們新的 HMI 解決方案的性能遠遠超過安裝在智能手機上的大多數(shù)當代手勢識別系統(tǒng)，智能手機需要手非常靠近手機屏幕。

因此，新的瑞薩解決方案是一項非常及時的技術進步。它的功能使得人們可以通過在距離檢測電路合理距離處進行手部動作來構建有吸引力的產(chǎn)品。這種能力是一個巨大的系統(tǒng)設計優(yōu)勢——為非接觸式接口開辟了巨大的應用機會。

應用一種新型的非常靈敏、快速響應的紅外傳感器

感應板裝有四個熱釋電紅外傳感器，能夠檢測生物體產(chǎn)生的紅外輻射（熱量）（見圖 2）。

熱釋電傳感器廣泛用于運動檢測，并且多年來已經(jīng)證明了自己。但典型的實現(xiàn)通常僅用于檢測人是否存在，因為傳統(tǒng)的熱釋電傳感器響應太慢而無法檢測小區(qū)域的快速運動，因此不適合檢測手掌運動。由于這些傳感器不會記錄圖片或以其他方式侵犯隱私，因此即使在隱私存在問題的領域也被廣泛接受。

手勢識別用戶界面演示板

瑞薩電子解決方案通過采用 Sensors and Works， Ltd. 開發(fā)的新型有機鐵磁薄膜類型，消除了傳統(tǒng)熱釋電 IR 傳感器的速度和距離限制。這些先進的熱釋電器件的運行速度提高了 10 倍以上，工作距離可達約 1 米。 它們的噪音也更低，允許更大的動態(tài)范圍。此外，它們用途廣泛，可以安裝在廣泛的位置，因為它們具有固有的抗外部光源干擾的能力。

熱釋電紅外傳感器的比較

圖 3 將有機鐵磁薄膜傳感器的最佳響應特性與傳統(tǒng)熱釋電紅外傳感器的性能進行了比較。藍線的左端表示傳統(tǒng)類型在相對較長時間暴露于熱源（如手掌）時具有高靈敏度。然而，該線的右端顯示了導致其動態(tài)性能不佳的靈敏度急劇下降。

減少 HMI 解決方案的部件數(shù)量和成本

如圖 4 所示，瑞薩電子手勢識別電路將來自四個有機鐵磁薄膜紅外傳感器的輸出信號饋送到瑞薩智能模擬 IC300 （RAA730300）。該芯片的模擬前端電路將傳感器的響應特性標準化，然后將包含運動檢測信息的放大信號發(fā)送到 RL78/G1A 微控制器。

使用智能模擬 IC 作為橋接設備來調節(jié) MCU 的傳感器信號，顯著減少了原本需要的外部無源元件的數(shù)量，從而降低了我們手勢識別解決方案的成本。此外，智能模擬 IC 無需在 MCU 中運行數(shù)字濾波器軟件，從而減少其 CPU 負載。

基于 RL78/G1A 的電路板可以驅動 LED 和 LCD 顯示器，讓系統(tǒng)工程師實時觀察傳感器輸出。這種測試功能加快了應用程序的開發(fā)，消除了監(jiān)測傳感器跟蹤信號源的情況所需的大量工作。

瑞薩電子演示手勢識別板框圖

運行強大、靈活的手勢識別軟件

這里應該注意的是，紅外傳感器本身并不檢測運動。相反，每個傳感器只有兩種可能的輸出：檢測到或未檢測到熱源。因此，MCU 必須處理來自所有四個傳感器的輸入信號，以確定檢測到的手勢的方向。

安裝在 RL78/G1A MCU 中的應用軟件包含此處理必不可少的算法。如前所述，它區(qū)分了在水平、垂直和對角線方向應用的八種不同的手掌運動（見圖 5）。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的要求，這些手勢中的每一個都可以分配給不同的系統(tǒng)控制功能。

八種手勢方向識別

雖然實際的手勢檢測處理相當復雜，但瑞薩解決方案對系統(tǒng)開發(fā)人員隱藏了這種復雜性，以幫助最大限度地減少他們的設計工作量。例如，考慮到當用戶執(zhí)行從右向左移動手的手勢時，他或她幾乎肯定會在做出預期的控制手勢后將手放回原始位置。運動檢測軟件不得將此返回運動解釋為另一個手勢；否則，可能會啟動錯誤操作。MCU 的內置軟件僅識別和處理預期的初始動作，同時有效地忽略返回動作，從而避免了這一潛在問題。

片上軟件提供微調調整以處理不同的環(huán)境和操作員特征。例如，平均手勢速度可能因安裝而異；因此可以修改適當?shù)?a target="_blank">參數(shù)以獲得最佳的 HMI 結果。檢測靈敏度參數(shù)也可以改變。可以針對操作員的手部溫度、環(huán)境溫度和其他環(huán)境因素優(yōu)化用戶界面性能。

MCU 軟件中的參數(shù)調整功能使系統(tǒng)工程師能夠最大限度地提高產(chǎn)品性能，而無需分析手勢識別的細節(jié)。

編輯：ymf