基于靜場(chǎng)的手勢(shì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及空調(diào)應(yīng)用

毛躍輝

MAO Yuehui

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

Gree Electric Appliance, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

隨著智能技術(shù)的飛速發(fā)展，手勢(shì)控制、語(yǔ)音識(shí)別等人機(jī)交互技術(shù)逐漸應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)目前相對(duì)比較成熟，已在部分產(chǎn)品上工程落地。手勢(shì)技術(shù)是繼語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)后又一智能技術(shù)，目前該技術(shù)得到行業(yè)的大力研究和工程推廣，如智能電視、智能空調(diào)、智能體感游戲等，人機(jī)交互控制方式由傳統(tǒng)的按鍵操控、紅外遙控、APP控制等線性界面操控方式逐漸轉(zhuǎn)化為“即效非接觸式非線性界面”手勢(shì)控制方式，讓用戶隨時(shí)伸手即控制，具有較強(qiáng)的視覺沖擊，科技感和互動(dòng)性好，適用于靜音場(chǎng)合和特殊人群產(chǎn)品。此類手勢(shì)控制技術(shù)一般都基于圖像識(shí)別技術(shù)衍生，運(yùn)行算力大，對(duì)硬件資源要求較高、成本高，同時(shí)受周邊亮度、光照等因素影響較大，且用戶學(xué)習(xí)成本高。

本文提出一種基于靜場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)近場(chǎng)手勢(shì)控制系統(tǒng)，以區(qū)別于基于圖像識(shí)別手勢(shì)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、成本相對(duì)低，受環(huán)境因素影響少，用戶對(duì)手勢(shì)學(xué)習(xí)成本低、體驗(yàn)自然度好，識(shí)別率高，適合在廚房電器（如油煙機(jī)等）、立式空調(diào)、落地風(fēng)扇、家用電梯等產(chǎn)品上應(yīng)用，尤其適合在小孩和老年人產(chǎn)品上使用，易學(xué)易用，方便家電產(chǎn)品的控制，提高人機(jī)交互的實(shí)用性。

2 靜場(chǎng)手勢(shì)控制的基本原理

人手在空間三維靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指會(huì)切割電場(chǎng)線，從而改變場(chǎng)強(qiáng)的變化。靜電場(chǎng)手勢(shì)控制就是檢測(cè)這種電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，把其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，通過與內(nèi)部存儲(chǔ)器中的信號(hào)對(duì)比、識(shí)別，判斷出人手的動(dòng)作，然后把其輸入到主控，應(yīng)用主控根據(jù)該動(dòng)作信號(hào)對(duì)現(xiàn)有的控制模式及功能做出更改。

芯片生成勵(lì)磁電壓，頻率在100 kHz左右，勵(lì)磁電壓作用于發(fā)射電極與接地層，最終建立起一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)從發(fā)射電極擴(kuò)展到電極之上的掃描區(qū)域。施加交流電壓時(shí)電荷會(huì)隨著時(shí)間變化，從而產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。當(dāng)電荷隨著頻率按照正弦曲線變化時(shí)，產(chǎn)生的電磁波特性波長(zhǎng)λ=c/f（其中c是波速，即真空中光速）。

在波長(zhǎng)比電極幾何尺寸大很多的情況下，磁分量實(shí)際為零，且不會(huì)傳播電波。由于勵(lì)磁電壓波長(zhǎng)遠(yuǎn)比電極尺寸大，貫穿掃描區(qū)域電場(chǎng)就非常均衡，電場(chǎng)由電荷產(chǎn)生，它分布在圍繞表面帶電物體的三維空間中。圖1為未失真電場(chǎng)的等電位線圖，圖2為失真電場(chǎng)的等電位線圖。

圖1 未失真電場(chǎng)的等電位線

圖2 失真電場(chǎng)的等電位線

圖1、2中：Field lines-電場(chǎng)線；Equipotential lines-等電位線；isolation-隔離；Transmitter-發(fā)射器；Receive-接收器；Ground-地。

如圖2，當(dāng)用戶將手伸進(jìn)掃描區(qū)域，電場(chǎng)就會(huì)隨之發(fā)生變化。電場(chǎng)線必須接近與導(dǎo)體表面呈垂直狀態(tài)，手旁邊的電場(chǎng)線由于人體自身導(dǎo)電特性產(chǎn)生分路，手伸進(jìn)感應(yīng)區(qū)域位置對(duì)等勢(shì)線產(chǎn)生壓迫，并且降低電極信號(hào)電平。在人手或手指進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)失真，由于人體本身導(dǎo)電性，電場(chǎng)線會(huì)被引向人手并分流到地，本地的三維電場(chǎng)會(huì)減小。

靜電場(chǎng)手勢(shì)控制技術(shù)需使用最少5個(gè)接收器（RX）電極，用于檢測(cè)不同位置電場(chǎng)變化，以測(cè)量電場(chǎng)失真（偏離所接收到的不斷變化信號(hào)）的根源，該信息用于計(jì)算位置、跟蹤移動(dòng)和區(qū)分移動(dòng)模式（手勢(shì)）。圖2模擬結(jié)果顯示接地的人體對(duì)電場(chǎng)的影響，人體的接近會(huì)導(dǎo)致等電位線擠壓，并將接收器（RX）電極信號(hào)電平平移至較低電位，從而得以測(cè)量。圖3為所用的靜場(chǎng)手勢(shì)傳感器整體設(shè)計(jì)效果圖。

圖3 靜場(chǎng)手勢(shì)傳感器整體設(shè)計(jì)效果圖

3 靜場(chǎng)手勢(shì)控制模式與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能模式基本設(shè)計(jì)

控制過程中，需要對(duì)動(dòng)態(tài)手勢(shì)符號(hào)進(jìn)行定義，根據(jù)定義后的手勢(shì)控制空調(diào)各種負(fù)載運(yùn)行（示例基礎(chǔ)功能但不限于此），控制要求及相應(yīng)模式設(shè)計(jì)如下：

（1）手勢(shì)控制操作要求：

①要求在手勢(shì)傳感器范圍內(nèi)操作，偏離此區(qū)域可能出現(xiàn)不識(shí)別或誤動(dòng)作；

②要求距離面板（手勢(shì)傳感器區(qū)域）15 cm內(nèi)進(jìn)行指定動(dòng)態(tài)手勢(shì)操作，超出此距離可能導(dǎo)致不識(shí)別或誤動(dòng)作。

（2）靜場(chǎng)手勢(shì)操作實(shí)現(xiàn)的控制功能如下：

①TOUCH（開/關(guān)機(jī)）：初始關(guān)機(jī)狀態(tài)下，在由傳感器圍成的區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行任一點(diǎn)以上觸摸，檢測(cè)到此手勢(shì)動(dòng)作，運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；

②TOUCH（模式切換）：該【TOUCH 2】方式為觸摸控制板4個(gè)傳感器，該傳感器按照方向分別定義為【左】、【右】、【上】、【下】；

③觸摸傳感器【左】定義制熱模式；傳感器【右】定義制冷模式；傳感器【上】定義為自動(dòng)模式、抽濕模式、送風(fēng)模式；傳感器【下】定義為風(fēng)速設(shè)定。其中，傳感器【左】和傳感器【右】均為單次觸摸即可實(shí)現(xiàn)制熱/制冷模式功能轉(zhuǎn)換；傳感器【上】為循環(huán)觸摸功能轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換順序按照：自動(dòng)模式、抽濕模式、送風(fēng)模式運(yùn)行；傳感器【下】為風(fēng)速循環(huán)觸摸功能轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換順序：低風(fēng)檔、中風(fēng)檔、高風(fēng)檔、超高風(fēng)檔運(yùn)行；

④掃風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)模式切換：右揮手定義掃風(fēng)模式，左揮手定義掃風(fēng)模式，上揮手定義導(dǎo)風(fēng)模式，下?lián)]手定義導(dǎo)風(fēng)模式，左右連續(xù)手勢(shì)動(dòng)作定義自動(dòng)掃風(fēng)，上下連續(xù)手勢(shì)動(dòng)作定義為自動(dòng)導(dǎo)風(fēng)；

⑤AIR WHEEL（設(shè)定溫度調(diào)節(jié)）：當(dāng)手勢(shì)連續(xù)順時(shí)針畫圈定義為設(shè)定溫度上升；當(dāng)手勢(shì)連續(xù)逆時(shí)針畫圈定義為設(shè)定溫度下降：即【溫度+】和【溫度-】，調(diào)節(jié)范圍為16℃～30℃。

上述相關(guān)手勢(shì)符號(hào)定義匯總?cè)绫?。

3.2 靜場(chǎng)手勢(shì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靜場(chǎng)控制器是一款混合型信號(hào)控制器，具有1個(gè)發(fā)送通道和5個(gè)高靈敏度接收通道，能夠檢測(cè)對(duì)應(yīng)10～15 F范圍內(nèi)電容變化的發(fā)送電場(chǎng)失真。發(fā)送和接收電場(chǎng)電極與控制器的發(fā)送和接收通道相連，電極空間分布使芯片可以確定電場(chǎng)失真的重心，并在檢測(cè)空間中對(duì)用戶的手進(jìn)行易懂路徑及位置跟蹤，并從移動(dòng)路徑中提取出手勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)動(dòng)態(tài)手勢(shì)控制，與目前成本較高的基于圖像識(shí)別的動(dòng)態(tài)手勢(shì)[5]控制相當(dāng)。手勢(shì)檢測(cè)與識(shí)別提取、空調(diào)主控控制設(shè)計(jì)流程如圖4、圖5示意。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器由手勢(shì)檢測(cè)傳感器模塊、MGC3130控制模塊、嵌入式Gest IC庫(kù)模塊、外部電路模塊等4個(gè)關(guān)鍵主要模塊組成，整體控制原理圖如圖6所示。

表1 靜場(chǎng)動(dòng)態(tài)手勢(shì)符號(hào)定義匯總表

圖4 手勢(shì)檢測(cè)與識(shí)別的提取流程圖

圖5 主控控制流程圖

圖6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理圖

（1）檢測(cè)傳感器模塊電極設(shè)計(jì)

傳感器模塊電極使用雙層電極設(shè)計(jì)，電極布線如圖7。電極內(nèi)置在PCB，包含1個(gè)發(fā)送電極和5個(gè)接收電極（東、西、南、北、中），各放置在不同層上。電極外邊緣尺寸為148 mm×98.7 mm。感應(yīng)區(qū)域縱橫比為3:2。電極布線基于使用FR4材料的4層PCB設(shè)計(jì)，使用以下功能層如圖7：

①第1層（頂層）：接收電極；

②第2層未使用；

③第3層：發(fā)送電極和接收饋線；

④第4層（底層）：地。

圖7 電極布線圖

接收電極設(shè)計(jì)包括4個(gè)框架形電極和1個(gè)中心電極，框架形電極是根據(jù)其方位（北、東、南、西）來命名的。4個(gè)接收框架形電極的尺寸限定了最大感應(yīng)區(qū)域，中心電極（陰影線區(qū)）采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)以得到與4個(gè)框架形電極相似的輸入信號(hào)電平。發(fā)送電極占據(jù)接收電極下面的整個(gè)區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)以減小接收電極和發(fā)送電極之間的電容（CRXTX）。中心電極下面的區(qū)域占覆銅平面的50%，周圍區(qū)域僅占20%。接收饋線走線到第3層。它們嵌入到發(fā)送電極中見圖7和圖8，以屏蔽饋線。在目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不需要GND層，添加該層作為樣機(jī)驗(yàn)證模塊板的屏蔽層，并可模擬靜態(tài)組件的存在，這些組件放置在感應(yīng)電極下目標(biāo)器件中。為保持接地電容（CTXGND和CRXGND）小于1 nF，GND層采用40%區(qū)域覆銅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電極設(shè)計(jì)尺寸如表2，整體檢測(cè)區(qū)域最終效果圖如圖9所示。

（2）MGC3130控制模塊設(shè)計(jì)

MGC3130模塊主要組成：低噪聲模擬前端、數(shù)字信號(hào)處理單元、通信接口。該控制器可以提供用于產(chǎn)生電場(chǎng)的發(fā)送信號(hào)，調(diào)節(jié)接收電極的模擬信號(hào)，以數(shù)字形式處理這些數(shù)據(jù)，并與主控進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信，相應(yīng)框架如圖10。

表2 檢測(cè)電極設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)表

圖8 檢測(cè)傳感器PCB板的層疊圖

圖9 整體檢測(cè)感應(yīng)區(qū)域效果圖

圖10 MGC3130控制器

（3）Gest IC庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

嵌入式Gest IC庫(kù)優(yōu)化結(jié)合MGC3130芯片，確保連續(xù)實(shí)時(shí)自由空間位置跟蹤和手勢(shì)識(shí)別連續(xù)性，該庫(kù)可以配置，并允許分別為每個(gè)應(yīng)用和電極布局確定必需的參數(shù)。

（4）參考電路及I2C到USB橋接器設(shè)計(jì)

由單個(gè)3.3 V電源供電，通過板上的復(fù)位按鈕或PIC18F14K50控制MGC3130復(fù)位，并以I2C實(shí)現(xiàn)與USB橋接器的通信。其次，為了抑制輻射的高頻信號(hào)，通過1 kΩ電阻將芯片的5個(gè)接收通道連接到電極。MGC3130和主控之間的通信通過I2C到USB橋接器部分控制，消息交換由PIC18F14K50USB單片機(jī)處理，PIC18F14K50用于在LED條形顯示屏上指示通信狀態(tài)以及控制MGC3130硬件復(fù)位。模塊板通過USB端口供電，采用Microchip低壓差穩(wěn)壓器MCP1801，用于將5 V的USB電源轉(zhuǎn)換為MGC3130和PIC18F14K50所需的3.3 V電源。

（5）電極電容參數(shù)選型設(shè)計(jì)及靈敏度曲線要求，電極電容參數(shù)選擇如表3，相應(yīng)電極靈敏度要求曲線如圖11-12所示。

圖11 從西到東靈敏度曲線

表3 電容電極參數(shù)選型表

4 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次測(cè)試樣機(jī)選擇玻璃面板的柜機(jī)，傳感器安裝在玻璃面板內(nèi)側(cè)，安裝時(shí)需要保證傳感器板與空調(diào)面板玻璃緊密接觸。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)組裝圖如圖13所示。

驗(yàn)證靜場(chǎng)手勢(shì)傳感器內(nèi)置空調(diào)后，環(huán)境因素是否對(duì)該傳感器控制造成干擾，該實(shí)驗(yàn)共經(jīng)歷5項(xiàng)內(nèi)容驗(yàn)證：

（1）開關(guān)電源供電干擾實(shí)驗(yàn)

判斷標(biāo)準(zhǔn)：本次手勢(shì)控制板供電電壓為3.3 V，開關(guān)電源的開關(guān)頻率和功率密度引起的電磁環(huán)境不對(duì)傳感器工作造成影響。

（2）面板材料干擾反應(yīng)靈敏度實(shí)驗(yàn)

判斷標(biāo)準(zhǔn)：安裝現(xiàn)有柜機(jī)面板背面，上電工作面板材料對(duì)功能操作沒有影響，不能出現(xiàn)誤動(dòng)作或反應(yīng)靈敏度下降。

圖12 從北到南靈敏度曲線

圖13 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)組裝圖

（3）溫濕度干擾實(shí)驗(yàn)

①低溫實(shí)驗(yàn)：將裝好傳感器的整機(jī)放入工況試驗(yàn)室中試驗(yàn)，室外側(cè)干球溫度設(shè)定為-20℃（RH30%），開機(jī)放置2 h后，送風(fēng)模式下進(jìn)行手勢(shì)控制器的測(cè)試，期間進(jìn)行手勢(shì)控制和觸摸操作，各種功能指示、顯示是否正常。

②高溫實(shí)驗(yàn)：將裝好傳感器的整機(jī)放入工況試驗(yàn)室中試驗(yàn)。室外側(cè)干球溫度設(shè)定為40℃（RH90%），開機(jī)放置2 h后，送風(fēng)模式下進(jìn)行手勢(shì)控制器的測(cè)試，期間進(jìn)行手勢(shì)控制和觸摸操作，各種功能指示、顯示是否正常。

判斷標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)過程中整機(jī)運(yùn)行正常，各種功能指示、顯示器必須能正常顯示，不會(huì)出現(xiàn)模糊、暗劃、缺劃甚至不顯示等現(xiàn)象，手勢(shì)控制反應(yīng)靈敏度高、無(wú)誤操作。

（4）EFT和靜電干擾實(shí)驗(yàn)

EFT要求通過4 kV（峰值），靜電放電需滿足如下要求：

①實(shí)驗(yàn)前對(duì)將要試驗(yàn)的所有控制器上電檢測(cè)，保證試驗(yàn)前控制器各部件完好，所有功能正常運(yùn)行；

②控制器抗靜電值大于等于15 kV；

③對(duì)于測(cè)試的控制器在小于15 kV時(shí)出現(xiàn)了不可恢復(fù)的功能故障，控制器靜電測(cè)試判不合格；

④取3塊控制器，試驗(yàn)過程中有其中任1塊控制器抗靜電值小于15 kV，則此款控制器抗靜電試驗(yàn)判不合格。

（5）環(huán)境自適應(yīng)校正測(cè)試

圖14 環(huán)境自適應(yīng)測(cè)試校正曲線

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）開關(guān)電源供電干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果：開關(guān)電源對(duì)傳感器的供電不產(chǎn)生影響，手勢(shì)傳感器可以正常使用，無(wú)失效情況發(fā)生。

（2）面板材料的影響程度實(shí)驗(yàn)結(jié)果：由于手勢(shì)傳感器的特殊情況，接觸面不能使用金屬材質(zhì)，正常使用中選用非金屬材料，目前面板測(cè)試時(shí)選擇材料為：亞克力板、玻璃面板、噴涂面板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：亞克力板、玻璃面板、噴涂面板對(duì)手勢(shì)基本無(wú)影響，可以通過試驗(yàn)。

（3）溫濕度干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果：分別在環(huán)境溫度-15℃和40℃下靜置2 h后開啟，通過實(shí)驗(yàn)后各項(xiàng)手勢(shì)功能均能正常工作，靈敏度均未見降低。

（4）EFT和靜電實(shí)驗(yàn)結(jié)果：EFT和靜電實(shí)驗(yàn)符合企標(biāo)要求，驗(yàn)證合格。

（5）模擬前端環(huán)境自適應(yīng)校正實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過校正軟件對(duì)手勢(shì)傳感器的干擾因素進(jìn)行校正，最終校正測(cè)試結(jié)果如圖14示意，相應(yīng)校正后的曲線滿足靈敏度測(cè)試要求，跟隨性較好，無(wú)卡頓滯留現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 總結(jié)

通過對(duì)靜場(chǎng)手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，并在實(shí)際樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相應(yīng)結(jié)論總結(jié)如下：

①手勢(shì)傳感器安裝部位及附近接觸面不能使用金屬材質(zhì)，正常使用中選用非金屬材料，避免檢測(cè)干擾。研究結(jié)果顯示，對(duì)非金屬材料選用基本無(wú)特殊性要求，對(duì)結(jié)構(gòu)安裝約束性少，基本覆蓋現(xiàn)有空調(diào)的常規(guī)面板材料，可做到通用性；

②手勢(shì)傳感器PCB板建議設(shè)計(jì)為5寸，便于配合結(jié)構(gòu)安裝，可滿足常規(guī)機(jī)型的通用要求；

③手勢(shì)傳感器與主控之間采用I2C通訊方式，保證相關(guān)控制功能得到可靠執(zhí)行；

④提供傳感器的供電電壓必須保證3.3 V，若電壓與控制電壓稍有不符，通訊將無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)，手勢(shì)無(wú)法獲得精確控制，此點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格遵照，需單獨(dú)采用專用I2C芯片進(jìn)行供電電路設(shè)計(jì)；

⑤實(shí)際樣機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)滿足產(chǎn)品應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)預(yù)定控制邏輯功能，設(shè)計(jì)成果將進(jìn)一步向其他智能產(chǎn)品推廣應(yīng)用。

綜上所述，在近場(chǎng)手勢(shì)控制領(lǐng)域，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本相對(duì)圖像識(shí)別手勢(shì)控制系統(tǒng)低、受結(jié)構(gòu)安裝和產(chǎn)品安裝表面材料影響極低，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)快速迭代，對(duì)硬件算力要求不高，占用資源要求較低，便于硬件模塊及系統(tǒng)的低成本設(shè)計(jì)，功能的低成本升級(jí)開發(fā)，能較好的適用于非接觸、近場(chǎng)操控場(chǎng)景產(chǎn)品，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值和較高的綜合性價(jià)比。