一種基于超聲定位的3d手勢識別控制器及方法
【專利摘要】本發(fā)明所述的一種基于超聲定位的3D手勢識別控制器及方法，控制器包括：信號采集電路和定位與識別單元；方法包括：采集背景信號并濾波；采集發(fā)射超聲波信號，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并使濾波后的數(shù)據(jù)減去背景信號濾波后的數(shù)據(jù)；截取直射信號與反射信號，對直射信號與反射信號間的時間延時進(jìn)行最大擬然估計；通過直射時間與延時時間獲得超聲波信號傳播時間，根據(jù)超聲波傳播時間得到超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)手反射到達(dá)接收探頭的傳播距離依此獲得手勢位置坐標(biāo)，采集標(biāo)準(zhǔn)手勢位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)并保存；計算數(shù)據(jù)表中的樣本與所有標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的距離；分析數(shù)據(jù)表中的樣本與標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的最小距離是否小于給定值，是，輸出對應(yīng)的標(biāo)注手勢；否則不做判定。
【專利說明】一種基于超聲定位的3D手勢識別控制器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于超聲定位的3D手勢識別控制器及實現(xiàn)方法，可用于智慧家庭中家居設(shè)備控制、工業(yè)設(shè)備的手勢控制，也可作為一種人機(jī)接口。
【背景技術(shù)】
[0002]智慧家庭是未來發(fā)展趨勢，現(xiàn)在智慧家庭中用到的家居設(shè)備主要通過按鈕，遙控器控制和接觸式手勢識別控制，其特點都是需要接觸特定的物體。隨著家居設(shè)備的增多，按鈕和遙控器的數(shù)量增多，需要記憶的操作模式增多。目前用超聲定位進(jìn)行手勢識別的方案需要有發(fā)射或者接收器在手中，為接觸式手勢識別控制。
[0003]鼠標(biāo)能測量平面位置移動和發(fā)出簡單按鍵信號，但鼠標(biāo)需要用手接觸控制，并且需要平整的鼠標(biāo)墊；這樣鼠標(biāo)無法隨時隨地的用于人機(jī)接口，如在廚房或者在工業(yè)現(xiàn)場難以用鼠標(biāo)作為人機(jī)接口。
[0004]基于視覺的手勢識別方法簡便易行，設(shè)備成本低廉，屬于非接觸式的手勢識別，但二維圖像沒有深度信息，圖像上的手和背景難以進(jìn)行區(qū)分。如果使用立體掃描的方法，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，不適合在小型的家居設(shè)備或者工控設(shè)備上運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒為解決上述中存在的問題與缺陷，本發(fā)明提供了一種基于超聲定位的3D手勢識別控制器及實現(xiàn)方法，該控制器和實現(xiàn)方法可以實現(xiàn)手勢位置的測量，包括收到控制器的距離和控制器平行平面上的坐標(biāo)；根據(jù)手勢位置的變化識別手勢；使用簡便，成本低廉。所述技術(shù)方案如下:
[0006]一種基于超聲定位的3D手勢識別控制器，包括:
[0007]信號采集電路和定位與識別單元；所述
[0008]信號采集電路，包括超聲波收發(fā)陣列、發(fā)射電路、接收電路和升壓電源；
[0009]定位與識別單元，包括位置測量單元和手勢識別單元；
[0010]所述位置測量單元，包括關(guān)閉接收探頭，用于采集超聲背景信號和發(fā)射的超聲波信號，并通過發(fā)射的超聲波信號和超聲背景信號得到測量信號；及
[0011]截取時間段內(nèi)的測量信號為直射信號和反射信號，對直射信號與反射信號間的延時進(jìn)行最大擬然估計，通過直射時間與延時時間獲得超聲波信號傳播時間，根據(jù)超聲波傳播時間得到超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)手反射到達(dá)接收探頭的傳播距離，根據(jù)所述傳播距離獲得手勢位置坐標(biāo)并保存；所述手勢位置坐標(biāo)包括多組；
[0012]所述手勢識別單元，用于對獲取的多組手勢位置坐標(biāo)求平均得到手勢的位置并采集標(biāo)準(zhǔn)手勢位置坐標(biāo)序列并保存，對獲取的手勢坐標(biāo)序列與標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)序列進(jìn)行識別。
[0013]一種基于超聲定位的3D手勢識別方法，包括:
[0014]采集背景信號并濾波；
[0015]采集發(fā)射超聲波信號，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并使濾波后的數(shù)據(jù)減去背景信號濾波后的數(shù)據(jù)；
[0016]截取直射信號與反射信號，對直射信號與反射信號間的時間延時進(jìn)行最大擬然估計；
[0017]通過直射時間與延時時間獲得超聲波信號傳播時間，根據(jù)超聲波傳播時間得到超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)手反射到達(dá)接收探頭的傳播距離；
[0018]通過所述傳播距離獲得手勢位置坐標(biāo)，采集標(biāo)準(zhǔn)手勢位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)并保存；
[0019]計算數(shù)據(jù)表中的樣本與所有標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的距離；
[0020]分析數(shù)據(jù)表中的樣本與標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的最小距離是否小于給定值，是，輸出對應(yīng)的標(biāo)注手勢；否則不做判定。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一個或多個實施例可以具有如下優(yōu)點:
[0022]改進(jìn)升壓電路，使得升壓電路高效且驅(qū)動能力大，設(shè)計快速消振電路，減小了超聲波測量盲區(qū)；使用了對數(shù)放大器，可接收大動態(tài)信號；
[0023]通過關(guān)閉接收探頭獲取背景信號，每次測量值都減去背景信號的方法，消除了背景信號的干擾，突出了直射信號與反射信號。
[0024]通過截取直射信號與反射信號，對兩個信號延時做最大似然估計，可準(zhǔn)確確定回波時間點；使用粗迭代與細(xì)迭代相結(jié)合的方法提高了延時最大似然方程的求解速度；對反射波飛行距離進(jìn)行分組求解然后平均，使得手勢位置穩(wěn)定，準(zhǔn)確。
[0025]使用最近鄰法進(jìn)行手勢識別，并對樣本間的距離做了簡單合理的定義。
[0026]手運動姿勢包括平行和垂直控制器平面手勢，有左右，前后，上下，順時針畫圈，逆時針畫圈，往復(fù)，及這些手勢可能的組合，操控簡單，可以對家居設(shè)備，工業(yè)設(shè)備，電腦進(jìn)行控制，且該控制器堅固耐用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是基于超聲定位的3D手勢識別控制器結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖2是基于超聲定位的3D手勢識別控制器升壓電源電路圖；
[0029]圖3是基于超聲定位的3D手勢識別控制器發(fā)射電路圖；
[0030]圖4是基于超聲定位的3D手勢識別控制器接收電路圖；
[0031]圖5是基于超聲定位的3D手勢識別控制器的定位算法流程圖。
具體實施例
[0032]為使本發(fā)明專利的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明專利作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0033]本發(fā)明提供了一種基于超聲定位的3D手勢識別控制器，所述控制器包括:信號采集電路和定位與識別單元；所述
[0034]信號采集電路，包括超聲波收發(fā)陣列、發(fā)射電路、接收電路和升壓電源；
[0035]定位與識別單元，包括位置測量單元和手勢識別單元；
[0036]所述位置測量單元，包括關(guān)閉接收探頭，用于采集超聲背景信號和發(fā)射的超聲波信號，并通過發(fā)射的超聲波信號和超聲背景信號得到測量信號；及
[0037]截取時間段內(nèi)的測量信號為直射信號和反射信號，對直射信號與反射信號間的延時進(jìn)行最大擬然估計，通過直射時間與延時時間獲得超聲波信號傳播時間，根據(jù)超聲波傳播時間得到超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)手反射到達(dá)接收探頭的傳播距離，根據(jù)所述傳播距離獲得手勢位置坐標(biāo)并保存；所述手勢位置坐標(biāo)包括多組；
[0038]所述手勢識別單元，用于對獲取的多組手勢位置坐標(biāo)求平均得到手勢的位置并采集標(biāo)準(zhǔn)手勢位置坐標(biāo)序列并保存，對獲取的手勢坐標(biāo)序列與標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)序列進(jìn)行識別。
[0039]手到發(fā)射點和接收點距離之和用超聲飛行時間法測量；所述飛行時間法是通過測量直射信號與反射信號延時加上直射信號傳播時間的方法間接測量；本方法測量得到反射波所用時間，由于聲速不變，可根據(jù)反射波所用時間計算反射波的總路程，如圖1所示，反射探頭在原點坐標(biāo)為(0，0，0)，接收探頭在四周成對稱位置排列坐標(biāo)為(RcosΘ，RsinΘ，O), (-RcosΘ，RsinΘ，O), (-RcosΘ，-RsinΘ，O), (Rcos Θ，-RsinΘ，O)。
[0040]上述超聲波收發(fā)陣列由一個發(fā)射探頭和四個接收探頭組成，四個接收探頭以發(fā)射探頭為圓心R為半徑的圓上對稱安裝。
[0041]上述發(fā)射電路具有快速消除余振的功能，由H橋進(jìn)行發(fā)射功率放大，變壓器進(jìn)行升壓，串聯(lián)二極管進(jìn)行余振阻斷，當(dāng)發(fā)射完畢時打開PhotoMOS繼電器，進(jìn)行消除余振(如圖
3所示)。所述的發(fā)射電路由圖2所示產(chǎn)生的升壓電源進(jìn)行供電，該升壓電源使用了 PT4101升壓芯片，并改進(jìn)部分電路；所述改進(jìn)部分為芯片“SW”引腳與地之間接入一個串聯(lián)諧振電路，先接電容，后串聯(lián)電感到地，電容與電感的連接處接二極管輸出，電容大小為5nF，電感大小為4.7uH。
[0042]上述接收電路為具有接收任意時間點超聲強(qiáng)度且大動態(tài)輸入的電路，如圖4所示，接收信號Cl用差分方式輸入模擬開關(guān)C2，對模擬開關(guān)輸出信號進(jìn)行差分放大C3和帶通濾波C4，對濾波輸出信號進(jìn)行對數(shù)放大C5，最后通過運放跟隨器C6輸出給AD進(jìn)行采樣；所述接收電路用5V單電源供電，用運放構(gòu)建2.5V的“虛地”，對數(shù)放大C5的差分輸入端，一端接入濾波器C4輸出信號，另一端接“虛地”。開機(jī)時關(guān)閉接收探頭開關(guān)A_SW，發(fā)送超聲信號并采集；把此次采集得到的信號進(jìn)行數(shù)字濾波，作為背景信號保存；設(shè)背景信號為Sbl) Sb2) Sb3, Sb4。
[0043]本實施例還提供了一種基于超聲定位的3D手勢識別方法，如圖5所示，該方法包括以下步驟:
[0044]步驟10采集背景信號并濾波；
[0045]步驟20采集發(fā)射超聲波信號，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并使濾波后的數(shù)據(jù)減去背景信號濾波后的數(shù)據(jù)；
[0046]步驟30截取直射信號與反射信號，對直射信號與反射信號間的時間延時進(jìn)行最大擬然估計；
[0047]步驟40通過直射時間與延時時間獲得超聲波信號傳播時間，根據(jù)超聲波傳播時間得到超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)手反射到達(dá)接收探頭的傳播距離，
[0048]步驟50通過所述傳播距離獲得手勢位置坐標(biāo)，采集標(biāo)準(zhǔn)手勢位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)并保存；
[0049]步驟60計算數(shù)據(jù)表中的樣本與所有標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的距離；
[0050]步驟70分析數(shù)據(jù)表中的樣本與標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的最小距離是否小于給定值，是，輸出對應(yīng)的標(biāo)注手勢；否則不做判定。[0051]上述背景信號的采集是在關(guān)閉探頭后進(jìn)行。在打開接收探頭后，發(fā)射超聲波并采集，對采集得到信號進(jìn)行數(shù)字濾波；得到信號設(shè)為=S1, S2, S3, S4 ;把該信號與背景信號相減，即 S1-Sbl, S2-Sb2, S3-Sb3, S4-Sb4，得到測量信號，設(shè)為:sxl, sx2, sx3, Sx40
[0052]因為直射信號產(chǎn)生的時間固定為
【權(quán)利要求】
1.一種基于超聲定位的3D手勢識別控制器，其特征在于，所述控制器包括:信號采集電路和定位與識別單元；所述 信號采集電路，包括超聲波收發(fā)陣列、發(fā)射電路、接收電路和升壓電源； 定位與識別單元，包括位置測量單元和手勢識別單元； 所述位置測量單元，包括關(guān)閉接收探頭，用于采集超聲背景信號和發(fā)射的超聲波信號，并通過發(fā)射的超聲波信號和超聲背景信號得到測量信號；及 截取時間段內(nèi)的測量信號為直射信號和反射信號，對直射信號與反射信號間的延時進(jìn)行最大擬然估計，通過直射時間與延時時間獲得超聲波信號傳播時間，根據(jù)超聲波傳播時間得到超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)手反射到達(dá)接收探頭的傳播距離，根據(jù)所述傳播距離獲得手勢位置坐標(biāo)并保存；所述手勢位置坐標(biāo)包括多組； 所述手勢識別單元，用于對獲取的多組手勢位置坐標(biāo)求平均得到手勢的位置并采集標(biāo)準(zhǔn)手勢位置坐標(biāo)序列并保存，對獲取的手勢坐標(biāo)序列與標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)序列進(jìn)行識別。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲定位的3D手勢識別控制器，其特征在于，所述超聲波收發(fā)陣列由一個發(fā)射探頭和四個接收探頭組成；所述四個接收探頭平均分布在以發(fā)射探頭為圓心的圓上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲定位的3D手勢識別控制器，其特征在于，所述關(guān)閉接收探頭在開機(jī)時發(fā)射超聲信號并采集接收信號，其中，采集接收信號先濾波再保存為背景?目號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲定位的3D手勢識別控制器，其特征在于，對所述對直射信號與反射信號間的延時進(jìn)行最大擬然估計具體包括:以發(fā)射時刻為時間零點，截取在
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲定位的3D手勢識別控制器，其特征在于，所述超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)手反射到接收探頭總路程所用時間為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲定位的3D手勢識別控制器，其特征在于，所述手勢坐標(biāo)是:將超聲從發(fā)射探頭經(jīng)手每三個反射到達(dá)接收探頭所用時間(txl，tx2，tx3，tx4)每三個分為一組，并分為三組求解得到；發(fā)射探頭坐標(biāo)為(0，O, O),四個接收探頭坐標(biāo)為(RcosΘ，RsinΘ , O), (-RcosΘ，RsinΘ , O), (-RcosΘ，-RsinΘ , O), (RcosΘ，-RsinΘ , O),手位置坐標(biāo)為(X，y, z)，按以下四個方程中任意三個可通過算法求解一個手位置坐標(biāo)，所述方程為:
7.一種基于超聲定位的3D手勢識別方法，其特征在于，所述方法包括: 采集背景信號并濾波； 采集發(fā)射超聲波信號，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并使濾波后的數(shù)據(jù)減去背景信號濾波后的數(shù)據(jù)； 截取直射信號與反射信號，對直射信號與反射信號間的時間延時進(jìn)行最大擬然估計；通過直射時間與延時時間獲得超聲波信號傳播時間，根據(jù)超聲波傳播時間得到超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)手反射到達(dá)接收探頭的傳播距離； 通過所述傳播距離獲得手勢位置坐標(biāo)，采集標(biāo)準(zhǔn)手勢位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)并保存； 計算數(shù)據(jù)表中的樣本與所有標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的距離； 分析數(shù)據(jù)表中的樣本與標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的最小距離是否小于給定值，是，輸出對應(yīng)的標(biāo)注手勢；否則不做判定。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于超聲定位的3D手勢識別控制器，其特征在于，對所述對直射信號與反射信號間的延時進(jìn)行最大擬然估計具體包括:以發(fā)射時刻為時間零點，截取在
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于超聲定位的3D手勢識別控制器，其特征在于，所述手勢坐標(biāo)是:將超聲從發(fā)射探頭經(jīng)手每三個反射到達(dá)接收探頭所用時間(txl，tx2，tx3，tx4)每三個分為一組，并分為三組求解得到；發(fā)射探頭坐標(biāo)為(0，O, O),四個接收探頭坐標(biāo)為(RcosΘ，RsinΘ , O), (-RcosΘ，RsinΘ , O), (-RcosΘ，-RsinΘ , O), (RcosΘ，-RsinΘ , O),手位置坐標(biāo)為(X，y, z)，按以下四個方程中任意三個可通過算法求解一個手位置坐標(biāo)，所述方程為:

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于超聲定位的3D手勢識別方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)表中的樣本與所有標(biāo)準(zhǔn)手勢坐標(biāo)間的距離計算方法包括: 對數(shù)據(jù)表D[n]中的數(shù)據(jù)按照存儲時間排序得到新的數(shù)據(jù)表E[n]； 取出標(biāo)準(zhǔn)手勢P[n]中的P[l]，并在E[n]中搜索最接近的坐標(biāo)E[aJ，求得P[l]與E[aJ兩點間的距離Cl1 ； 取出標(biāo)準(zhǔn)手勢樣本P [i]，并在EkiJ至E [η]中搜索最接近的坐標(biāo)E [i]，求的P [i]與坐標(biāo)E[i]兩點之間的距離屯；重復(fù)該步驟，直至求出標(biāo)準(zhǔn)手勢樣本P[i]內(nèi)每個坐標(biāo)與E[i]的最近距離； 將P[i]內(nèi)每個坐標(biāo)最近距離相加得到總的距離R = Cl^d2+……dn ； 求出每個標(biāo)準(zhǔn)樣本到E [η]的總距離，分別為Rpdl, Rpd2,......; 取出最小的總距離Rpdx，設(shè)定一個最小的距離Rmax,當(dāng)Rpdx〈Rmax時，判定手勢為Px[n]對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)手勢；當(dāng)Rpdx>Rmax時，不做判斷。
【文檔編號】G05B19/04GK103713536SQ201310746197
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】李昌, 周松斌, 黃可嘉, 韓威, 劉哲 申請人:廣東省自動化研究所