基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)及其控制方法，包括超帶寬模塊、主控模塊、天線模塊和通信電平轉(zhuǎn)換模塊，所述主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部并產(chǎn)生回波信號，天線模塊接收到所述回波信號后，將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進行處理，使得根據(jù)所述回波信號判斷出手勢特征，接著通信電平轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信號，從而達到人機交互的效果。其中，所述控制系統(tǒng)通過超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號可以穿透障礙物避免其受干擾，這樣使得對手勢識別更精確，同時解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在無法精確地通過對人體手勢進行檢測以及識別，從而達到人機交互的效果的問題。
【專利說明】
基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及自動控制智能家居領(lǐng)域，尤其涉及一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別 的控制系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著人機交互需求的發(fā)展，關(guān)于人體姿勢識別的研究越來越多，人體姿勢控制 包括手勢控制，能給用戶帶來絕佳的人機交互體驗。使用計算機視覺技術(shù)進行的手勢識別 技術(shù)是手勢識別技術(shù)的主要研究方向，然而視覺技術(shù)對環(huán)境條件的要求:包括對光線的要 求和對遮擋物的要求比較苛刻，往往會使得對手勢識別的結(jié)果有影響甚至是在人機交互過 程中效率低下、產(chǎn)生偏差。
[0003] 然而，現(xiàn)有技術(shù)中存在無法精確地通過對人體手勢進行檢測以及識別，從而達到 人機交互的效果的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)及其控制方 法，旨在解決技術(shù)中存在無法精確地通過對人體手勢進行檢測以及識別，從而達到人機交 互的效果的問題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包 括：
[0006] 發(fā)送穿透障礙物的脈沖雷達信號的超帶寬模塊；
[0007] 與所述超帶寬模塊相連接，控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部 并產(chǎn)生回波信號的主控模塊；
[0008] 與所述主控模塊相連接，接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控 模塊進行處理，使得根據(jù)所述回波信號判斷出手勢特征的天線模塊；
[0009] 與所述主控模塊相連接，根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信號 的通信電平轉(zhuǎn)換模塊。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制方法，所述控制方法包 括：
[0011] 超帶寬模塊發(fā)送穿透障礙物的脈沖雷達信號；
[0012] 主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部并產(chǎn)生回波信號；
[0013] 天線模塊接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進行處理， 使得根據(jù)所述回波信號判斷出手勢特征；
[0014] 通信電平轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信號。
[0015] 綜上所述，本發(fā)明實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)及 其控制方法，包括超帶寬模塊、主控模塊、天線模塊和通信電平轉(zhuǎn)換模塊，所述主控模塊控 制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部并產(chǎn)生回波信號，天線模塊接收到所述 回波信號后，將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進行處理，使得根據(jù)所述回波信號判斷 出手勢特征，接著通信電平轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信 號，從而達到人機交互的效果。其中，由于超寬帶技術(shù)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、多徑分辨 能力強、穿透能力強、低功耗、非接觸式和隱蔽性好的特點，所述控制系統(tǒng)通過超帶寬模塊 發(fā)送脈沖雷達信號可以穿透障礙物避免其受干擾，這樣會使得對手勢識別更為精確，同時 解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在無法精確地通過對人體手勢進行檢測以及識別，從而達到人機交互 的效果的問題。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)的模 塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)的 電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)的實 物操作示意圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)的模 塊作用不意圖。
[0021] 圖6為本發(fā)明一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)的手 勢匹配示意圖。
[0022] 圖7為本發(fā)明一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)的手 勢識別曲線圖。
[0023] 圖8為本發(fā)明一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)的工 作原理流程圖。
[0024]圖9為本發(fā)明另一實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制方法的 步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用 以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0026]本發(fā)明實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，主要用于通 過手勢控制人機交互設(shè)備。
[0027]圖1示出了本發(fā)明一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng) 的模塊結(jié)構(gòu)，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0028] 一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)10，所述控制系統(tǒng)10包括：
[0029] 發(fā)送穿透障礙物的脈沖雷達信號的超帶寬模塊102;
[0030] 與所述超帶寬模塊102相連接，控制所述超帶寬模塊102發(fā)送脈沖雷達信號到達 人體手部并產(chǎn)生回波信號的主控模塊101;
[0031] 與所述主控模塊101相連接，接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主 控模塊進行處理，使得根據(jù)所述回波信號判斷出手勢特征的天線模塊103;
[0032] 與所述主控模塊101相連接，根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信 號的通信電平轉(zhuǎn)換模塊105。
[0033] 作為本發(fā)明一實施例，所述手勢特征包括拳形向前、拳形向后和拳向右側(cè)的滑動 姿勢。
[0034] 作為本發(fā)明一實施例，在通信電平轉(zhuǎn)換模塊105中，當所述手勢特征為拳形向前， 則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的音量調(diào)大；當所述手勢特征為拳形向后，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備 的音量調(diào)?。划斔鍪謩萏卣鳛槿蛴覀?cè)的滑動姿勢，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的刪除操作。
[0035] 作為本發(fā)明一實施例，所述控制系統(tǒng)還包括：
[0036] 同時與所述主控模塊101和天線模塊103連接，將所述天線模塊103接收的回波信 號進行濾波，并發(fā)送給所述主控模塊101的高通濾波模塊104。
[0037] 作為本發(fā)明一實施例，所述控制系統(tǒng)還包括：
[0038] 與所述主控模塊101連接，對所述回波信號進行保存的存儲模塊106。
[0039] 作為本發(fā)明一實施例，所述控制系統(tǒng)還包括：
[0040] 與所述主控模塊101連接，對所述控制系統(tǒng)10進行供電的電源模塊107。
[0041] 圖2示出了本發(fā)明一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng) 的電路結(jié)構(gòu)，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0042] 作為本發(fā)明一實施例，所述主控模塊101包括一主控芯片U1，所述主控芯片U1包 括：
[0043] 主控端CTRL、接收端RXD、電源端Bat-VCC、存儲端MEM和傳輸端FTP;
[0044]所述主控端CTRL接所述超帶寬模塊102，所述接收端RXD接所述高通濾波模塊104， 所述電源端Bat-VCC接所述電源模塊107，所述存儲端MEM接所述存儲模塊106，所述傳輸端 FTP接所述通信電平轉(zhuǎn)換模塊105。在本實施例中，主控芯片U1采用了型號為ATSAM4E16E的 微處理器芯片，當然，微處理器芯片的型號不做限定，只要能達到與本實施例主控芯片U1所 述的功能作用亦可。
[0045]作為本發(fā)明一實施例，所述超帶寬模塊102包括一超帶寬收發(fā)芯片U2,所述超帶寬 收發(fā)芯片U2包括：
[0046]控制端Ctrl;
[0047] 所述控制端Ctrl接所述主控芯片U1的主控端CTRL。在本實施例中，超帶寬收發(fā)芯 片U2采用了型號為CC2400的超帶寬收發(fā)芯片，當然，超帶寬收發(fā)芯片的型號不做限定，只要 能達到與本實施例超帶寬收發(fā)芯片U2所述的功能作用亦可。
[0048]作為本發(fā)明一實施例，所述高通濾波模塊104包括一濾波芯片U4,所述濾波芯片U4 包括：
[0049]發(fā)射端Send和濾波端Filt;
[0050]所述發(fā)射端Send接所述主控芯片U1的接收端RXD，所述濾波端Fi It接所述天線模 塊。在本實施例中，濾波芯片U4采用了型號為HF3800的濾波芯片，當然，濾波芯片的型號不 做限定，只要能達到與本實施例濾波芯片U4所述的功能作用亦可。
[0051 ]作為本發(fā)明一實施例，所述天線模塊103包括一天線芯片U3，所述天線芯片U3包 括：
[0052]發(fā)送端 TXD;
[0053]所述發(fā)送端T)(D接所述濾波芯片U4的濾波端Filt。在本實施例中，天線芯片U3采用 了型號為PT2272的天線芯片，當然，天線芯片的型號不做限定，只要能達到與本實施例天線 芯片U3所述的功能作用亦可。
[0054]作為本發(fā)明一實施例，所述通信電平轉(zhuǎn)換模塊105包括一通信芯片U5,所述通信芯 片U5包括：
[0055] 傳送端RTP和通訊端PLC;
[0056] 所述傳送端RTP接所述主控芯片U1的傳輸端FTP，所述通訊端PLC接所述人機交互 設(shè)備。在本實施例中，通信芯片U5采用了型號為TMS320C6203的通信芯片，當然，通信芯片的 型號不做限定，只要能達到與本實施例通信芯片U5所述的功能作用亦可。
[0057]作為本發(fā)明一實施例，所述存儲模塊106包括一存儲芯片U6,所述存儲芯片U6包 括：
[0058]儲存端 mem;
[0059]所述儲存端mem接所述主控芯片U1的存儲端MEM。在本實施例中，存儲芯片U6采用 了型號為PC5300的存儲芯片，當然，存儲芯片的型號不做限定，只要能達到與本實施例存儲 芯片U6所述的功能作用亦可。
[0060]作為本發(fā)明一實施例，所述電源模塊107包括：
[0061 ] 交流電源VCC;
[0062] 所述交流電源VCC接所述主控芯片U1的電源端Bat-vcc。
[0063] 圖3示出了本發(fā)明一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng) 的實物操作示意圖，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0064] 本發(fā)明一實施例提供一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，所述控制系 統(tǒng)1〇(可以擴展到機器人、智能手機、電腦、智能家電等方面)上有雷達收發(fā)單元12,包括超 帶寬模塊和天線模塊，通過發(fā)射和接收超帶寬(UWB)脈沖雷達信號可以檢測身體部位的姿 勢和運動，包括手勢和手勢動作14。所述控制系統(tǒng)的超帶寬模塊可以發(fā)射一連串的脈沖雷 達，脈沖雷達可以穿透一些障礙物16,例如手套、衣服、口袋、包包等等生活中可能存在的一 些干擾。同時也不需要光線等條件，所以可以在黑暗的環(huán)境中正常工作，脈沖雷達在手部14 發(fā)生反射后被雷達收發(fā)模塊12接收，與一些已定的相對于檢測設(shè)備的手勢（比如相對于所 述控制系統(tǒng)的拳和掌上下左右前后等手勢)作比較，來確定用戶是否做出了設(shè)定的手勢。比 如，相對于所述控制系統(tǒng)10的拳型向前或向后的手勢動作被檢測到，進而轉(zhuǎn)化為人機交互 設(shè)備的音量調(diào)大(或調(diào)小）、游戲中的出拳或發(fā)射子彈等操作；相對于所述控制系統(tǒng)10的掌 向右側(cè)的滑動姿勢被檢測到，進而轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的向右滑動或是刪除等操作。
[0065] 圖4示出了本發(fā)明一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0066] 所述控制系統(tǒng)10側(cè)面有一個多元化的超帶寬模塊可以檢測到一個角度區(qū)域內(nèi)的 手勢。所述的雷達收發(fā)單元12的收發(fā)裝置安裝在所述的手勢檢測設(shè)備的兩個邊緣以保證檢 測手勢的有效角度范圍大于180°。以一個攝像頭模塊22為對比，攝像頭安裝在控制系統(tǒng)10 上只能檢測到一個較小范圍內(nèi)的信息，就算是使用一對攝像頭也較難保證檢測到和脈沖雷 達相當?shù)姆秶?。而且對于脈沖雷達檢測方案同樣可以劃定如圖所示的"R"的范圍來減小非 意圖手勢的干擾。
[0067]圖5示出了本發(fā)明一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng) 的模塊作用示意圖，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0068]微控制器24編寫命令對超帶寬收發(fā)控制芯片26進行配置和控制。微處理器模塊優(yōu) 選Altera公司的ARM-Smart結(jié)構(gòu)的芯片，型號為ATSAM4E16E，該模塊具有運算速度高，實時 性控制性強的優(yōu)點。配置控制命令的通信方式采用SPI通信。芯片具有128KB片內(nèi)SRAM，16KB R0M，1024KB內(nèi)部Flash，l路USB 2.0 FS Device，4路 16位PWM，2路UART(1 路和SPI片選復(fù) 用），2路USART，2路TWI (1 路和JTAG復(fù)用），1路SD/SDI0/IMMC，1 路SPI，1 路NAND控制器，1路 EMAC控制器，支持16位AFEC，1路2通道12位DAC，最高可在120M的頻率下運行，可實現(xiàn)快速的 處理數(shù)據(jù)，以及支持多種通訊協(xié)議。微控制器芯片U1的代碼編寫采用多種語言，包括C++，C， 匯編等編程語言。超帶寬收發(fā)控制芯片26優(yōu)選XETHUR公司的X2脈沖雷達收發(fā)一體控制芯 片，根據(jù)微控制芯片24的配置和控制命令進行工作，產(chǎn)生連續(xù)或分段的超帶寬脈沖并驅(qū)動 發(fā)射天線28發(fā)射出脈沖雷達信號。發(fā)射天線優(yōu)選材質(zhì)為銅，也可以是其他的材質(zhì)例如鋁和 塑料等。所述的接收天線30接收到脈沖雷達信號，脈沖雷達信號可能是經(jīng)過身體部位像手 部的反射并且穿過了一些障礙物如手套、包包等。所述接收天線30的材質(zhì)與所述的發(fā)射天 線優(yōu)選用相同的材質(zhì)。
[0069] 所述接收天線30接收到的脈沖雷達信號傳遞給所述的超帶寬收發(fā)控制芯片26,所 述的超帶寬收發(fā)控制芯片26對接收到的脈沖雷達信號進行采樣后發(fā)送給微控制芯片24進 行時頻變換，特征提取等處理，得到多條時頻信息。短時間傅里葉變換(STFT)是移動窗口的 傅里葉變換，通過移動時間窗口來分析信號的頻率分量，得到一個包含了信號在不同時間 的頻率信息的二維時頻分布圖。給定窗函數(shù)w⑴，則信號s(t)的STFT定義如下：
[0070] STFT(t, co)=/s(t/)co*(t/ -t)exp{-j ? \! jdt7
[0071] STFT即為對原始信號分段進行傅里葉變換，正是由于窗函數(shù)w(t)的存在使STFT具 有了局域特性，既是時間的函數(shù)也是頻率的函數(shù)?；蛘fSTFT是函數(shù)s(t'）在一組由coU'-t) exp{-j co V }所組成的基函數(shù)上的投影。由于時間域不再是無限長，它可用于監(jiān)控信號頻譜 作為時間的函數(shù)如何變化。以時間t為函數(shù)移動窗口得到原始時間信號的二維聯(lián)合時頻表 示為STFT(t，co )。丨STFT(t，co )丨稱為信號的譜圖，得到頻譜如何隨水平時間軸的函數(shù)而變 化的信息。
[0072]經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)是一種針對非線性、非平穩(wěn)時間序列信號的分析控制方法， EMD的基本原理是根據(jù)局部時間特征，逐級分解信號中不同尺度的趨勢分量或波動，產(chǎn)生一 系列內(nèi)在模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function, IMF)，各IMF具有完備性且正交，這一過程 實質(zhì)上是對非平穩(wěn)信號進行平穩(wěn)化處理。各頂F分量分別表示信號中一個振動特征的形式， 它的生成需要滿足以下條件:所分析的數(shù)據(jù)存在極大值和極小值點，極值點與過零點的個 數(shù)相差一個以內(nèi)，若信號中僅有拐點而無極值點，需通過一階或高階微分獲取極值;數(shù)據(jù)中 局部極大值和極小值點構(gòu)成的上下包絡(luò)線，其均值線是一條趨近于零的直線。EMD分解得到 各MF分量的過程稱為蹄選，計算過程中，需要不斷將己經(jīng)獲取的頂F分量從原信號中消去， 直至無法再分解出新的IMF蹄選過程具體為：首先，檢測出原信號X中的所有極大、極小值 點，擬合做出信號的上下包絡(luò)曲線，求出它們的均值線信號Ml，X中減去此均值線得到一個 新的序列H1，即H1=X-M1，判斷H1是否符合IMF分量的條件，若不符合則繼續(xù)用H1代替原來 的X做同樣的處理得HI 1，即HI 1 =H1-M11，該過程迭代n次直至符合MF分量的條件，獲得頂F 分量C1，即
[0073] Hln = Hl(n-l)_Mln
[0074] Ci = Hin
[0075] 然后，從原始信號X中去除第一個IMF分量，剩下數(shù)據(jù)序列R1=X_C1，將R1當作原X 并重復(fù)之前的處理過程，即R2 = Ri-C2, . . .，Rk = RK-i-CK最終獲得k個頂F分量。EMD控制方法篩 選的停止條件是數(shù)據(jù)序列Rk不能再分解得到合適的頂F分量，即以單調(diào)的趨勢變化，或僅有 一個極值點，或為一個恒定值。此時EMD處理過程結(jié)束。目前，EMD控制方法因處理非線性、非 平穩(wěn)信號的優(yōu)點而得以快速發(fā)展，在生物醫(yī)學信號處理領(lǐng)域同樣受到了不少重視，生物雷 達信號自身就是一種非平穩(wěn)信號，符合EMD控制方法所需的三個前提條件，因而可以利用 EMD控制方法來處理，對信號特征進行提取，得到多條時頻信息。
[0076] 圖6示出了本發(fā)明一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng) 的手勢匹配示意圖，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0077]為實現(xiàn)手勢檢測功能的高效運行，需要先對手勢特征進行采集建立手勢模型庫。 手勢識別的控制系統(tǒng)10通過雷達收發(fā)單元12發(fā)射并接收脈沖雷達信號，脈沖雷達信號經(jīng)過 特定的手勢36-1(手部相對于所述控制系統(tǒng)10為正掌）、36-2(手部相對于所述控制系統(tǒng)10 為正拳）、36-3(手部相對于所述控制系統(tǒng)10為平掌（指尖正對所述控制系統(tǒng)10))反射后被 所述控制系統(tǒng)10接收采樣，所述控制系統(tǒng)10對采樣信號進行濾波、幅頻分析、特征提取后得 到分類的模型信號，建立特定手勢的分類模型庫并存儲，存儲設(shè)備采用SRAM或FLASH，為手 勢檢測創(chuàng)建數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
[0078]圖7示出了本發(fā)明一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng) 的手勢識別曲線，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0079]微處理器采樣得到的信號如圖所示，它包含了手勢特征，手部運動速度，回波能量 等信息;ATSAM4E16E芯片通過四線全雙工SPI通信接口發(fā)送命令給超帶寬傳感器，超帶寬傳 感器發(fā)送超帶寬信號，當超帶寬信號觸碰人體時，在發(fā)送的同時，開始進行時鐘計數(shù)，當超 帶寬信號在空氣介質(zhì)中傳播后，反饋給超帶寬信號接收天線，然后通過下面的公式算出其 距離：
[0081]其中d表示超帶寬天線與手部的距離，由于超帶寬信號為光速傳播，C表示光速，T 表示渡越時間，通過該公式可以算出實際的距離。當射頻信號到達一個目標發(fā)生反射，由于 目標運動會產(chǎn)生頻率調(diào)制。如果目標以v(t)m/s的速度運動，反射信號的頻率根據(jù)多普勒頻 移會發(fā)生一個偏移：
其中fd是多普勒頻移，單位Hz，f是發(fā)射頻率，單位Hz， C是信號傳播速度，單位m/s，t是經(jīng)過的時間，單位S，A是發(fā)射信號的波長，單位m。假設(shè)手部
運動表示為x(t)，反射信號的多普勒頻移可以描述為一個相位調(diào)制 當 ， 手部姿勢運動對雷達信號進行反射時，手部的運動就會對雷達載波相位產(chǎn)生比例調(diào)制。在 理想情況下通過相位解調(diào)將得到與手部運動事變位移成比例的時變相位信息，從而得到手 部運動的速度信息；忽略發(fā)射信號的幅度變化，一個單頻的CW雷達發(fā)射信號可表達為T(t) = C〇S(23ift+(i)(t))，f是振蕩頻率，是振蕩器的相位噪聲，在這里把它看作信號相位 的隨機波動。假設(shè)目標在距離do上，具有時變的位移x(t)，則收發(fā)機和物體之間的距離為d (t)=do+X(t)。收發(fā)機和目標之間的距離將產(chǎn)生不可忽略的傳播時間延遲，等于d(t)除以 信號的傳播速度C。由于手部運動的同時信號在傳輸，天線到胸壁的距離在反射的時刻是d (t-(d(t))/c)。所以，往返一次的延遲時間td可表達為：
[0083]接收機得到的信號R(t)是發(fā)射機信號的延遲信號，幅度衰減為Ar，則
[0084] R(t) =Arcos[23if(t-td)+4) (t-td)+90)
[0085] 其中0Q為常數(shù)相位偏移，它受若干因素的影響，例如目標的反射表面形成的相位 偏移(接近180° )，以及從發(fā)射機到天線以及從天線到混頻器之間的延時等。代入td的表達 式，得到接收信號
[0087]其中波長是人= c/f。假設(shè)在x(t-(d(t))/c)中的(d(t))/c項由于手部運動的周期 T》do/C而可以忽略，又由于相同的原因，所以2X(t-d(t)/c)/c項可變形簡化，因此接收信 號可以近似寫為：
[0089]由上式可知，接收信號與發(fā)射信號相比幅度變?yōu)锳r，多了一個受目標距離d。影響 的時間延遲項，且相位受到了手部運動的位移函數(shù)X(t)的調(diào)制。
[0090] 在直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，如果信號是和一個與發(fā)射信號同源的L0信號相乘得來的，這 個周期運動的目標信息可以很容易被解調(diào)出來。由于接收信號的相位噪聲與L0相關(guān)，忽略 幅度的變換，L0信號可以表達為：
[0091] L(t) = cos(23ift+ <i> (t))
[0092] 當接收信號和L0信號混頻并且輸出經(jīng)過低通濾波器，輸出的基帶信號為：
[0094]
是基帶信號的幅度，Gr是接收機的增益，以是混頻器的轉(zhuǎn)換 增益，是剩余相位噪聲，
[0096]
是常數(shù)相位偏移，它與接收機本身參數(shù)有關(guān)，并隨著目 標與雷達之間的距離do而變。43iX(t)/A是與信號x(t)成正比的時變相位偏移，通過對它的 解調(diào)提取可得目標運動信息。對于單路結(jié)構(gòu)接收機，消除了常數(shù)相移的影響，并保證時變相 移量滿足小角近似條件，則解調(diào)信號可直接由基帶信號近似而來：
[0098]對于正交結(jié)構(gòu)接收機，使用相位解調(diào)算法后，在理論上可恢復(fù)出基帶信號的全部 相位信息：
[0100] 最終得到的有用相位都會受到剩余噪聲的影響。通過理論分析我們已知當剩余相 位噪聲起主導地位時，信噪比與距離的平方近似成反比，而當距離較近時剩余相位噪聲在 總噪聲中起主導地位，所以在距離較近時進行工作，并通過硬件濾波和小波變換等算法濾 波后我們可以成功地提取出目標的運動信息。
[0101] 接收信號的功率Pr(mw)是發(fā)射功率Pt(mW)，收發(fā)天線增益為Gt和Gr，目標的雷達 目標散射截面〇(m2)，在空氣中衰減常數(shù)a，射頻信號的波長Mm)，和目標距離R(m)的函數(shù)
[0103] 對于雷達檢測體征信號的應(yīng)用場合，在此雷達方程中目標散射截面〇(m2)是唯一 不確定的參數(shù)。然而雷達目標散射截面〇(m 2)受多方面因素影響，包括目標材料的電性能， 目標的幾何外形，目標被雷達波照射的方位，入射波的波長，入射場極化形式和接收天線的 極化形式等。當探測目標為人體時，照射有效目標截面積的計算需要整個人體和人體所處 背景的信息。然而，靜止的身體本身產(chǎn)生了較強的雜波，而人體生理運動所涉及的有效面積 因人而異，不同用戶之間的個體差異也很大且隨著天線輻射角度，人體的體位等因素變化 很大，因而難以估算。因此需要結(jié)合用戶特征庫建立的手勢，通過采集用戶的不同手勢信 息，對不同的回波信號使用小波包特征提取算法等算法提取信號特征，然后使用SVM等算法 進行模型訓練得到不同的手勢運動模型來共同實現(xiàn)手勢的識別。
[0104] 圖8示出了本發(fā)明一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng) 的工作原理流程，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0105] 當控制系統(tǒng)上電時，供電電壓為+3.3V，ATSAM4E16E芯片開始進行自檢程序，并且 對外設(shè)進行相應(yīng)的復(fù)位以及初始化操作，ATSAM4E16E芯片通過四線全雙工SPI通信接口發(fā) 送命令給超帶收發(fā)控制芯片，超帶寬傳感器發(fā)送超帶寬信號，接收到回波信號后進行信號 處理，判斷回波信號是否是目標區(qū)域內(nèi)的手勢回波信號，如果不是則忽略，避免了目標檢測 區(qū)外回波信號的干擾，提高檢測的準確性和高效性;如果是目標區(qū)域內(nèi)的手勢回波信號則 繼續(xù)進行下一步的手勢識別，通過信號的特征分析及與手勢模型庫的對比來進行手勢識 另IJ，識別成功則保存使用，如果未識別成功則直接進行下一個流程的手勢識別。
[0106] 圖9示出了本發(fā)明另一實施例提出的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制 方法的步驟流程，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0107] -種基于上述控制系統(tǒng)的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制方法，所述控制方 法包括：
[0108] S11，超帶寬模塊發(fā)送穿透障礙物的脈沖雷達信號；
[0109] S12,主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部并產(chǎn)生回波 信號；
[0110] S13,天線模塊接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進行處 理，使得根據(jù)所述回波信號判斷出手勢特征；
[0111] S14,通信電平轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信號。
[0112] 作為本發(fā)明另一實施例，所述手勢特征包括拳形向前、拳形向后和拳向右側(cè)的滑 動姿勢。
[0113] 作為本發(fā)明另一實施例，當所述手勢特征為拳形向前，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的 音量調(diào)大；當所述手勢特征為拳形向后，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的音量調(diào)小；當所述手勢特 征為拳向右側(cè)的滑動姿勢，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的刪除操作。
[0114] 本發(fā)明實施例提供的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)及其控制方法的 工作原理為：
[0115] 首先，啟動電源模塊，使得交流電源VCC為所述控制系統(tǒng)供電，其次，主控模塊控制 超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部并產(chǎn)生回波信號，接著天線模塊接收到所述回 波信號后，經(jīng)過高通濾波模塊對所述回波信號進行濾波，然后將濾波后的回波信號發(fā)送給 所述主控模塊進行處理并且識別，根據(jù)所述回波信號判斷出手勢特征，識別成功則保存使 用，最后通信電平轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信號，例如當 所述手勢特征為拳形向前，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的音量調(diào)大；當所述手勢特征為拳形向 后，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的音量調(diào)小；當所述手勢特征為拳向右側(cè)的滑動姿勢，則轉(zhuǎn)化為 人機交互設(shè)備的刪除操作，從而達到人機交互的效果。
[0116] 綜上所述，本發(fā)明實施例提供的一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)及 其控制方法，包括超帶寬模塊、主控模塊、天線模塊和通信電平轉(zhuǎn)換模塊，所述主控模塊控 制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部并產(chǎn)生回波信號，天線模塊接收到所述 回波信號后，將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進行處理，使得根據(jù)所述回波信號判斷 出手勢特征，接著通信電平轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信 號，從而達到人機交互的效果。其中，由于超寬帶技術(shù)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、多徑分辨 能力強、穿透能力強、低功耗、非接觸式和隱蔽性好的特點，所述控制系統(tǒng)通過超帶寬模塊 發(fā)送脈沖雷達信號可以穿透障礙物避免其受干擾，這樣會使得對手勢識別更為精確，同時 解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在無法精確地通過對人體手勢進行檢測以及識別，從而達到人機交互 的效果的問題。本發(fā)明實施例實現(xiàn)簡單，不需要增加額外的硬件，可有效降低成本，具有較 強的易用性和實用性。
[0117] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解:實現(xiàn)上述方法實施例的步驟或部分步驟可以通過 程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲于計算機可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在 執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟，而前述的存儲介質(zhì)包括:R〇M、RAM、磁碟或者光盤 等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。
[0118] 以上所述實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實 施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解:其依然可以對前述各 實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換;而這些修改 或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實施例各實施例技術(shù)方案的精神和范 圍。
[0119]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括： 發(fā)送穿透障礙物的脈沖雷達信號的超帶寬模塊； 與所述超帶寬模塊相連接，控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部并產(chǎn) 生回波信號的主控模塊； 與所述主控模塊相連接，接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊 進行處理，使得根據(jù)所述回波信號判斷出手勢特征的天線模塊； 與所述主控模塊相連接，根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信號的通 信電平轉(zhuǎn)換模塊。2. 如權(quán)利要求1所述的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述手 勢特征包括拳形向前、拳形向后和拳向右側(cè)的滑動姿勢。3. 如權(quán)利要求2所述的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，在通信 電平轉(zhuǎn)換模塊中，當所述手勢特征為拳形向前，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的音量調(diào)大；當所述 手勢特征為拳形向后，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的音量調(diào)?。划斔鍪謩萏卣鳛槿蛴覀?cè)的 滑動姿勢，則轉(zhuǎn)化為人機交互設(shè)備的刪除操作。4. 如權(quán)利要求3所述的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控 制系統(tǒng)還包括： 同時與所述主控模塊和天線模塊連接，將所述天線模塊接收的回波信號進行濾波，并 發(fā)送給所述主控模塊的高通濾波模塊。5. 如權(quán)利要求4所述的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控 制系統(tǒng)還包括： 與所述主控模塊連接，對所述回波信號進行保存的存儲模塊。6. 如權(quán)利要求5所述的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控模塊包括一主控芯片U1，所述主控芯片U1包括： 主控端CTRL、接收端RXD、存儲端MEM和傳輸端FTP; 所述主控端CTRL接所述超帶寬模塊，所述接收端RXD接所述高通濾波模塊，所述存儲端 MEM接所述存儲模塊，所述傳輸端FTP接所述通信電平轉(zhuǎn)換模塊。7. 如權(quán)利要求6所述的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述超 帶寬模塊包括一超帶寬收發(fā)芯片U2,所述超帶寬收發(fā)芯片U2包括： 控制端Ctrl; 所述控制端ctr 1接所述主控芯片U1的主控端CTRL。8. 如權(quán)利要求7所述的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述高 通濾波模塊包括一濾波芯片U4，所述濾波芯片U4包括： 發(fā)射端Send和濾波端Fi It; 所述發(fā)射端Send接所述主控芯片U1的接收端RXD，所述濾波端Fi It接所述天線模塊。9. 如權(quán)利要求8所述的基于人機交互設(shè)備的手勢識別的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述通 信電平轉(zhuǎn)換模塊包括一通信芯片U5，所述通信芯片U5包括： 傳送端RTP和通訊端PLC; 所述傳送端RTP接所述主控芯片U1的傳輸端FTP，所述通訊端PLC接所述人機交互設(shè)備。10. -種基于如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述控制方法包 括： 超帶寬模塊發(fā)送穿透障礙物的脈沖雷達信號； 主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達信號到達人體手部并產(chǎn)生回波信號； 天線模塊接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進行處理，使得 根據(jù)所述回波信號判斷出手勢特征； 通信電平轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述手勢特征，轉(zhuǎn)化為對人機交互設(shè)備的控制信號。
【文檔編號】G01S13/88GK106055089SQ201610270278
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】向?qū)W科, 李棟, 張建國
【申請人】深圳市前海萬象智慧科技有限公司