智能传感器照亮了手势识别的方向
手势感应和识别是一个不断增长的市场，它是由技术进步和不断扩大的应用程序驱动的，尤其是在物联网(物联网)运动中。在游戏、医疗、自动化、汽车和消费电子行业，手势识别正变得尤为突出的市场包括便携式和可穿戴设备。
宝马的iDrive touchless手势控制图片。
图1:在汽车信息娱乐市场，Touchless的手势控制已经到达，最新的iDrive从宝马推出。传感器和控制电路的进步使可穿戴设备的设计师们可以获得同样的技术。
在最简单的形式中，手势感应电路可能包括红外发光二极管、红外光电二极管、环境光传感器和近距离传感器。然而，为了帮助设计师缩短上市时间，更多高度集成的设备、子系统和模块正在出现，包括多个光学传感器和控制电路。
本文将考虑一个最近推出的解决方案，展示ams TMG4903光学传感模块。相关的评估委员会，TMG4903 EVM-ND帮助设计师迅速有效地将手势识别纳入下一代产品，从而使他们能够更快地将产品投放市场，并与从分散设备中构建功能相比，使用更低的材料(BOM)成本。
对于想要在更简单的层面上探索手势识别的工程师和爱好者来说，SparkFun SEN12787手势传感器的突破板，基于Avago APDS9960提供了一个低成本的起点。
市场增长
据市场研究公司Global Industry Analysts1称，到2020年，全球手势识别市场预计将超过127亿美元。需要简单直观的界面来控制在手持设备和可穿戴设备上不断增加的功能，比如智能手机、健康监视器和健身设备。便携式和可穿戴设备传感器技术的显著改进也推动了对新的人机界面的探索。进一步的增长将来自于创新的领域，包括3D视觉，眼球追踪和机器控制。
用数学算法来解释，手势识别和感知使今天更有创造性，更自然，更直观的方法与电子设备进行通信。例如，在可穿戴设备中，手势感应消除了设计按钮的需要。这项技术可以用来让人们用全身的动作、手势和/或面部表情来表达有意义的指令。
用于可穿戴设备的传感器和控制电路等部件需要很硬，体积小，使用很少的电力，以节省电池寿命。最近，设计的准确性、速度和简洁性提高了质量水平，使可穿戴设备成为更广泛的医疗应用的一个日益可行的解决方案。第一代消费者可穿戴设备，如智能手表和健身监视器，因其新奇的价值而获得成功，但现在这些设备正受益于更准确、更可靠的传感器。因此，手势识别被视为下一代产品的区分者。
设计的挑战
总部位于欧洲的ams是全球领先的智能传感器，如红外发光二极管，结合集成控制电路。该公司制作了一篇实用的、解释性的技术文章，旨在帮助设计师解决可穿戴设备市场的问题。这篇文章解释说，通常情况下，当用户的手通过led灯时，通过分析反射到光电二极管上的红外线，就能识别出一个手势。
然而，这种设计是有挑战性的。通常，可穿戴设备将暴露于环境光(如阳光)，这可能包括一些IR亮度。此外，传感器表面的光圈可能会被诸如汗水、灰尘或灰尘等污染物所遮蔽。非常敏感的光电二极管需要在环境光(这是该应用的背景噪音)和发光二极管反射的红外光线之间进行可靠的区分。因此，还需要先进的模拟半导体技术。
通常，在操作中，一个手势识别系统会经常醒来扫描手势。为了尽量减少电池的使用，降低电源和睡眠模式以及低功率的唤醒程序是必要的，并且最优的，不需要使用红外发光二极管的操作。
在适当的硬件条件下，下一步是生成手势控制应用软件来解释红外光线的原始测量。该软件需要计算用户手部运动的速度和方向，计算手离设备的距离，区分红外发光二极管反射的环境光和光线，然后对动作进行解释，以识别不同的手势。根据ams的说法，系统的质量，即它识别手势的能力是快速和可预测的，它依赖于应用软件和传感器硬件。
可穿戴设备制造商越来越多地寻找现成的传感器系统，而不是离散的传感器和处理组件。这样一种优化的系统可以节省设备制造商的设计时间和工作量，同时也能满足消费者在下一代可穿戴电子设备中所要求的高性能和可靠性。集成方法的关键性能优势包括:更容易建模和控制的光学串扰(可预测);功率可变性可以更可靠地校准;红外发光二极管、光传感器和驱动程序的优化组合;模块的物理公差更紧。
模块与离散
从ams中获取TMG4903，这个高度集成的光学传感模块集成了一个IR LED和先进的LED驱动器，环境光传感器和一个彩色二极管阵列。UV/IR阻塞滤波器和并行adc产生同步的16位结果，而红外光束模式发生器具有RAM和专门的控制逻辑。它的心脏是一个手势和接近引擎，能够实现真正的三维手势识别，增强简单的南北，西-东二维手势感应。因此，该模块提供了多种先进的光学传感功能，包括通用远程控制、条码仿真、RGB色彩感知，以及近距离和三维手势检测。
会议要求小尺寸和低功率、多模块包中包含的模块测量2 x 5 x 1毫米,2 V的电压供给需求是1.7,它通常消耗150µA(200µA max)在其活动状态,30µA(60µA max)空闲的时候,就0.4µA(5µA)在睡眠模式。
ams TMG4903手势和近距离感应发动机框图。
图2:来自ams的TMG4903手势和近距离感知引擎的框图，显示了各种功能模块的集成。
对于三维手势识别和近距离感知，模块的特点是自动调整红外LED的时序和功率输出，从而最大限度地降低噪声和功耗，同时优化灵敏度和动态范围。重要的是，该模块能够拒绝环境光噪声，而自动校准可以消除电气噪声和光学串扰。一个LED驱动器的集成确保引擎致力于手势识别，释放主机设备的软件和减少处理要求。
开始
为了开始，TMG4903 EVM评估模块由一个主要的控制器板组成，该主控板上有一个手势识别装置和一个PIC单片机，有工业标准的USB2.0接口和电缆。简单、直观的软件允许设计者设置关键特性的日志和控制功能，例如环境光传感器、近距离传感器和联合手势识别。一个全面的用户指导步骤设计人员通过这个过程来设置参数，例如在一个动作周期中脉冲的长度，一个周期中的脉冲数，以及动作周期的频率。
在操作过程中，由四个方向光电二极管捕获原始的姿态数据，并在三维网格上与来自近距离传感器的Z数据一起呈现。除了检测和识别移动手势之外，“长”手势也可以被识别，例如，模拟一个按钮按下。
TMB4903的ams评价模块图像。
图3:TMB4903手势和接近引擎的ams评估模块。
释放内心的发明家
对于想要寻找低成本的手势感知和识别技术的设计师和爱好者来说，SparkFun SEN12787 RGB和手势传感器突破板提供了研究环境光和颜色测量、近距离探测和触摸手势感知的必要手段。它基于Avago APDS9960，一个集成的模块，包含过滤器和二极管以及I2C接口。
该设备本身测量3.94 x 2.36 x 1.35毫米，并配备了IR LED和工厂校准LED驱动器。手势和近距离检测是基于四个方向光电二极管，外加环境光传感器的数据。该引擎的运行特性包括自动**、环境光减法和串扰。利用可调的IR LED定时，将功耗和噪声降到最低。推荐的电源电压范围从2.4到3.6 V。在3 V,电源电流数据范围从1µA(睡眠状态),38µA(等待状态),到200年µA(活动)到790µA(手势和邻近脉冲)。
为了方便，开发委员会已经开发了许多大头针，包括:VL(可选电源)、GND、VCC、SDA (I2C数据)、SCL (I2C时钟)和INT(中断)。该模块可用于演示用于控制基于微控制器的设备以及计算机或机器人的手势识别。
总结
Touchless手势感知和识别是一个不断增长的市场，解决方案正在快速发展，新设备定期推出。它很有可能成为下一个“必备”的HMI功能，用于非常小的电池驱动便携式和可穿戴设备，使它们能够缩小尺寸并在更低的功率下运行，同时提供简单的操作。
然而，设计是有挑战性的。这篇文章考虑了两个局部解决方案如何能给工程师一个开头:一个高度集成的，高性能模块来自ams，和一个低成本的启动板从SparkFun。