摘要:在人機(jī)交互系統(tǒng)中，手勢識別系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。為了使手勢識別系統(tǒng)能夠在非接觸式模式下工作，設(shè)計(jì)了一種基于電容傳感器的手勢識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用非接觸式電容傳感器FDC2214連接單面覆銅板，以感知電容值變化。當(dāng)測試者的手靠近測試區(qū)域的覆銅板時(shí)，傳感器輸出的數(shù)字量將會發(fā)生明顯的變化。為了得到更加穩(wěn)定的實(shí)時(shí)電容值數(shù)據(jù)，采用了卡爾曼濾波和均值濾波算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手勢的訓(xùn)練和識別。此外，以STM32作為主控制器，并設(shè)計(jì)了電源轉(zhuǎn)換電路和語音提示電路。經(jīng)過測試，所設(shè)計(jì)的四通道手掌型測試區(qū)域，有效提高了系統(tǒng)魯棒性和測試者舒適度。該手勢識別系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)“劃拳”、“猜拳”和“人機(jī)大戰(zhàn)”等功能，且運(yùn)行良好、識別率高、趣味性強(qiáng)，達(dá)到了實(shí)時(shí)性要求。因此，該手勢識別系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞:手勢識別系統(tǒng);電容檢測;FDC2214;四通道手掌型測試區(qū)域;卡爾曼濾波;均值濾波

　　電容論文投稿刊物：《電力電容器與無功補(bǔ)償》原名《電力電容器》，創(chuàng)刊于1980年，由西安電力電容器研究所主辦，現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)電力機(jī)械制造(集團(tuán))公司關(guān)于企業(yè)整合的意見和安排，于2009年元月起由西安高壓電器研究院有限公司管理。經(jīng)過二十多年的運(yùn)作，以其內(nèi)容詳實(shí)、信息傳遞快捷、發(fā)行面廣而擁有了基本的讀者群，已經(jīng)形成知名品牌，發(fā)行范圍遍及全行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域、大專院校、科研院所，在電工行業(yè)有著廣泛的知名度和影響力。

　　0引言

　　隨著科技的發(fā)展，手勢識別技術(shù)的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展[1￣2]。目前，手勢識別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，主要經(jīng)歷了數(shù)據(jù)手套設(shè)備、光學(xué)標(biāo)記方法和視覺手勢識別三個(gè)階段。數(shù)據(jù)手套設(shè)備和光學(xué)標(biāo)記方法，都能夠提供良好的檢測效果，但需要價(jià)格昂貴和復(fù)雜的設(shè)備。而基于視覺的手勢識別系統(tǒng)，受到應(yīng)用環(huán)境光線的干擾較大，不適用于穿戴設(shè)備[3]。

　　電容傳感技術(shù)，能夠感測不同的材料(皮膚、塑料、液體等)，并且具有感知距離大、成本低、非接觸和無磨損等特點(diǎn)，正逐步取代光學(xué)檢測技術(shù)[4￣5]。本文基于德州儀器(TI)公司推出的高分辨率、低功耗、低成本的非接觸式電容式傳感器FDC2214[6￣11]，以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一套手勢識別系統(tǒng)(重點(diǎn)設(shè)計(jì)了測試區(qū)域)。采用卡爾曼濾波和均值算法，對FDC2214的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。測試表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、魯棒性高和用戶友好的特點(diǎn)。

　　1整體系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機(jī)控制模塊、傳感器模塊、TFFLCD顯示屏模塊、LED燈顯示模塊、語音模塊以及測試區(qū)域支架組成。該系統(tǒng)以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，利用FDC2214連接覆銅板，實(shí)現(xiàn)電容數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)不同手勢所產(chǎn)生的不同電容數(shù)據(jù)值，完成手勢訓(xùn)練和識別等功能。除了常見的劃拳游戲和猜拳游戲之外，該系統(tǒng)還創(chuàng)新設(shè)計(jì)了其他游戲，如“黑白配”、“人機(jī)大戰(zhàn)”等。同時(shí)，該系統(tǒng)的按鍵模塊、語音模塊和LED與TFTLCD顯示模塊，進(jìn)一步增加了該系統(tǒng)的人機(jī)交互能力。其中，按鍵模塊實(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練模式和訓(xùn)練模式等的選擇。

　　2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1電源模塊設(shè)計(jì)

　　電容傳感器FDC2214，需要采用3.3V供電，而單片機(jī)和其他外設(shè)設(shè)備，需要采用5V供電。因此，本系統(tǒng)由7.2V充電電池供電，經(jīng)過LM2596穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓到5V和3.3V，給各個(gè)模塊供電。本文采用兩塊LM2596芯片。

　　2.2語音模塊設(shè)計(jì)

　　為了增加用戶的體驗(yàn)，本系統(tǒng)添加了語音提示功能:具體采用的是LMD102語音模塊[12]。該模塊支持分段錄音、分段播放和隨時(shí)更換語音信息。它通過串口(RX和TX)與單片機(jī)STM32進(jìn)行通信。

　　2.3手勢識別檢測

　　系統(tǒng)的檢測單元采用了德州儀器(TI)公司研制的電容傳感器FDC2214[6￣10]。其工作電壓為3.3V，并具有高速的SPI接口，用于支持芯片配置和傳輸數(shù)字化DATAX給STM32主控制器。STM32F407ZGT6的PB6引腳作為FDC2214的SCL引腳的時(shí)鐘輸入端，PB7作為與FDC2214的SDA傳輸數(shù)據(jù)與互相應(yīng)答的引腳。

　　2.2.1FDC2214檢測原理

　　FDC2214是基于LC諧振電路原理的四通道電容檢測傳感器。它將傳感器電容接入振蕩器LC諧振回路中，并作為回路的一部分將電容容量的變化轉(zhuǎn)換為電路振蕩頻率的變化，從而根據(jù)測量頻率的變化得到被測量電容的變化。FDC2214中的“CopperSensor”部分，通常稱為“FDC2214的傳感平面”。該平面為導(dǎo)體材質(zhì)[7￣8]。在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了單面覆銅板，分別連接在端子J0￣J3上。當(dāng)測試者的手接近覆銅板平面時(shí)，傳感器端的電容值發(fā)生了變化。這就導(dǎo)致了LC電路振蕩頻率的變化，從而可以反映手勢的接近，以及實(shí)現(xiàn)手勢的識別。

　　2.2.2測試區(qū)域的設(shè)計(jì)

　　測試區(qū)域主要由覆銅板和有機(jī)玻璃構(gòu)成。增加有機(jī)玻璃是考慮消除測試者手與覆銅板接觸的影響。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)手的放置位置，以及覆銅板的形狀、大小和擺放位置。本文設(shè)計(jì)了三種測試區(qū)域方案，分別是單通道正方形、七通道手指形和四通道手掌形。單通道正方形方案，選用了一整塊(20×20)cm的正方形覆銅板作為測試區(qū)域。經(jīng)過實(shí)際測試，針對不同的手勢，F(xiàn)DC2214返回的測試數(shù)據(jù)隔離度大、區(qū)分度好。但是，該方案對手勢的放置要求高、魯棒性差。為了方便識別五個(gè)手指是否在覆銅板上，設(shè)計(jì)了七通道手指形方案�？紤]到左右手的情況，采用了七個(gè)較小的覆銅板來構(gòu)成。

　　因此，需要2塊FDC2214同時(shí)進(jìn)行采集。經(jīng)過實(shí)際測試，該方案檢測精度高，但對測試者的限制要求較多，且兩塊FDC2214之間容易造成干擾。結(jié)合以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了四通道手掌形方案。針對較難區(qū)分的四指區(qū)域，采用了一塊較大的覆銅板，通過設(shè)置電容值梯度閾值，判斷手指個(gè)數(shù)，而手掌附近則設(shè)置了三塊較小的覆銅板。通過判斷邏輯“0”和“1”，來檢測大拇指和判別手的方向。經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，該方案數(shù)據(jù)區(qū)分度高，且性能可靠、魯棒性高。同時(shí)，在覆銅板上，間隔一定距離(1cm)，覆蓋厚度適中的有機(jī)玻璃，效果更佳。因此，本文采用了四通道手掌形測試區(qū)域。

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1程序功能設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的手勢識別系統(tǒng)，主要具備2個(gè)模式和2種游戲功能。2個(gè)模式分別為訓(xùn)練模式和判別模式。在訓(xùn)練模式中，針對任意測試者，進(jìn)行猜拳和劃拳的手勢訓(xùn)練。在判決模式中，針對測試人員進(jìn)行猜拳和劃拳判決。2個(gè)游戲功能分別是猜拳(剪刀、石頭和布)和劃拳(1、2、3、4、5)。除此之外，拓展了劃拳的功能———“劃拳plus(6、7、8、9、10)”，增加了“黑白配(正反手)”、“比大小”和“猜拳”等人機(jī)對戰(zhàn)交互游戲，提高該系統(tǒng)的趣味性。

　　3.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，采用了“前后臺”的程序設(shè)計(jì)思想。其中，后臺程序是5ms的定時(shí)程序，主要完成FDC2214數(shù)據(jù)的采集和鍵盤的掃描處理;前臺程序主要完成數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算和顯示等功能。在本系統(tǒng)中的按鍵選擇，具有兩2個(gè)層級。第一級選擇為選擇訓(xùn)練模式和判別模式。訓(xùn)練模式完成后，方可進(jìn)入判決模式。在2種模式下，都設(shè)有猜拳、劃拳、劃拳Plus、黑白配(正反手)和比大小等5種模式的第二級模式選擇。另外，可通過清零按鍵中途終止游戲，或者，直接進(jìn)行下一位的測試與判決。在整個(gè)過程中都伴隨有語音播報(bào)提示，并且當(dāng)按鍵選擇當(dāng)前模式后，LED提示燈亮。另外，拓展了劃拳的功能———“劃拳plus(6、7、8、9、10)”，增加了“黑白配(正反手)”、“比大小”和“猜拳”等人機(jī)對戰(zhàn)交互游戲。程序具體設(shè)計(jì)思路是設(shè)置隨機(jī)函數(shù)random()，使該系統(tǒng)模擬人隨機(jī)做出各種手勢，并與測試者的手勢進(jìn)行比較，給出勝負(fù)。通過語音提示，增加系統(tǒng)的趣味性。

　　4試驗(yàn)測試

　　4.1針對某測試人員各種手勢的閾值設(shè)定

　　通過TI公司針對FDC2214EVM開發(fā)的上位機(jī)軟件SensingSolutionsEVMGUI，給出了某測試人員各種手勢所對應(yīng)的各通道所測量的電容值變化。對多次測得的電容值變化進(jìn)行平均操作，得到針對該測試人員的各種手勢閾值設(shè)定。

　　4.2性能測試

　　邀請了3位不同性別和年齡(其中，小孩1名)的測試者，測試了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能。具體包括:在訓(xùn)練模式下，3位測試者3次的平均訓(xùn)練時(shí)間;在判別模式下，3位測試者10次的平均識別精度和識別時(shí)間。實(shí)際測試表明，平均訓(xùn)練時(shí)間和平均識別時(shí)間均小于30s，滿足實(shí)時(shí)性要求，而且，平均識別精度，達(dá)到了90%以上。通過分析發(fā)現(xiàn)，誤識別都是發(fā)生在小孩身上，主要原因是小孩的手較小，對訓(xùn)練和判別時(shí)的手勢放置要求較高。同時(shí)，對所拓展功能也進(jìn)行了測試。效果表明，所拓展的功能有效增加了該系統(tǒng)的趣味性。

　　5結(jié)論

　　基于電容式傳感器FDC2214的手勢識別系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)“猜拳”、“劃拳”和“人機(jī)大戰(zhàn)”等功能。在實(shí)際測試中，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，識別準(zhǔn)確率高。后期還可以針對小孩的手勢進(jìn)一步優(yōu)化測試區(qū)域的設(shè)計(jì)。另外，為推廣該系統(tǒng)的應(yīng)用，小型化設(shè)計(jì)也是一個(gè)方向。該手勢識別系統(tǒng)具有較大的利用價(jià)值，可以應(yīng)用在人機(jī)交互設(shè)備的設(shè)計(jì)中。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]丁利瓊，程鵬，潘澤云.基于加速度傳感器的手勢識別系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2018，38(S2):279￣281，295.

　　[2]徐曾春，吳凱嬌，胡平.使用超聲波的智能手機(jī)手勢識別[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2018，54(2)，239￣245.

　　[3]武霞，林忠欽，許艷旭.手勢識別研究發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].電子科技，2013，26(6):171￣174.

　　[4]孟浩杰，王勇，吳朋華，等.基于電容傳感的嵌入式人體手勢識別系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2018(10):19￣20