Progettare un sistema di rilevamento gestuale a basso costo per applicazioni industriali e automotive

L'interfaccia uomo-macchina (HMI) è una componente chiave in quasi tutte le applicazioni industriali e automotive. Via via che le interazioni si fanno più complesse, gli interruttori di tipo tradizionale non sono più adatti per molti ambienti: sono controintuitivi e distraggono l'operatore da altre attività quali il controllo di una macchina o la guida di un veicolo.

Benché vi siano molte opzioni per il controllo gestuale, i progettisti sono posti di fronte alla difficoltà di trovare il giusto equilibrio tra prestazioni e precisione a fronte dei costi e della semplicità, senza dimenticare il consumo energetico.

Questo articolo illustra i componenti richiesti per un sistema di controllo gestuale basato sulla tecnologia di rilevamento a infrarossi. Presenterà poi una scheda di valutazione di sensori a basso costo e il software associato per agevolare i tempi di sviluppo e un time-to-market ridotto.

Applicazioni di rilevamento senza contatto

La prima applicazione quotidiana del rilevamento senza contatto è stata quella di rilevare l'avvicinamento di un oggetto e attivare una risposta appropriata. Porte automatiche, erogatori di sapone, luci da esterno e asciugamani elettrici usano tutti sensori senza contatto, come sistemi di attivazione.

I sensori di prossimità in questi sistemi fungono da interruttori per fornire un'uscita digitale on/off, mentre il rilevamento gestuale consente a un utente di usare movimenti tridimensionali per controllare un sistema in modo intuitivo.

Il controllo gestuale consente anche a un utente di apportare modifiche all'interno di un ampio campo attivo, permettendo a movimenti grossolani di sostituire quelli più fini. Questa capacità è una caratteristica chiave dei sistemi di videogiochi che usano la tecnologia di rilevamento gestuale per rilevare movimenti legati a sport complessi o per tenere traccia di più giocatori.

Tecnologia di rilevamento gestuale a infrarossi

I sistemi di videogiochi usano laser e telecamere speciali per rilevare l'attività degli utenti, ma sono troppo complessi e costosi per molte applicazioni, come quelle automobilistiche. Qui, per cambiare canale radio, ad esempio, è sufficiente un semplice movimento verso sinistra o destra di una mano (Figura 1). Analogamente, la regolazione del volume può essere compiuta con un gesto verso l'alto o verso il basso, o un movimento di pressione o rilascio.

Figura 1: Un sistema di rilevamento gestuale usa movimenti intuitivi per semplificare il controllo della macchina. (Immagine per gentile concessione di BBC/BMW)

Data la sua capacità di rilevare diversi semplici gesti a costi contenuti, la tecnologia di rilevamento a infrarossi (IR) è una buona accoppiata per numerose applicazioni industriali, consumer e automotive (Figura 2). L'hardware è costituito da due diodi a emissione IR (IRED) posti sulla scheda a una data distanza, con un rilevatore tra l'uno e l'altro.

Figura 2: Un semplice sistema di rilevamento gestuale IR che utilizza due diodi IR e un dispositivo di rilevamento tra di essi. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Il modello di irraggiamento di ogni emettitore IR è altamente direzionale. Quando una mano passa su un emettitore, la radiazione riflessa misurata dal sensore di rilevamento presenterà un picco transitorio corrispondente. Quando l'operatore sposta la mano da sinistra a destra, il segnale dall'emettitore di sinistra (nero) aumenterà e diminuirà prima dell'emettitore di destra (verde), e viceversa per un movimento da destra a sinistra.

Il sensore invia i dati a un microcontroller che contiene il software per analizzare la variazione nella forza del segnale nel corso del tempo allo scopo di determinare se è stato fatto un gesto di passata, e in caso affermativo, in che direzione.

Esempio di progettazione del rilevamento gestuale

Il circuito tipico di un'applicazione di rilevamento aggiunge un terzo emettitore IR al sistema base, permettendogli di rilevare sia i gesti verso l'alto/il basso che quelli verso sinistra/destra (Figura 3).

Figura 3: Un progetto di rilevamento gestuale con tre emettitori può rilevare sia i gesti verso l'alto/il basso che quelli verso sinistra/destra. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Il cuore del sistema è costituito dal sensore di luce ambiente IR VCNL4035X01 di Vishay Semiconductor, che funziona con una singola alimentazione da 2,5 a 3,6 V. Il circuito integrato specifico per applicazione (ASIC) include driver per tre emettitori IR esterni, un fotodiodo interno per ricevere le uscite riflesse e la circuiteria per elaborare il segnale del fotodiodo. Un'interfaccia seriale I²C di standard industriale comunica con un microcontroller esterno che analizza i dati per decodificare i gesti.

Figura 4: VCNL4035 può pilotare fino a tre emettitori IR esterni e include un sensore di luce ambiente interno. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Per risparmiare energia e ridurre il sovraccarico di elaborazione, VCNL4035 ha un pin di interrupt programmabile che può risvegliare il microcontroller quando si verifica un evento gestuale o un cambio della luce ambiente, eliminando la necessità di un polling continuo.

VCNL4035X01 ha un contenitore senza conduttori miniaturizzato (LLP) di 4,0 x 2,36 mm con un'altezza di 0,75 mm, che ne consente l'inserimento in smartphone, telecamere digitali, tablet con vincoli di spazio, e applicazioni simili.

Figura 5: Risposta spettrale normalizzata dei sensori nel fotodiodo IR VCNL4035 (a) e nel sensore di luce ambiente (b). Per un confronto, è raffigurata la risposta dell'occhio umano. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Per determinare la direzione del movimento, il software deve essere in grado di differenziare tra le uscite IRED per poterle confrontare. In modalità rilevamento gestuale, VCNL4035 pilota gli IRED in sequenza in rapida successione, dopo di che contrassegna il microcontroller per leggere i registri interni contenenti le tre uscite di fotodiodi a 16 bit. La forza di pilotaggio della corrente, il tempo di pilotaggio e il tempo tra serie successive di misurazioni sono tutti selezionabili dall'utente.

Il sensore di luce ambiente (ALS) riceve la luce visibile e la converte in un valore ADC a 16 bit. L'ALS di VCNL4035 ha una sensibilità di picco a 540 nm e una larghezza di banda tra 430 e 610 nm, molto vicina a quella dell'occhio umano.

Requisiti IRED

L'uscita degli IRED dovrebbe essere conforme alla risposta di sensibilità del fotodiodo di VCNL4035, per assicurare le migliori prestazioni. Con una lunghezza d'onda di picco (λ_P) di 940 nm, la serie di emettitori VSMY2940RG di Vishay Semiconductor è particolarmente adatta per questo scopo. Questi emettitori si basano sulla tecnologia dei chip emettitori di superficie all'arseniuro di gallio e alluminio (GaAIAs). Forniscono un'intensità energetica tipica di 880 milliwatt per steradian (mW/sr) a una corrente diretta di 1 A in funzionamento pulsato (t_p = 100 μS).

Inoltre, i dispositivi emettono irraggiamento secondo un modello molto direzionale, essenzialmente entro un angolo del raggio di ±10° (Figura 6).

Figura 6: L'emettitore IR VSMY2940RG di Vishay ha un'intensità energetica relativa molto limitata rispetto alla curva di spostamento angolare, che lo rende idoneo per applicazioni di rilevamento gestuale. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Considerazioni sul progetto di rilevamento gestuale

Chi progetta un sistema di rilevamento gestuale deve tener conto di diversi compromessi, prima di determinare il progetto ottimale. Uno è il raggio di rilevamento rispetto al consumo di corrente. Un altro è il posizionamento degli IRED.

Aumentare la distanza a cui può essere rilevato un gesto implica aumentare la potenza in uscita degli IRED, che dipende dalla corrente diretta. Di conseguenza aumenterà il consumo energetico, cosa che non è auspicabile in dispositivi alimentati a batteria. La maggiore potenza incrementa anche la quantità di calore da dissipare, aumentando potenzialmente le dimensioni del progetto.

Nel progetto discusso sopra, una corrente di comando IRED di 200 mA produce un'intensità energetica tipica di 200 mW/sr, consentendo il rilevamento di gesti delle mani fino a 40 cm dalla scheda di sensori.

Il numero di IRED esterni e il loro posizionamento dipendono dalle esigenze dell'applicazione interessata. La distanza tra IRED e sensore può essere di soli pochi millimetri per una semplice applicazione di prossimità, oppure per rilevare un piccolo gesto come il movimento di un dito.

Una maggiore separazione tra il sensore e gli IRED offre vantaggi nel determinare la direzione di una passata con la mano a una distanza superiore. Test empirici possono arrivare alla distanza ottimale.

Software di rilevamento dei gesti

Esistono diversi metodi per determinare il gesto programmato utilizzando le uscite da VCNL4035. Un metodo semplice consiste nell'impostare una soglia minima per il rilevamento di un oggetto. Un fronte di salita che supera la soglia indica l'arrivo di una mano su un IRED, mentre un fronte di discesa indica che la mano ha lasciato l'area di rilevamento dell'IRED.

Con due IRED, l'ordine degli eventi indica se si è verificata una passata verso sinistra o verso destra. Questo metodo analizza separatamente il risultato di ogni ciclo di misurazione e richiede poche risorse del processore.

Un approccio che richiede più calcoli analizza i dati da più serie (frame) di misurazioni. L'algoritmo calcola due quantità per ogni frame: la deviazione standard di ogni segnale rispetto al suo set campione corrispondente e il ritardo di tempo tra i segnali sinistra-destra. Confrontando i risultati con le soglie definite dall'utente, l'algoritmo può determinare il tipo di gesto fatto.

La deviazione standard s, dipende dalla distribuzione dei dati entro il frame che viene analizzato. Viene calcolata tramite la formula:

Dove x̄ è la media del frame corrente ed n è il numero di campioni analizzati.

Una deviazione standard alta implica un grande cambiamento di segnale, suggerendo il movimento della mano attraverso o verso un sensore.

Per contro, una deviazione standard bassa implica che la variazione del segnale è nulla o minima, perché o non vi è alcuna mano nell'area di rilevamento del sensore, oppure la mano non sta facendo alcun movimento. Un tempo di ritardo sufficientemente grande tra i segnali significa che è stato fatto un gesto di passata. Questo calcolo può stimare anche il ritardo con un algoritmo di correlazione incrociata che calcola la sovrapposizione tra i due segnali.

Iniziare rapidamente con uno starter kit sensori

Lo starter kit sensori VCNL4020 di Vishay è un modo facile di iniziare un progetto di rilevamento gestuale IR. Il kit include un dongle USB, una scheda dimostrativa per i gesti plug-in VCNL4020 e un mini CD contenente il driver USB e il software.

VCNL4020 in sé è un sensore di luce ambiente e prossimità integrato con un emettitore IR interno. Sulla scheda dimostrativa, VCNL4020 pilota anche un IRED esterno per fornire maggiore separazione spaziale, se richiesto.

Figura 7: Lo starter kit sensori VCNL4020 di Vishay offre l'hardware e il software richiesti per iniziare lo sviluppo del rilevamento gestuale. È il punto di partenza predefinito di Vishay e collega a diverse schede di espansione per diversi sensori Vishay. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Il dongle USB permette comunicazioni da I²C a USB tra la scheda dimostrativa e un PC host. Contiene CY768013A di Cypress Semiconductor, un ASIC che combina un microcontroller potenziato 8051 con un transceiver USB 2.0 a chip singolo integrato. Include inoltre un regolatore di 3,3 V e MCP3421 di Microchip Technology, un convertitore analogico/digitale (ADC) sigma-delta a ingresso singolo a 18 bit, per fornire un ingresso analogico supplementare.

Il dongle USB serve da base per altre schede dimostrative di sensori VCNL, tutte offerte gratuitamente da Vishay, compresa la scheda dimostrativa VCNL4035. Si tratta di una scheda particolarmente intuitiva, in quanto include un array di LED che indicano la direzione di un gesto.

Il software di sviluppo su CD allegato alla scheda VCNL4035 implementa gli algoritmi già citati per il rilevamento della deviazione standard e di correlazione incrociata.

Questo software consente all'utente di modificare i parametri chiave sia dell'acquisizione dati che dell'algoritmo di rilevamento. Possono essere modificati diversi parametri per regolare con precisione le prestazioni del sistema, ad esempio:

• Frequenza di misurazione dei dati
• Tempo di campionamento della misurazione
• Soglia di rilevamento in alto/in basso
• Soglia di rilevamento a destra/a sinistra
• Pendenza di soglia
• Soglia di deviazione standard

Figura 8: Schermo sensibile ai gesti con GUI LabVIEW per VCNL4035 per illustrare il risultato del movimento da sinistra a destra. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Lo starter kit include un'interfaccia utente grafica (GUI) eseguita sulla diffusa piattaforma di programmazione LabVIEW di National Instruments. Viene mostrato (Figura 8) lo schermo sensibile ai gesti con i risultati del movimento da sinistra a destra. L'IRED a sinistra (rosso) compare per primo, seguito da quello mediano (verde) e infine da quello di destra (blu).

Per gli sviluppatori che non hanno dimestichezza con l'ambiente LabVIEW, Digilent offre LabVIEW Home Bundle per dare agli utenti la possibilità di iniziare a un costo molto contenuto.

Conclusione

Un sistema di rilevamento dei gesti agli infrarossi può risolvere molte delle sfide delle HMI. La sua combinazione di hardware a basso costo e software avanzato rende possibile il riconoscimento di numerosi gesti delle mani, usuali in ambiente industriale, nei veicoli e in altre applicazioni consumer.

Vishay offre una grande varietà di componenti optoelettronici e starter kit che aiutano gli sviluppatori a mettere in campo rapidamente progetti di rilevamento dei gesti per HMI. La presenza della GUI LabVIEW semplifica lo sviluppo e aiuta a gestire meglio gli aspetti problematici di questi progetti.