基于人機交互設備的手勢識別的控制系統及其控制方法
【專利摘要】本發明實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統及其控制方法，包括超帶寬模塊、主控模塊、天線模塊和通信電平轉換模塊，所述主控模塊控制所述超帶寬模塊發送脈沖雷達信號到達人體手部并產生回波信號，天線模塊接收到所述回波信號后，將所述回波信號發送給所述主控模塊進行處理，使得根據所述回波信號判斷出手勢特征，接著通信電平轉換模塊根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信號，從而達到人機交互的效果。其中，所述控制系統通過超帶寬模塊發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，同時解決了現有技術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】
基于人機交互設備的手勢識別的控制系統及其控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及自動控制智能家居領域，尤其涉及一種基于人機交互設備的手勢識別 的控制系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 伴隨著人機交互需求的發展，關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進行的手勢識別 技術是手勢識別技術的主要研究方向，然而視覺技術對環境條件的要求: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果有影響甚至是在人機交互過 程中效率低下、產生偏差。
[0003] 然而，現有技術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。

【發明內容】

[0004] 本發明目的在于提供一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統及其控制方 法，旨在解決技術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] 本發明提供了一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，所述控制系統包 括：
[0006] 發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送脈沖雷達信號到達人體手部 并產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送給所述主控 模塊進行處理，使得根據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，根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信號 的通信電平轉換模塊。
[0010] 本發明還提供了一種基于人機交互設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送脈沖雷達信號到達人體手部并產生回波信號；
[0013] 天線模塊接收所述回波信號、并將所述回波信號發送給所述主控模塊進行處理， 使得根據所述回波信號判斷出手勢特征；
[0014] 通信電平轉換模塊根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信號。
[0015] 綜上所述，本發明實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統及 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換模塊，所述主控模塊控 制所述超帶寬模塊發送脈沖雷達信號到達人體手部并產生回波信號，天線模塊接收到所述 回波信號后，將所述回波信號發送給所述主控模塊進行處理，使得根據所述回波信號判斷 出手勢特征，接著通信電平轉換模塊根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信 號，從而達到人機交互的效果。其中，由于超寬帶技術具有較高的數據傳輸速率、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，所述控制系統通過超帶寬模塊 發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 解決了現有技術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為本發明一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統的模 塊結構示意圖。
[0017] 圖2為本發明一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統的 電路結構示意圖。
[0018] 圖3為本發明一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統的實 物操作示意圖。
[0019] 圖4為本發明一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統的結 構示意圖。
[0020] 圖5為本發明一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統的模 塊作用不意圖。
[0021] 圖6為本發明一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統的手 勢匹配示意圖。
[0022] 圖7為本發明一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統的手 勢識別曲線圖。
[0023] 圖8為本發明一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統的工 作原理流程圖。
[0024]圖9為本發明另一實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制方法的 步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發明要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合 附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用 以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0026]本發明實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，主要用于通 過手勢控制人機交互設備。
[0027]圖1示出了本發明一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統 的模塊結構，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[0028] 一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統10，所述控制系統10包括：
[0029] 發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發送脈沖雷達信號到達 人體手部并產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送給所述主 控模塊進行處理，使得根據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，根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信 號的通信電平轉換模塊105。
[0033] 作為本發明一實施例，所述手勢特征包括拳形向前、拳形向后和拳向右側的滑動 姿勢。
[0034] 作為本發明一實施例，在通信電平轉換模塊105中，當所述手勢特征為拳形向前， 則轉化為人機交互設備的音量調大；當所述手勢特征為拳形向后，則轉化為人機交互設備 的音量調小；當所述手勢特征為拳向右側的滑動姿勢，則轉化為人機交互設備的刪除操作。
[0035] 作為本發明一實施例，所述控制系統還包括：
[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，并發送給所述主控模塊101的高通濾波模塊104。
[0037] 作為本發明一實施例，所述控制系統還包括：
[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] 作為本發明一實施例，所述控制系統還包括：
[0040] 與所述主控模塊101連接，對所述控制系統10進行供電的電源模塊107。
[0041] 圖2示出了本發明一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統 的電路結構，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[0042] 作為本發明一實施例，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]作為本發明一實施例，所述超帶寬模塊102包括一超帶寬收發芯片U2,所述超帶寬 收發芯片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，超帶寬收發芯 片U2采用了型號為CC2400的超帶寬收發芯片，當然，超帶寬收發芯片的型號不做限定，只要 能達到與本實施例超帶寬收發芯片U2所述的功能作用亦可。
[0048]作為本發明一實施例，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]發射端Send和濾波端Filt;
[0050]所述發射端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]發送端 TXD;
[0053]所述發送端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]作為本發明一實施例，所述通信電平轉換模塊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示出了本發明一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統 的實物操作示意圖，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[0064] 本發明一實施例提供一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，所述控制系 統1〇(可以擴展到機器人、智能手機、電腦、智能家電等方面)上有雷達收發單元12,包括超 帶寬模塊和天線模塊，通過發射和接收超帶寬(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。所述控制系統的超帶寬模塊可以發射一連串的脈沖雷 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境中正常工作，脈沖雷達在手部14 發生反射后被雷達收發模塊12接收，與一些已定的相對于檢測設備的手勢（比如相對于所 述控制系統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定的手勢。比 如，相對于所述控制系統10的拳型向前或向后的手勢動作被檢測到，進而轉化為人機交互 設備的音量調大(或調小）、游戲中的出拳或發射子彈等操作；相對于所述控制系統10的掌 向右側的滑動姿勢被檢測到，進而轉化為人機交互設備的向右滑動或是刪除等操作。
[0065] 圖4示出了本發明一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統 的結構，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[0066] 所述控制系統10側面有一個多元化的超帶寬模塊可以檢測到一個角度區域內的 手勢。所述的雷達收發單元12的收發裝置安裝在所述的手勢檢測設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10 上只能檢測到一個較小范圍內的信息，就算是使用一對攝像頭也較難保證檢測到和脈沖雷 達相當的范圍。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示出了本發明一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統 的模塊作用示意圖，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[0068]微控制器24編寫命令對超帶寬收發控制芯片26進行配置和控制。微處理器模塊優 選Altera公司的ARM-Smart結構的芯片，型號為ATSAM4E16E，該模塊具有運算速度高，實時 性控制性強的優點。配置控制命令的通信方式采用SPI通信。芯片具有128KB片內SRAM，16KB R0M，1024KB內部Flash，l路USB 2.0 FS Device，4路 16位PWM，2路UART(1 路和SPI片選復 用），2路USART，2路TWI (1 路和JTAG復用），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，可實現快速的 處理數據，以及支持多種通訊協議。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。超帶寬收發控制芯片26優選XETHUR公司的X2脈沖雷達收發一體控制芯 片，根據微控制芯片24的配置和控制命令進行工作，產生連續或分段的超帶寬脈沖并驅動 發射天線28發射出脈沖雷達信號。發射天線優選材質為銅，也可以是其他的材質例如鋁和 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的材質與所述的發射天 線優選用相同的材質。
[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控制芯片26,所 述的超帶寬收發控制芯片26對接收到的脈沖雷達信號進行采樣后發送給微控制芯片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w(t)的存在使STFT具 有了局域特性，既是時間的函數也是頻率的函數。或說STFT是函數s(t'）在一組由coU'-t) exp{-j co V }所組成的基函數上的投影。由于時間域不再是無限長，它可用于監控信號頻譜 作為時間的函數如何變化。以時間t為函數移動窗口得到原始時間信號的二維聯合時頻表 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而變 化的信息。
[0072]經驗模態分解(EMD)是一種針對非線性、非平穩時間序列信號的分析控制方法， EMD的基本原理是根據局部時間特征，逐級分解信號中不同尺度的趨勢分量或波動，產生一 系列內在模態函數（Intrinsic Mode Function, IMF)，各IMF具有完備性且正交，這一過程 實質上是對非平穩信號進行平穩化處理。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:所分析的數據存在極大值和極小值點，極值點與過零點的個 數相差一個以內，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;數據中 局部極大值和極小值點構成的上下包絡線，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，剩下數據序列R1=X_C1，將R1當作原X 并重復之前的處理過程，即R2 = Ri-C2, . . .，Rk = RK-i-CK最終獲得k個頂F分量。EMD控制方法篩 選的停止條件是數據序列Rk不能再分解得到合適的頂F分量，即以單調的趨勢變化，或僅有 一個極值點，或為一個恒定值。此時EMD處理過程結束。目前，EMD控制方法因處理非線性、非 平穩信號的優點而得以快速發展，在生物醫學信號處理領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示出了本發明一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統 的手勢匹配示意圖，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[0077]為實現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10通過雷達收發單元12發射并接收脈沖雷達信號，脈沖雷達信號經過 特定的手勢36-1(手部相對于所述控制系統10為正掌）、36-2(手部相對于所述控制系統10 為正拳）、36-3(手部相對于所述控制系統10為平掌（指尖正對所述控制系統10))反射后被 所述控制系統10接收采樣，所述控制系統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，存儲設備采用SRAM或FLASH，為手 勢檢測創建數據基礎。
[0078]圖7示出了本發明一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統 的手勢識別曲線，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[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通信接口發送命令給超帶寬傳感器，超帶寬傳 感器發送超帶寬信號，當超帶寬信號觸碰人體時，在發送的同時，開始進行時鐘計數，當超 帶寬信號在空氣介質中傳播后，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生反射，由于 目標運動會產生頻率調制。如果目標以v(t)m/s的速度運動，反射信號的頻率根據多普勒頻 移會發生一個偏移：
其中fd是多普勒頻移，單位Hz，f是發射頻率，單位Hz， C是信號傳播速度，單位m/s，t是經過的時間，單位S，A是發射信號的波長，單位m。假設手部
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生比例調制。在 理想情況下通過相位解調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；忽略發射信號的幅度變化，一個單頻的CW雷達發射信號可表達為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。假設目標在距離do上，具有時變的位移x(t)，則收發機和物體之間的距離為d (t)=do+X(t)。收發機和目標之間的距離將產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，接收信號與發射信號相比幅度變為Ar，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X(t)的調制。
[0090] 在直接轉換結構中，如果信號是和一個與發射信號同源的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出來。由于接收信號的相位噪聲與L0相關，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，以是混頻器的轉換 增益，是剩余相位噪聲，
[0096]
是常數相位偏移，它與接收機本身參數有關，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 解調提取可得目標運動信息。對于單路結構接收機，消除了常數相移的影響，并保證時變相 移量滿足小角近似條件，則解調信號可直接由基帶信號近似而來：
[0098]對于正交結構接收機，使用相位解調算法后，在理論上可恢復出基帶信號的全部 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)是發射功率Pt(mW)，收發天線增益為Gt和Gr，目標的雷達 目標散射截面〇(m2)，在空氣中衰減常數a，射頻信號的波長Mm)，和目標距離R(m)的函數
[0103] 對于雷達檢測體征信號的應用場合，在此雷達方程中目標散射截面〇(m2)是唯一 不確定的參數。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手勢的識別。
[0104] 圖8示出了本發明一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統 的工作原理流程，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[0105] 當控制系統上電時，供電電壓為+3.3V，ATSAM4E16E芯片開始進行自檢程序，并且 對外設進行相應的復位以及初始化操作，ATSAM4E16E芯片通過四線全雙工SPI通信接口發 送命令給超帶收發控制芯片，超帶寬傳感器發送超帶寬信號，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域內的手勢回波信號，如果不是則忽略，避免了目標檢測 區外回波信號的干擾，提高檢測的準確性和高效性;如果是目標區域內的手勢回波信號則 繼續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示出了本發明另一實施例提出的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制 方法的步驟流程，為了方便說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
[0107] -種基于上述控制系統的基于人機交互設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送脈沖雷達信號到達人體手部并產生回波 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送給所述主控模塊進行處 理，使得根據所述回波信號判斷出手勢特征；
[0111] S14,通信電平轉換模塊根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信號。
[0112] 作為本發明另一實施例，所述手勢特征包括拳形向前、拳形向后和拳向右側的滑 動姿勢。
[0113] 作為本發明另一實施例，當所述手勢特征為拳形向前，則轉化為人機交互設備的 音量調大；當所述手勢特征為拳形向后，則轉化為人機交互設備的音量調小；當所述手勢特 征為拳向右側的滑動姿勢，則轉化為人機交互設備的刪除操作。
[0114] 本發明實施例提供的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統及其控制方法的 工作原理為：
[0115] 首先，啟動電源模塊，使得交流電源VCC為所述控制系統供電，其次，主控模塊控制 超帶寬模塊發送脈沖雷達信號到達人體手部并產生回波信號，接著天線模塊接收到所述回 波信號后，經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送給 所述主控模塊進行處理并且識別，根據所述回波信號判斷出手勢特征，識別成功則保存使 用，最后通信電平轉換模塊根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信號，例如當 所述手勢特征為拳形向前，則轉化為人機交互設備的音量調大；當所述手勢特征為拳形向 后，則轉化為人機交互設備的音量調小；當所述手勢特征為拳向右側的滑動姿勢，則轉化為 人機交互設備的刪除操作，從而達到人機交互的效果。
[0116] 綜上所述，本發明實施例提供的一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統及 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換模塊，所述主控模塊控 制所述超帶寬模塊發送脈沖雷達信號到達人體手部并產生回波信號，天線模塊接收到所述 回波信號后，將所述回波信號發送給所述主控模塊進行處理，使得根據所述回波信號判斷 出手勢特征，接著通信電平轉換模塊根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信 號，從而達到人機交互的效果。其中，由于超寬帶技術具有較高的數據傳輸速率、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，所述控制系統通過超帶寬模塊 發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 解決了現有技術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。本發明實施例實現簡單，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] 本領域普通技術人員可以理解:實現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中，該程序在 執行時，執行包括上述方法實施例的步驟，而前述的存儲介質包括:R〇M、RAM、磁碟或者光盤 等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0118] 以上所述實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實 施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各 實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改 或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例各實施例技術方案的精神和范 圍。
[0119]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，其特征在于，所述控制系統包括： 發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送脈沖雷達信號到達人體手部并產 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送給所述主控模塊 進行處理，使得根據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，根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信號的通 信電平轉換模塊。2. 如權利要求1所述的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，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的滑動姿勢。3. 如權利要求2所述的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，其特征在于，在通信 電平轉換模塊中，當所述手勢特征為拳形向前，則轉化為人機交互設備的音量調大；當所述 手勢特征為拳形向后，則轉化為人機交互設備的音量調小；當所述手勢特征為拳向右側的 滑動姿勢，則轉化為人機交互設備的刪除操作。4. 如權利要求3所述的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，其特征在于，所述控 制系統還包括： 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 發送給所述主控模塊的高通濾波模塊。5. 如權利要求4所述的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，其特征在于，所述控 制系統還包括： 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. 如權利要求5所述的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，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接所述通信電平轉換模塊。7. 如權利要求6所述的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，其特征在于，所述超 帶寬模塊包括一超帶寬收發芯片U2,所述超帶寬收發芯片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. 如權利要求7所述的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，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： 發射端Send和濾波端Fi It; 所述發射端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. 如權利要求8所述的基于人機交互設備的手勢識別的控制系統，其特征在于，所述通 信電平轉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接所述人機交互設備。10. -種基于如權利要求1所述的控制系統的控制方法，其特征在于，所述控制方法包 括： 超帶寬模塊發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送脈沖雷達信號到達人體手部并產生回波信號； 天線模塊接收所述回波信號、并將所述回波信號發送給所述主控模塊進行處理，使得 根據所述回波信號判斷出手勢特征； 通信電平轉換模塊根據所述手勢特征，轉化為對人機交互設備的控制信號。
【文檔編號】G01S13/88GK106055089SQ201610270278
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】向學科, 李棟, 張建國
【申請人】深圳市前海萬象智慧科技有限公司