Controlul maşinilor prin gesturi în aer

4 MARTIE 2014

Adesea, maşinile industriale trebuie să fie operate în medii dure în care există substanţe potenţial periculoase pentru maşină, sau în care operatorul trebuie să monitorizeze în mod constant un proces, fără a fi capabil să privească la ecran. O nouă soluţie de la Microchip bazată pe cipul GestIC® (MGC3130) şi software-ul Colibri are potenţialul de a schimba semnificativ conceptul de interfaţă om-maşină (HMI) în mediul industrial prin utilizarea gesturilor în loc de operaţii tactile pentru a opera şi controla maşinile şi echipamentele.

MGC3130 este primul controler de gesturi 3D din lume ce utilizează câmpuri electrice (E-fields) pentru urmărirea poziţiei mâinii cu recunoaşterea gesturilor spaţiale libere, ce oferă avantaje în mod particular pentru mediul industrial. Pentru că MGC3130 detectează numai schimbări ale câmpurilor electrice din apropiere cauzate de obiecte conductive, precum corpul uman, el este rezistent la influenţe de mediu, precum lumina şi sunetul. Pe lângă aceasta, datorită razei de acţiune de 15cm, MGC3130 asigură interpretarea de gesturi numai de la utilizatorul îndreptăţit, prevenind în acest fel detectarea unor funcţii ope­rator neintenţionate de la alte persoane aflate în vecinătate. Pe de altă parte, nu există puncte oarbe în cei 15cm, precum în cazul altor tehnologii de detecţie a gesturilor. Un alt mare avantaj al tehnologiei GestIC este acela că utilizează electrozi de detecţie ce pot rămâne invizibili prin utilizarea învelişului ITO (Indium Tin Oxide) existent al display-urilor, sau prin integrarea în carcasa dispozitivului. Acest lucru este minunat pentru aplicațiile industriale în care dispozitivele de control ale maşinilor pot fi conţinute într-o singură unitate etanşă.
Comparativ cu alte tehnologii de detecţie 3D a gesturilor, precum soluţii cu infraroşu, ultrasonice sau bazate pe camere video, tehnologia GestIC oferă alte câteva avantaje pentru aplicaţiile industriale. De exemplu, soluţiile bazate pe camere necesită o anumită cantitate de lumină pentru a opera corect, dar necesită în acelaşi timp şi o compensare dinamică a luminii. Mai mult, o cameră are un unghi vizual fix, ceea ce creează puncte oarbe, în particular în mediul industrial în care utilizatorii sunt foarte aproape de cameră. Pe de altă parte este greu de implementat soluţii pentru eliminarea falselor detecţii de la alte activităţi ce se petrec în spatele operatorului.
Tehnologia GestIC® oferă de asemenea date de ieşire cu reîmprospătare de 200Hz, dar cu un consum cu 90% mai mic decât soluţiile bazate pe camere.

Fizica din spatele tehnologiei

Figura 1 descrie schema de bază a senzorului: un strat izolator separă electrodul transmiţător plan localizat peste un strat de bază, de electrodul receptor localizat pe stratul superior. Controlat de MGC3130, electrodul transmiţător generează un câmp electric cu o frecvenţă de 100kHz. Fără nicio perturbaţie externă, acest câmp electric arată precum câmpul uniform distribuit din figura 1. Atunci când un obiect întră în câmpul electric, el perturbă liniile de câmp. În figura 2 este prezentat un exemplu tipic de astfel de perturbare.

Figura 1: Câmp electric nedistribuit. Diferitele culori arată liniile de echipotenţial, în vreme ce săgeţile reprezintă liniile de câmp.

Figura 2: O mână perturbă câmpul electric: distribuţia uniformă a liniilor de echipotenţial şi a liniilor de câmp este semnificativ schimbată.

În timpul perturbaţiei, fosta distribuire uniformă a liniilor echipotenţiale, precum şi liniile de câmp sunt semnificativ schimbate. Prin intrarea în câmpul electric, obiectul conductiv (în cazul aplicativ mâna) absoarbe câmpul electric de vreme ce conduce sarcina electrică la masă, rezultând o schimbare atât a câmpului electric, cât şi a liniilor de echipotenţial. MGC3130 măsoară micile deviaţii de semnal de pe electrodul receptor generate de mână şi procesează rezultatul. Cu cât mâna ajunge mai aproape de electrodul receptor, cu atât mai mare este influenţa acesteia. Utilizând patru electrozi receptori (nord, sud, est şi vest), MGC3130 permite urmărirea poziţiei mâinii pe direcţiile X, Y şi Z în suprafaţa de detecţie. Într-un pas ulterior de calcul, MGC3130 identifică gesturile prin aplicarea modelului HMM (Hidden Markov Model) ce permite o excepţio­nală detecţie a gesturilor, independent de utilizator. Când, de exemplu, mâna se scutură de la dreapta la stânga, apare o mare deviaţie de semnal pe partea dreaptă la început. Deviaţia pe electrodul dreapta scade odată cu mişcarea, în vreme ce deviaţia semnalului pe electrodul stânga creşte. Modele de mişcare precum acesta sunt recunoscute şi calculate pe cip, iar apoi furnizate la ieşire într-o manieră predeterminată.
Rezoluţia de urmărire X/Y/Z este de până la 150 dpi, depinzând de designul electrodului şi de poziţia mâinii. Cu cât mâna este mai apropiată de suprafaţa sensibilă, cu atât mai mare este raportul semnal / zgomot şi de aici şi rezoluţia. Tehnologia GestIC permite această precizie similară cu cea a unui mouse aproape fără niciun bruiaj. Pentru scopuri demonstrative, echipa de proiectare a controlat cursorul unui PC, mişcând doar mâna, fără a utiliza mouse-ul.

Electrozii

Electrozii receptori sunt întotdeauna localizaţi deasupra electrodului transmiţător (figura 3). De exemplu, în cazul sistemului demonstrativ pe care Microchip l-a prezentat la târgul Electronica, electrozii receptori constau din straturi de cupru pe partea superioară a PCB-ului. Electrozii pot fi realizaţi prin utilizarea oricărui tip de material solid conductiv precum PCB, placă de circuit imprimat flexibilă (FPC), electrozi LDS (structuraţi direct cu laser), folii conductive şi stratul anterior menţionat ITO deja existent în display-uri.
Tehnologia Microchip GestIC este capabilă să lucreze cu suprafeţe sensibile subţiri, care permit o integrare invizibilă după carcasa dispozitivului ţintă, fără creşterea grosimii generale a produsului final. Deci electrozii nu sunt numai economici, dar sunt de asemenea şi de impact redus în termeni de design general. Acest lucru este de mare importanţă în electronica industrială, unde aceşti electrozi pot fi ascunşi după zone precum panouri de control.

Figura 3: Schema unui electrod standard. În vreme ce Nord/Sud/Est/Vest oferă coordonatele x/y ale mâinii, electrodul central furnizează coordonatele z.

După cum s-a menţionat anterior, reutilizarea structurilor conductive existente, precum învelişurile ITO ale panourilor tactile ale display-urilor, fac ca tehnologia GestIC să fie o soluţie de sistem extrem de economică. La ora actuală, Microchip lucrează cu producători importanţi de display-uri, la pre-integrarea tehnologiei GestIC într-un modul complet de display. Prin conectarea MGC3130 la învelişul ITO, suprafaţa tactilă a ecranului este transformată într-un câmp senzorial cu electrod cu câmp electric fără a perturba funcţionalităţile multi-tactile ale ecranului tactil. Datorită integrării fără probleme, tehnologia GestIC iniţiază a treia dimensiune a sensibilităţii imediat ce degetele sunt îndepărtate de pe suprafaţa ecranului. În aplicaţiile industriale, aceasta poate permite ca sistemul să afişeze diferite elemente bazat pe direcţia din care se apropie mâna. În vreme ce o apropiere verticală poate activa meniul de control, o apropiere din partea stângă jos poate activa meniul de configurare al sistemului. O altă posibilitate este comutarea între meniuri de bază utilizând gesturi în aer.
Tehnologia GestIC este foarte flexibilă, de vreme ce ea nu recunoaşte numai gesturile liniare, ci şi gesturi simbolice, gesturi circulare şi altele. În mediul industrial această capabilitate poate fi utilizată pentru a creşte/ descreşte cantităţile de ieşire dintr-un sistem de distri­buţie sau dintr-un robinet, de exemplu prin simpla desenare a unui buton virtual în aer. În principiu, soluţia permite operatorului să ţină ochii pe proces, în vreme ce simultan dă comenzi sistemului prin gesturi relevante.

Cipul MGC3130

MGC3130 este un controler de semnal mixt configurabil constând dintr-o parte analogică cu o transmisie şi cinci canale de recepţie şi o unitate digitală de procesare de semnal (SPU). Patru dintre aceste 5 canale sunt utilizate pentru recunoaşterea gesturilor sau a poziţiei mâinii, în vreme ce al cincilea canal permite detecţia tactilă şi îmbunătăţeşte precizia la distanţă mică.
Fiecare canal dispune de o condiţionare de semnal. Semnalele analogice pre-condiţionate sunt apoi digitizate şi procesate de SPU integrat.
La ieşire, SPU furnizează rezultatele calculate prin interfeţe I2Ctm sau SPI. Microchip oferă un API (interfeţe de programare aplicaţii) rulând pe aplicaţie sau pe controlerul gazdă. Acest API permite inginerului proiectant să mapeze semnalele relevante destinaţiei ţintă. Aceasta înseamnă că proiectantul nu trebuie să-şi facă griji de condiţionarea semnalului, deoarece Microchip pre-procesează datele de poziţie a mâinii X/Y/Z şi dispune pe cip de software cuprinzător pentru recunoaşterea gesturilor, cunoscut la suita Colibri. Cu scopul de a permite proiectanţilor să creeze caracteristici speciale individuale puternice în cadrul post-procesării, Microchip trece semnalele printr-un electrod de filtrare către ieşire.

Suita software Colibri

Suita Colibri utilizează un motor de recunoaştere a gesturilor bazat pe model HMM (Hidden Markov Model), în conjuncţie cu vectori de poziţie a mâinii X/Y/Z. HMM oferă cea mai rapidă recunoaştere a gesturilor independentă de utilizator pentru gesturi 3D cu mâna sau degetele. Acest lucru înseamnă că tehnologia GestIC permite viteze excepţionale de recunoaştere a gesturilor, indiferent cine utilizează echipamentul.
La ieşirea digitală a MCG3130, suita Colibri furnizează date de urmărire a poziţiei mâinii de înaltă rezoluţie X/Y/Z, precum şi cuvinte pentru gesturi de mişcare liniară, circulară şi simboluri. Pentru mişcări liniare, suita Colibri nu numai că detectează mişcările de bază precum stânga, dreapta, sus şi jos, dar şi alte gesturi mai complexe precum dinăuntru în afară şi invers, peste întreaga zonă senzorială sau parţial.
Utilizatorul poate apoi să genereze comenzi de intrare, precum “deschidere aplicaţie,” punct, click, mărire, scroll, mouse şi multe altele, fără necesitatea de a atinge dispozitivul.
Dacă proiectul necesită gesturi specifice care nu sunt incluse în suită, Microchip permite înregistrarea gesturilor şi modulul de pregătire, care asigură posibilitatea de adăugare a unor gesturi particulare în biblioteca existentă.
Cu ajutorul arhitecturii flash a MGC3130, proiectanţii pot descărca parametrii pentru aceste noi gesturi pe circuitul integrat. Mai mult, detecţia apropierii este o funcţie programabilă care scanează activitatea utilizatorului în vreme ce cipul se află în mod de auto-trezire. Dacă este detectată o interacţiune reală, sistemul comută automat în mod senzorial complet, iar atunci când mâna părăseşte zona sensibilă se trece din nou în mod de joasă putere.

Adaptare flexibilă la mediu

Tehnologia GestIC operează cu o frecvenţă purtătoare de aproximativ 100kHz. De fiecare dată când este detectat zgomot de la dispozitive precum motoare, invertoare, încărcătoare sau drivere pentru becuri cu fluorescenţă, MGC3130 îşi adaptează automat frecvenţa de emisie a câmpului în gama 70 şi 130kHz, evitând astfel interferenţa RF şi oferind o soluţie robustă. Pe de altă parte, energia sa emisă este foarte redusă. Acest lucru înseamnă că tehnologia GestIC nu cauzează interferenţe cu alte sisteme, lucru evidenţiat de faptul că a trecut cu succes de teste EMI, precum IEC 61000-4-3. Mai mult, în vreme ce puterea maximă consumată de circuitul integrat MGC3130 este de 70mW, majoritatea consumului său este necesar pentru interpretarea, evaluarea şi clasificarea semnalelor câmpului perturbat – nu pentru emiterea câmpului în sine.

Povestea din spatele tehnologiei

De mai mult de 10 ani, compania Ident Technology cu sediul în Munchen – Germania (achiziţionată în 2012 de Microchip Technology şi unită cu departamentul de Interfeţe Om Maşină HMID) – şi-a câştigat experienţa şi know-how-ul în jurul utilizării câmpurilor electrice, realizând numeroase patente. Acest know-how include modul de aplicare a teoriilor câmpurilor E în mediile reale, proiectarea electrozilor de detecţie, proiectarea cipurilor şi algoritmii utilizaţi pentru procesarea datelor senzoriale brute.
Lungimea de undă a semnalului de 100kHz utilizat de tehnologia GestIC este de 3 km. Acest lucru înseamnă că dimensiunea suprafeţei electrodului senzorial, tipic mai mică de 15 cm × 15 cm, este cu câteva ordine de mărime mai mică decât lungimea de undă a semnalului emis. Această combinaţie conduce la un câmp electric quasi-static foarte stabil pe timpul operării, ce poate fi utilizat pentru detectarea obiectelor conductive precum corpul omenesc, în vreme ce componenta magnetică este practic nulă, nepropagându-se nicio propagare de unde de acest gen.

Posibilităţi pentru aplicaţii viitoare

Figura 4: Principiul de bază software pentru recunoaşterea gesturilor.

Pentru a facilita proiectarea de aplicaţii, echipa HMID de la Microchip pregăteşte un document ce descrie toţi factorii relevanţi care trebuie luaţi în considerare pentru proiectarea şi poziţionarea electrozilor senzoriali. Acest lucru va permite clienţilor să-şi proiecteze proprii electrozi sau să-i implementeze utilizând materiale deja existente în propriile proiecte.
Microchip plănuieşte de asemenea să ofere un kit de dezvoltare numit Hillstar, care se doreşte să asigure suport clienţilor în faza de proiectare. El este caracterizat de tehnologie GestIC, inclusiv suita Colibri, şi se conectează la un PC prin interfaţă USB, permiţând inginerilor să conecteze în mod convenabil electrozii şi să parametrizeze cipul MGC3130 pe un PC.
Interfaţa grafică plină de caracteristici a Microchip (GUI), dubbed Aurea, rulează sub sistemul de operare Windows 7 şi oferă control şi reglare a parametrilor MGC3130, făcând simplă operaţia de actualizare şi salvare a parametrilor (figura 4).

Vedeţi mai jos un video informativ:

Pentru mai multe detalii vă invităm să accesaţi: www.microchip.com/gestic, iar paginile de internet: www.gesture-remote.com şi www.gesture-cube.com oferă idei cu privire la noua tehnologie de la Microchip.
www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre