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快速设计您自己的低成本 3D 手势控制器

来源:未知 作者:Jacob Beningo 2019-08-28 17:25 次阅读

旋钮、按钮、手柄和触摸屏是人类与机器和嵌入式设备的常用交互方式。不过,传感器技术的最新进展开辟了一条全新的道路,使开发人员可为产品添加三维 (3D) 手势控制。

由于所采用的技术各不相同,购买和集成手势控制器可能成本高昂。然而,市面上手势传感器技术种类繁多,从使用红外 LED 和光电二极管来检测动作的经济型传感器,到昂贵的手势识别相机。红外手势传感器经济实惠,可以通过数字接口与低成本微控制器连接,只需辅以简单的软件,精度足以应对许多应用。

本文探讨了使用Broadcom的APDS-9960进行手势控制的方法。几乎所有嵌入式系统都可轻松集成这款红外 (IR) 手势控制传感器。

基于 IR 的手势传感器

基于 IR 的手势传感器原理十分简单。用于检测手势时,开发人员可能需要检测以下几种不同手势:

向上/向下

向左/向右

向前/向后

在上述每种情况下,传感器都需要检测运动方向,而这主要通过传感器的两大组件来实现:一个发光二极管 (LED) 和多个定向光电二极管。定向光电二极管由至少四个光电二极管组成,分别置于距 IR LED 预定义距离处。例如,Broadcom 的 APDS-9960 环境光、接近度和手势传感器将四个光电二极管布置为菱形,每个二极管用于指示一个方向,分别为上、下、左和右(图 1)。

图 1:Broadcom 的 APDS-9960 具有一个集成 IR LED 和四个定向光电二极管,可检测反射的 IR 能量以分析手势。(图片来源:Broadcom)

当 LED 发射红外能量时,除非遇到手等物体发生反射,否则能量就会发射至空气中。光电二极管将检测到不同强度的反射能量,具体取决于物体的位置。例如,相比位于手势后边缘的光电二极管,前边缘光电二极管最初接收的反射能量较少,从而导致一个光电二极管的计数值比另一个高。在手势动作过程中,连续测量将导致不同位置的光电二极管检测的反射能量强度不同,而分析该方向信息流即可确定手势。

例如,若用户用手从传感器的顶部轻扫至底部,则在手势动作之初,下方光电二极管检测的入射光比上方光电二极管更强;在手势动作期间,手逐渐移动到两个二极管接收能量相等的点;而在手势动作完成时,下方光电二极管接收的反射光较弱,而上方光电二极管接收的更强,此时两光电二极管的曲线和相位完全反转(图 2)。

图 2:Broadcom 的 APDS-9960 检测到向下手势将生成以上光电二极管曲线,其中主导曲线指示手势方向。(图片来源:Broadcom)

了解手势数据的生成原理后,下一步就来看看如何连接到 APDS-9960。

连接 Broadcom 的 APDS-9960 手势控制器

APDS-9960 采用 8 引脚表面贴装 (SMD-8) 封装,占用印刷电路板空间极小(图 3)。传感器尺寸仅为 3.94 × 2.36 × 1.35 mm。该封装包含正常电源和接地引脚、用于连接微控制器的 I2C 数字接口,以及用于定制 LED 驱动电路的引脚。此外,该封装还包含中断引脚,可用于通知微控制器处理可用的手势数据。

图 3:APDS-9960 采用紧凑型表面贴装 SMD-8 封装,可最大限度减少电路板空间。(图片来源:Broadcom)

构建原型并连接 APDS-9960 有几种不同选项可供选择。例如,SparkFun的APDS-9960 评估板提供了包括 LED 驱动电路在内的小型分线板,以便实现开箱即用(图 4)。开发人员只需焊接针座以通过旁路绕过电源和接地,并将 I2C 总线和可选的中断引脚连接至微控制器,即可着手开发嵌入式软件了。此外,SparkFun 评估板还包含安装孔,若现有电路板有助于实现应用,则可直接运用到设计中。

图 4:SparkFun 的 APDS-9960 评估板包含着手开发手势控制所需的所有板载电路。(图片来源:Digi-Key Electronics)

或者,开发人员也可使用Adafruit的APDS-9960 分线板,这也是一款一体化解决方案(图 5)。Adafruit 分线板很有意思,尽管外形小巧,却还包含 3 V 板载稳压器,可用于为电源 LED 甚至低功耗微控制器等附加电路供电。最重要的是,Adafruit 为开发人员提供了完善的 Adafruit APDS9960 分线板用户指南,以及若干软件库可用于连接 Arduino 板或运行 Python 的开发板。因此,使用 APDS-9960 可轻松实现开箱即用,从而大幅缩短开发人员着手使用手势传感器所花费的时间。

图 5:Adafruit 的 APDS-9960 分线板包括 APDS-9960、3 V 板载稳压器和 I2C 电压转换电路以支持 3 V 或 5 V 总线。(图片来源:Digi-Key Electronics)

连接上述分线板的最简单方法是将Molex22-28-4255分离式针座焊接至电路板上。最好将针座朝下焊接,可实现多种优势:首先,可将电路板直接插入某个试验板,如Digilent的340-002-1无焊试验板套件(图 6)。其次,不要在该电路板上表面接线,以免手势动作时意外触及挂在针座上的电线

图 6:Digilent 无焊试验板上焊接好的 Adafruit APDS-9960 分线板。(图片来源:Adafruit)

此时,需要连接电源和接地,并将 I2C 总线连接至所需的微控制器开发板。任何带微控制器的开发板都可使用。但最好选择STMicroelectronics用于物联网节点的B-L475E-IOT01A2STM32L475 开发套件(图 7)。该开发板具有 Arduino 针座,并且由 MicroPython 提供支持,可在该开发板上轻松编程。完成此操作后,即可使用 Python 脚本连接手势传感器,从而使手势控制不仅可行,而且轻而易举。

图 7:STM32L475 物联网节点开发套件包含 Arduino 针座,可轻松连接到 APDS-9960 分线板。(图片来源:STMicroelectronics)

使用 Python 检测手势

从 APDS-9960 获取手势数据虽不复杂,却要求开发人员仔细阅读规格书。APDS-9960 具有多种不同功能,其中包括:

手势感应

环境光感应

RGB 颜色感应

接近感应

上述功能均由状态机控制,而状态机的执行则基于应用的寄存器设置。例如,防止手势引擎一直执行的妙招是使用接近感应引擎来检测手的存在。一旦 IR 反射能量达到预设计数,则由接近引擎转换为手势引擎,手势引擎测量定向光电二极管并将测量值放入先进先出 (FIFO) 缓冲器。为了启用该功能,需要设置控制寄存器启用接近感应,并设置计数阈值。

开发人员可能需要编写算法以检测特定的手势,具体取决于应用所需的手势。然而,对于向上/向下和向左/向右等常见手势,开发人员可以使用 Adafruit 的 APDS-9960CircuitPython 库。将该库复制到 Python 设备后,即可使用清单 1 所示代码导入。该代码可导入 APDS-9960 库以及支持 I2C 总线的多个库。

副本 import board import busio import adafruit_apds9960.apds9960 i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA) sensor = adafruit_apds9960.apds9960.APDS9960(i2c)

清单 1:用于连接 APDS-9960 手势控制器的 CircuitPython 导入和库初始化代码。(图片来源:Adafruit)

传感器对象是 APDS-9960 库中一个实例。稍后,我们将看到其易用性。为了启用手势,开发人员只需使用以下代码启用手势功能:

副本 sensor.enable_gesture = True The main program loop setup to read the gesture is itself just a few lines of code (Listing 2).gesture = sensor.gesture() while gesture == 0: gesture = sensor.gesture() print('Saw gesture: {0}'.format(gesture))

清单 2:只需简单重复调用单个库即可检测手势。(图片来源:Adafruit)

阅读该代码后,您定会发现若感测到手势,则将在屏幕上打印检测的手势(图 8)。

图 8:Adafruit 的 APDS-9960 CircuitPython 库手势输出结果示例。(图片来源:Adafruit)

手势可以数字形式输出,使用以下键值即可轻松转换:

0 = 未检测到手势

1 = 检测到向上手势

2 = 检测到向下手势

3 = 检测到向左手势

4 = 检测到向右手势

如图所示,借助预先导入的库,只需几行代码即可轻松实现基本手势识别。识别更为复杂的手势则需要修改库以分析原始手势数据。

构建手势控制器的技巧与诀窍

构建手势控制传感器并将其集成于产品着实具有一定挑战性。使用基于红外线的手势控制器时,开发人员需要考虑使用以下几个“技巧与诀窍”:

使用手势传感器的内部接近检测器来触发手势控制引擎,从而最大限度地减少无效手势启动。

从现有手势库开始,在现有功能的基础上构建其他手势。

将光电二极管增益调整为适合最终手势应用的最佳值。

将 LED 输出驱动强度调整为适合应用的最佳值,或许需要稍作调整才能获得可重复使用的数值。

无论开发何种手势应用,开发人员都应从高级软件开发入手,待充分熟悉该传感器后再转而使用较低级别的代码。

遵循上述技巧有助于确保开发人员花费最短的时间来启动和运行 IR 手势控制器。

总结

人们不断追求以更自然、更直观的方式进行人机交互,而其中一种重要方式就是使用手势控制技术。尽管市面上手势控制技术种类繁多,但论及成本最低、使用最便捷的技术还属基于红外线的手势传感器。如上所述,如果开发人员利用现有的硬件和软件技术,则将手势传感器与微控制器集成在一起,亦可省时省力,简单易用。

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    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线路电源电压要求 (VDC): 9 – 30 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (mA): 4 – 20 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (VDC): 0 – 10 励磁电压 (Vrms): 3 信号特征 励磁频率 (kHz): 7.5 主体特性 信号调节 - LVDT/RVDT 重量 (g): 117 机械附件 信号调节 - LVDT/RVDT 安装 : DIN 3 使用环境 工作温度范围 : -20 – 75 °C [ 0 – 165 °F ] 操作/应用 ...
    发表于 08-21 02:00 64次 阅读

    05282945-006 05282945-006 线性位移传感器 - LVDT

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    发表于 08-21 02:00 59次 阅读

    05282945-012 05282945-012 线性位移传感器 - LVDT

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    发表于 08-21 02:00 40次 阅读

    05282946-006 05282946-006 线性位移传感器 - LVDT

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    发表于 08-21 02:00 40次 阅读

    05282946-012 05282946-012 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压 (V): ±15 模拟输出 : ±10 V 电气连接 : PT02A-10-6P 主体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸 : 圆柱形 弹簧回弹式 : 分离式铁芯, 分离式铁芯 壳体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料 : 不锈钢 外壳直径 : 4.78 mm [ .188 in ] 使用环境 工作温度范围 : 0 – 70 °C [ 32 – 158 °F ] 环境规范 : 1,000 PSI 压力 ...
    发表于 08-21 01:00 75次 阅读

    070369000000-M 070369000000-M 角位移传感器 - RVDTRVIT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 类型 : RVDT 结构特性 电气连接 : M12.5 针 电气特征 Input Current (Max) (mA): 25 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 输出类型 : 0 – 10 VDC 主体特性 角度感应范围 (°): 0 – 120 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 重量 (g): 99 外壳材料 : 铝 机械附件 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 安装 : Servo Groove ...
    发表于 08-21 01:00 38次 阅读

    20009882-00 20009882-00 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 5 针连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 4 – 30 零加速输出 (mV): ±50 信号特征 频率响应 (Hz): 0-1500 主体特性 轴数 : 1 重量 : 16 g [ .56 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
    发表于 08-21 01:00 44次 阅读

    2350437-1 2350437-1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  结构特性 Resolver Size : 21 Pole Pairs : 1 其他 Angular Error ('): 20
    发表于 08-21 01:00 67次 阅读

    315-120 315-120 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
    发表于 08-21 01:00 58次 阅读

    10207854-00 341A-240 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
    发表于 08-21 01:00 58次 阅读

    4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-300 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
    发表于 08-21 01:00 92次 阅读

    4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-800 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
    发表于 08-21 01:00 73次 阅读

    603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 20.8 x 20.8 x 14.5 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 100...
    发表于 08-21 01:00 58次 阅读

    20010631-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 14.6 x 10.2 x 7.6 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 12000...
    发表于 08-21 01:00 38次 阅读

    62105012-000 62105012-000 位置传感器配套仪表

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线路电源电压要求 (VDC): ±12, ±15 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (VDC): ±10 励磁电压 (Vrms): 3 信号特征 励磁频率 (kHz): 2.5 – 10 机械附件 信号调节 - LVDT/RVDT 安装 : Printed Circuit Board Edge or Terminal Block 使用环境 工作温度范围 : -1 – 55 °C [ 30 – 130 °F ] 其他 传感器类型 : 带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT 传感器通道 : 1 ...
    发表于 08-21 01:00 52次 阅读

    67010001-000 67010001-000 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  使用环境 工作温度范围 : 5 – 60 °C [ 41 – 140 °F ]
    发表于 08-21 01:00 50次 阅读

    7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : IEPE 即插即用加速度计传感器类型 : 交流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 10-32 同轴连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±5 励磁电压 (VDC): 18 – 30 励磁电流 (mA): 2 – 10 信号特征 频率响应 (Hz): 0.3-10000 主体特性 轴数 : 1 重量 : 8.6 g [ .303 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
    发表于 08-21 01:00 46次 阅读

    72162000-020 72162000-020 倾角传感器和倾角仪

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  结构特性 接口 : 模拟 电气特征 电源电压 (VDC): 12 – 24 模拟接口 (mA): 4 – 20 端接特性 倾角传感器和测斜仪安装 : 垂直 尺寸 尺寸 (mm): 最多 70 倾角传感器和测斜仪精确度 (°): 最多 +/- .5 分辨率 (°): 最多 +/- .01 使用环境 测量原理 : 液体 工作温度范围 : -25 – 60 °C [ -13 – 140 °F ] 包装特性 倾...
    发表于 08-21 01:00 41次 阅读

    11106140-00 AST4300A05000P4P1000 压力传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 非易燃压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 10 英尺导管 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 压力 : 344.73 bar [ 5000 psi ] 工作温度范围 : -40 – 80 °C [ -40 – 176 °F ] 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
    发表于 08-21 01:00 108次 阅读

    11108715-00 AST4600A02000P4W1000 压力传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 防爆型压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 导管 2 m 引线 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 工作温度范围 (°C): -40 – 85 工作温度范围 (°F): -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
    发表于 08-21 01:00 68次 阅读