一种基于电容波阵列的隔空手势控制系统及方法与流程

本发明涉及人机交互，具体是涉及一种基于电容波阵列的隔空手势控制系统及方法。

背景技术：

1、近年来，人机交互技术经历了从物理按键到触摸屏的演进，随着智能家居、车载显示、消费电子等应用场景的发展，隔空手势交互作为一种自然、直观的交互方式，逐渐受到关注。

2、传统电容式手势感知方案依赖单频电场幅值检测，其检测高度通常低于20cm，定位误差超过5cm，无法满足中远距离交互需求；此外，该类方案仅采用单一模态特征，易受环境介电变化、非人体物体靠近的干扰，误触发率高；静态干扰发生后需要全局重校准，用户体验较差。

3、光学/红外式手势感知方案受光线、遮挡影响较大，在强光或黑暗环境下性能显著下降；用户戴手套时识别准确率不足70%；同时，该类方案需要额外的光学传感器与算力芯片，bom（物料清单）成本高、功耗大，难以适配低功耗嵌入式场景。

4、现有基于深度学习的手势识别方案资源占用高，需要部署高性能处理器，无法兼容cortex-m4f等级的通用微控制器；自定义手势需要重新采集大量样本训练模型，适配周期长、落地成本高。

5、因此，本技术提出一种基于电容波阵列的隔空手势控制系统及方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，提供一种基于电容波阵列的隔空手势控制系统及方法，本技术方案解决了上述的单一模态功耗大，误触率高，适配周期长以及成本高的问题。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于电容波阵列的隔空手势控制方法，包括：

4、step1.电场建立步骤：在电容波阵列上电后，发射电极向空间发射特定频率和相位的交流电压，在阵列上方建立准静电场；

5、step2.初始化校准步骤：在无手指状态下测量所有感应电极的背景电容值，建立初始基线，将发射功率和采样率设置为低功耗轮询模式；

6、step3.分区动态唤醒步骤：将所述电容波阵列划分为若干独立子区域，每个子区域内设置哨兵电极；采用相邻电极差分测量方式监测所述哨兵电极的电容变化率；当任一哨兵电极的电容变化率超过预设阈值时，唤醒对应子区域及其相邻子区域，将发射功率和采样率提升至正常工作水平；

7、step4.三维定位步骤：获取当前帧所有感应电极的电容变化值，减去动态更新的背景基线得到观测向量；将所述观测向量与预存的过完备字典进行稀疏匹配，采用正交匹配追踪算法求解稀疏系数，从所述稀疏系数中提取手指的三维坐标；

8、step5.轨迹跟踪步骤：将连续帧的三维坐标连接形成运动轨迹，采用低通滤波器对轨迹进行平滑处理，根据轨迹时序特征将轨迹分割为运动段和停顿段；

9、step6.手势识别步骤：基于有限状态机对每个运动段进行分类，根据手指当前高度所处场区，采用场区自适应阈值进行手势判定；

10、step7.功耗回切步骤：若所有手指离开检测区域超过设定时间，将系统切回低功耗轮询模式。

11、优选地，在step1中，根据手指距离阵列的高度所处场区，动态匹配不同的激励频率和发射功率：所述场区划分为：近场高度0~30mm，中场高度30~100mm，远场高度100~200mm；

12、近场采用100khz~2mhz范围内的较高激励频率，发射电压为1~2vpp；

13、中场采用100khz~500khz范围内的中等激励频率，发射电压为2~3vpp；

14、远场采用100khz以下的较低激励频率，发射电压为3~5vpp。

15、优选地，在step3中，所述低功耗轮询模式下，发射电压为1vpp，占空比为10%，感应通道采样率为10hz；正常工作水平下，发射电压为3~5vpp，被唤醒子区的感应通道采样率为100hz，相邻子区的感应通道采样率为50hz；若某个子区在连续500ms内未检测到有效扰动且相邻子区也无活动，则将其降回低功耗模式。

16、优选地，所述过完备字典的构建方法包括：

17、将阵列上方三维空间离散化为网格点，x方向设置个点，y方向设置个点，z方向设置个点；使用机械臂携带标准探针依次移动到每个网格点，记录所有感应通道的电容变化值，构成原子向量；对每个原子向量进行l2归一化，得到字典矩阵d，大小为，其中c为感应通道数，为字典原子总数；

18、所述正交匹配追踪算法的执行步骤包括：

19、初始化残差，支撑集，其中y为当前帧观测向量；

20、计算所有原子与残差的内积向量，找出内积绝对值最大的原子索引加入支撑集；

21、在当前支撑集张成的子空间上计算最小二乘投影：

22、

23、更新残差，若迭代次数达到预设稀疏度k或残差二范数

24、，则停止迭代；

25、从稀疏系数提取手指三维坐标的方法包括：

26、将系数绝对值小于最大系数预设比例的原子置零；在三维网格上，将26-邻域相连的非零系数点归为一个簇；利用系数值作为权重，计算每个簇的三维坐标加权质心：

27、

28、其中是网格点j的物理坐标，为对应稀疏系数值。

29、优选地，所述场区采用自适应阈值配置，包括：

30、运动启动阈值：近场15mm/s，中场25mm/s，远场40mm/s；停顿检测阈值：近场10mm/s，中场15mm/s，远场25mm/s。

31、优选地，根据所得到的手指三维坐标，采用有限状态机进行轨迹分割和手势识别，包括空闲状态、运动跟踪状态和待识别状态：

32、所述空闲状态：当速度超过运动启动阈值时进入运动跟踪状态；

33、所述运动跟踪状态：当速度低于停顿阈值且持续时间超过第一预设值时进入待识别状态；

34、所述待识别状态：根据已存储的运动段特征识别手势类型，或在第二预设时间内检测到新的运动段时识别为双击。

35、优选地，在step6中，基于几何特征的手势识别规则包括：

36、单击识别：单指模式，运动时长小于200ms，z轴方向有明显下压且返回，水平位移小于预设值，速度轮廓呈现先加速后减速特征；

37、双击识别：两个连续的运动段均符合单击特征，两段之间停顿时间在100~400ms内，空间中心距离小于15mm；

38、滑动识别：速度在运动中保持稳定，轨迹弯曲度小于预设阈值，根据x轴和y轴位移比例区分水平滑动或垂直滑动；

39、旋转识别：双指模式，双指间距变化小于预设比例，累积角度变化超过120°；

40、缩放识别：双指模式，双指间距变化超过预设比例，中点位置基本不变。

41、优选地，采用多模态特征融合抗干扰，包括同步采集幅值特征、相位差特征和电极梯度特征，并结合人体专属介电频响特征进行判断；所述基线动态更新策略包括：定期或在检测到信号异常时重新校准基线，消除温度、湿度变化引起的基线漂移。

42、一种基于电容波阵列的隔空手势控制系统，包括有电容波阵列：包括发射电极、感应电极和屏蔽层；所述发射电极和感应电极交错排列形成马赛克式棋盘格结构；所述发射电极施加交流电压以在空间建立准静电场；所述屏蔽层位于阵列背面及边缘，抑制对外辐射和外部环境干扰；

43、信号采集单元：高速采集所有感应电极上的电容变化信号，将微弱的电场扰动转换为数字量；采用相邻电极差分测量方式抑制共模干扰；

44、信号处理与手势识别单元：包括嵌入式处理器，运行定位和手势识别算法；所述嵌入式处理器被配置为执行权利要求1至8中任一项所述的方法步骤。

45、优选地，所述发射电极的相邻中心距为10mm~15mm；

46、所述感应电极位于相邻发射电极之间的间隙中，间隙距离为0.5mm~1mm；

47、所述发射电极和感应电极均制作在同一层pcb的顶层；

48、所述屏蔽层采用双层pcb的底层整块铜箔，或fpc背面贴合的导电布或铜箔胶带；

49、所述屏蔽层通过多点接地连接到系统信号地；

50、所述信号处理与手势识别单元根据手指距离电容波阵列的高度将检测空间划分为场区，场区划分为：近场高度0~30mm，中场高度30~100mm，远场高度100~200mm；

51、所述信号处理与手势识别单元还包括：字典存储模块，用于存储预建的过完备字典d；

52、稀疏匹配模块，用于实现正交匹配追踪算法对观测向量进行稀疏分解；

53、轨迹管理模块，用于维护每个手指的轨迹id并记录历史位置序列；

54、状态机模块，用于实现有限状态机逻辑并输出手势识别结果

55、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

56、1、本发明通过多频梯度电场可编程生成，近场高频低功率、远场低频高功率，使检测高度从传统电容方案的<20cm扩展至0~200mm，同时采用过完备字典稀疏匹配与omp算法，横向定位精度优于2mm，解决了传统单频电场检测高度受限、定位误差大的问题。

57、2、通过多模态特征融合同步采集幅值、相位差、电极梯度三种特征，结合人体专属介电频响特征区分真实手指与静态干扰物；配合局部基线动态更新策略，干扰发生时无需全局重校准，解决了常规电容方案单一模态易误触发、静态干扰需全局重校的缺陷。

58、3、通过分区动态唤醒机制使无手指区域的子区维持低功耗轮询（1vpp/10%占空比/10hz），仅唤醒手指附近子区至工作模式；手势结束后自动切回，实现待机功耗大幅降低，解决了光学方案持续高功耗、不适配嵌入式场景的问题。

59、4、通过手势识别采用有限状态机+场区自适应阈值的规则方案，算法全部兼容cortex-m4f等级微控制器，自定义手势只需修改规则参数无需重新训练模型，解决了深度学习方案资源占用高、适配周期长的缺陷。