Czujniki gestów do nowoczesnych interfejsów użytkownika

Zwykła nawigacja dotykowa wymaga pełnej uwagi użytkownika podczas obsługi i dotykania ekranu, niemniej sterowanie gestami eliminuje wady istniejącej interakcji człowiek- maszyna, umożliwiając użytkownikom obsługą produktu produktem za pomocą prostych i intuicyjnych ruchów.

Wykorzystanie tego typu sterowania jest możliwe w wielu obszarach techniki. Gesty idealnie nadają się do kontrolowania samochodowych systemów informacyjno- rozrywkowych. Sprawdzają się także w środowiskach przemysłowych i medycznych, gdzie przepisy dotyczące zachowania higieny wymuszają korzystanie z rękawic lub nakładają wymóg dezynfekcji dotykanych powierzchni. W takich obszarach sterowanie gestami jest interesującą alternatywą dla konwencjonalnych przełączników i pokręteł.

Istnieją różne sposoby implementacji sterowania gestami, takie jak proste rozwiązania z fotodiodami lub wykorzystujące kamery połączone z programowym rozpoznawaniem gestów w systemie komputerowym z zarejestrowanych obrazów.

Firma Pixart Imaging stosuje inne podejście: za pomocą źródła światła podczerwonego nad urządzeniem tworzony jest trójwymiarowy obszar wykrywania gestów o głębokości co najmniej 15 centymetrów. Obszar ten jest monitorowany przez czujnik, a wartość rozpoznanego gestu jest zapisywana w rejestrze, dzięki czemu użytkownik może wchodzić w interakcję z systemem bez fizycznego kontaktu. Pozwala to na obsługę sprzętu bez użycia rąk, za pomocą prostych ruchów dłoni. Sterowanie gestami realizowane jest bezpośrednio przez czujnik, a nie z użyciem zewnętrznego kontrolera hosta, jak w konkurencyjnych systemach. Wbudowane oprogramowanie rozpoznawania ruchów działa dyskretnie w tle i przekazuje obrobiony wynik za pośrednictwem rejestru stanu.

 

Rys. 1. Sposób wykrywania gestów i zasięg wykrywania

Czujnik PAJ7620U2

Jest on produkowany w 13-pinowej obudowie LGA (5,2×3×1,8 mm) i jego układy wewnętrzne rozpoznają 9 gestów (w górę, w dół, w lewo, w prawo, do przodu, do tyłu, koło w prawo, koło w lewo). Pobór prądu nie przekracza 2,82 mA, a w stanie czuwania spada do 1,5 mA. Z uśpienia czujnik można wybudzić gestem. Wydajniejsza wersja o oznaczeniu PAG7631J2 wymaga 7 mA, ale tylko 0,2 mA w trybie uśpienia. Połączenie z hostem realizowane jest z użyciem interfejsu I²C.

Dzięki niewielkim rozmiarom i wykorzystaniu standardowych interfejsów I²C/SPI czujnik można łatwo zintegrować z istniejącymi projektami. Użytkownicy muszą po prostu sterować własną aplikacją za pomocą napływających sygnałów z czujników. Wbudowana jest również funkcja wykrywania obecności.

Oto kilka przykładów użycia gestów w interfejsie użytkownika:

• włączanie wyświetlacza/uruchamianie systemu
• podstawowa nawigacja w przewijaniu menu lub na stronach internetowych (w górę, w dół, w lewo, w prawo),
• ruchy do przodu i do tyłu (wstecz, do przodu) oraz regulacja głośności systemów audio-wideo,
• wykrywanie ruchu w celu wybudzania działania wyświetlaczy lub całego systemu,

Przy wymianie np. mechanicznego włącznika na czujnik ze sterowaniem gestami możliwe stają się dodatkowe funkcje – oprócz włączania i wyłączania, do zdefiniowanych gestów można również przypisać funkcje ściemniania lub zmiany koloru.

Warto dodać, że czujnik wyróżnia się takimi właściwościami, jak mały pobór mocy, duży zasięg, odporność na światło otoczenia, kompaktowy rozmiar, a także niewrażliwość na zakłócenia od pól elektrycznych i magnetycznych w otoczeniu, dzięki czemu można go łatwo wbudować lub połączyć z różnymi innymi systemami. Przykładem takich elementów zakłócających są pojemnościowe sensory dotykowe lub przełączniki magnetyczne (z czujnikami Halla lub kontaktronami). Ponadto czujnik ten ma wbudowaną wewnętrzną funkcję uśredniania odczytu, która może eliminować nieciągłe zakłócenia spowodowane np. migotaniem lampy w takt częstotliwości 50 Hz, które mogą prowadzić do nieprawidłowego odczytu.

 

Rys. 2. Schemat blokowy czujnika PAJ7620U2

Ponieważ nad czujnikiem optycznym znajduje się zwykle przezroczysta osłona, która już powoduje odbicie emitowanego sygnału podczerwieni, czujnik realizuje też wewnętrzną autokalibrację. Grubość osłony nad czujnikiem nie może przekraczać 0,8 mm (1,8 mm w przypadku PAG7631J2), ponieważ oświetlająca pole robocze dioda LED jest zintegrowana w obudowie czujnika. Gruba osłona spowodowałaby niepożądane odbicia, dlatego producent zaleca szkło lub plastik o przezroczystości >90%, umieszczony jak najbliżej czujnika (<0,2 mm). Istnieje też możliwości korekty zabrudzenia i eliminacji wpływu rys i kropli deszczu. Celowe przesłonienie lub zasłonięcie czujnika przez naklejkę), może być automatycznie wykryte i wówczas urządzenie może wyświetlić komunikat o błędzie.

Pole widzenia (FOV) w odległości 20 cm od obiektu ma wymiary 15,4×15,4 cm. Kąt widzenia czujnika w poziomie i pionie wynosi 60º, dzięki czemu FOV zmienia się w zależności od odległości.

Stany rejestrów pozwalają nie tylko odczytać rozpoznany gest, ale również dokonać ustawień takich jak np. regulacja odległości działania, regulacja czułości dla poszczególnych ruchów. Czujnik może działać z 2 prędkościami: tryb normalny (prędkość gestów 60°/s – 600°/s) lub w trybie gry (prędkość gestów 60°/s – 1200°/s). Zakres wykrywania wynosi od 5 cm do 15 cm.

Z użyciem 4-przewodowego SPI można również odczytywać przestrzenny "obraz" tj. pobierać surowe dane o rozmiarze 60×60 punktów.

 

Rys. 3. Zestawy projektowe z czujnikami gestów

Funkcja automatycznej ekspozycji (AE) i programowania wielkości okna aktywnego window-of-interest (WOI) umożliwia regulację zasięgu wykrywania obiektów. Natomiast dzięki funkcji wykrywania obecności pojawienie się obiektu w trójwymiarowej przestrzeni rozpoznawania gestów może wybudzać system z uśpienia, co poprawia wydajność energetyczną całego systemu. Rys. 3. Zestawy projektowe z czujnikami gestów Czujnik PAJ7620U2 udostępnia dodatkowe informacje dotyczące obiektów w jego obszarze detekcji, takie jak rozmiar, jasność i położenie. Informacje te mogą być wykorzystywane na przykład do:

• wykrywania odbicia światła – gdy przed czujnikiem nie ma żadnego obiektu, wartości ObjectSize i ObjectAvgY wynoszą wtedy zero,
• pomiar względnej odległości do obiektu – gdy obiekt znajduje się przed czujnikiem, wartości ObjectSize i ObjectAvgY nie są wówczas zerowe i rosną w miarę zbliżania,
• rejestrowanie "ruchu obiektu" – możliwe jest rejestrowanie ruchu za pomocą wartości ObjectSize, ObjectAvgY i Object Position.

Do aplikacji profesjonalnych

Firma Pixart ma w swojej ofercie jeszcze inny czujnik tego typu o oznaczeniu PAG7631J2. Jego kluczowe cechy to maks. zasięg wykrywania 30 cm, 10 rozpoznawalnych gestów (w tym zawis) oraz dostępność wersji ze specyfikacją motoryzacyjną AEC-Q100 Grade 3 (PAJ7635U2). Ponadto seria 763x obsługuje synchronizację ramek dla wielu czujników, a także pozwala na sterowanie zewnętrznym oświetleniem z użyciem diod LED.

Próbki i zestawy ewaluacyjne czujników Pixart Imaging można zamówić w sklepie z próbkami Codico.

Codico
tel. 12 417 10 83
www.codico.com