信息娛樂(lè)手勢(shì)控制有助于避免因擺弄觸摸屏和位置不佳的撥盤(pán)而分心，從而增強(qiáng)駕駛員的體驗(yàn)和安全性。手勢(shì)識(shí)別可以補(bǔ)充觸摸屏、語(yǔ)音和旋鈕，以便駕駛員可以專(zhuān)注于道路。飛行時(shí)間相機(jī)雖然很花哨，但計(jì)算量大且昂貴。一種新的顛覆性方法將光學(xué)器件、傳感和模擬前端的使用集成到單個(gè)ASIC中，大大降低了成本，并推動(dòng)了這一重要技術(shù)在更廣泛的汽車(chē)中的采用。

介紹

目前僅在豪華車(chē)中可用的汽車(chē)信息娛樂(lè)手勢(shì)控制提高了駕駛員的安全性和舒適性。通過(guò)手勢(shì)控制，駕駛員在操作觸摸屏或轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)無(wú)需冒著將視線從道路上移開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)手勢(shì)識(shí)別，駕駛員可以調(diào)節(jié)音量和氣流，在連接的手機(jī)上揮手呼叫，或者通過(guò)輕彈手腕等方式更改音樂(lè)播放列表。手勢(shì)控制可以最大限度地減少觸摸屏的使用，使它們不那么分散注意力，并且可以補(bǔ)充語(yǔ)音。

例如，駕駛員可以要求虛擬助手播放某首歌曲，然后旋轉(zhuǎn)一只手，調(diào)高音量，同時(shí)他們的眼睛一直盯著路面。與手勢(shì)相反，語(yǔ)音識(shí)別的使用需要LTE連接回云處理器才能理解所有方言和語(yǔ)言，因此需要一個(gè)主要的數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)車(chē)窗向下時(shí)，如果天窗打開(kāi)，或者車(chē)內(nèi)音樂(lè)響起，語(yǔ)音識(shí)別也不起作用。除了提高交通安全外，手勢(shì)識(shí)別還可以幫助無(wú)法使用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的聾啞人。觸摸面板非常分散注意力，需要駕駛員記住按鈕位置并依靠觸覺(jué)在顯示屏上導(dǎo)航。最后，雖然基于觸摸的命令可能不可避免地導(dǎo)致觸摸表面的一些磨損，但手勢(shì)識(shí)別技術(shù)不會(huì)磨損受控設(shè)備。

目前，只有豪華或一級(jí)汽車(chē)采用了手勢(shì)控制技術(shù)，因?yàn)樗鼈兊膹?fù)雜性和成本很高。但這項(xiàng)技術(shù)的好處值得盡一切努力擴(kuò)大中低端汽車(chē)的采用。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們討論了一個(gè)典型應(yīng)用，并介紹了一種新的顛覆性方法，該方法具有高度集成度且具有成本效益，使更多的汽車(chē)能夠采用手勢(shì)識(shí)別。

典型系統(tǒng)

圖 2 展示了一種依靠飛行時(shí)間 （ToF） 相機(jī)來(lái)識(shí)別和掃描 3D 場(chǎng)景的典型技術(shù)。ToF技術(shù)包括向要分析的目標(biāo)發(fā)送紅外光束。反射信號(hào)由模擬前端（AFE）處理，原始數(shù)據(jù)沿線移動(dòng)到應(yīng)用處理器（AP）進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別。

圖2.汽車(chē)中的手勢(shì)控制。

該系統(tǒng)具有高像素?cái)?shù)（60，000），可以執(zhí)行眼睛/面部，身體和手指跟蹤，識(shí)別復(fù)雜的手勢(shì)，并具有上下文感知功能。它會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要復(fù)雜的MCU進(jìn)行處理。攝像頭和復(fù)雜MCU的使用使該系統(tǒng)用途廣泛，但價(jià)格昂貴。ToF可能提供很多手勢(shì)可能性，但對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜，需要客戶使用手冊(cè)對(duì)其進(jìn)行編程，并且日常使用不需要。

突破性技術(shù)

信息娛樂(lè)手勢(shì)控制的優(yōu)勢(shì)保證了通過(guò)提供簡(jiǎn)單但重要的手勢(shì)控制來(lái)降低復(fù)雜性和成本，以便更廣泛地使用。新型光電二極管陣列ASIC集成了光學(xué)器件、光電探測(cè)器陣列和模擬前端（AFE），如圖3所示。

圖3.集成手勢(shì)傳感器系統(tǒng)。

集成的手勢(shì)傳感器通過(guò) SPI 或 I 連接到簡(jiǎn)單的 MCU2用于識(shí)別過(guò)程的 C 總線。這種集成是通過(guò)專(zhuān)有的光學(xué) QFN 封裝 （4mm x 4mm） 實(shí)現(xiàn)的。圖4顯示了整個(gè)集成，包括ASIC上的傳感器光電二極管以及光學(xué)濾波。

圖4.集成光學(xué)元件和 AFE 橫截面。

傳感器陣列必須受到太陽(yáng)輻照度的保護(hù)。在940nm處，太陽(yáng)輻照度從H下降2O 在大氣中的吸收。這是傳感器工作的地方。光學(xué)高通濾光片消除了875nm以下的所有太陽(yáng)輻照度。（圖5）。

圖5.保護(hù)傳感器免受太陽(yáng)輻照度的影響。

四個(gè) 940nm IR-LED 二極管照亮目標(biāo)。反射光由 ASIC 上的 60 像素傳感器陣列感測(cè)，該陣列還集成了所有必要的信號(hào)數(shù)字化和控制功能（圖 6）。

圖6.集成手勢(shì)傳感器集成。

集成手勢(shì)傳感器操作

圖4所示的“孔徑”包括一層黑色專(zhuān)有涂層上的孔，該孔限制了光的攝入。準(zhǔn)針孔相機(jī)方法具有大光圈，可創(chuàng)建斑點(diǎn)或模糊圖像，而不是聚焦圖像。10x6光電探測(cè)器陣列捕獲整個(gè)斑點(diǎn)。例如，紅外二極管陣列發(fā)出一系列持續(xù)時(shí)間為25μs的光脈沖，每個(gè)脈沖后有25μs的暫停。光電探測(cè)器陣列在照明期間對(duì)光進(jìn)行積分，并在暫停期間減去光。從前者中減去后者會(huì)消除環(huán)境光共模，從而估算出斑點(diǎn)強(qiáng)度?？傓D(zhuǎn)換周期為 20 毫秒，結(jié)果為每秒 50 幀 （FPS）。每一幀都傳遞到MCU進(jìn)行處理，以計(jì)算矢量運(yùn)動(dòng)。處理矢量數(shù)據(jù)，并由算法輸出生成的手勢(shì)事件。

由于像素?cái)?shù)低（60），這種技術(shù)允許接近和手指跟蹤，旋轉(zhuǎn)和其他基本但重要的手勢(shì)。

應(yīng)用電路

圖7所示為MAX25205的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路。用于手勢(shì)和接近感應(yīng)的低成本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可識(shí)別以下獨(dú)立且重要的手勢(shì)：

手輕掃手勢(shì)（左、右、上、下）

手指和手部旋轉(zhuǎn)（CW 和 CCW）

接近檢測(cè)

點(diǎn)擊延遲

空氣點(diǎn)擊

浪

需要低功耗、低成本、非浮點(diǎn) CPU 來(lái)處理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)。這可以是 Arm M0 或來(lái)自另一個(gè) CPU 的備用 MIPS。這方面的BOM非常小——幾個(gè)濾波電容和一個(gè)驅(qū)動(dòng)每個(gè)IR-LED的分立MOSFET晶體管。?

圖7.集成手勢(shì)傳感器應(yīng)用示意圖。

結(jié)論

手勢(shì)識(shí)別可提高駕駛員的安全性和體驗(yàn)。它帶來(lái)了“酷”的汽車(chē)體驗(yàn)，沒(méi)有高價(jià)標(biāo)簽的刺痛。到目前為止，基于ToF的解決方案的高復(fù)雜性和成本限制了該技術(shù)在高端汽車(chē)上的采用。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們簡(jiǎn)要討論了ToF方法的局限性，并介紹了一種新穎的顛覆性手勢(shì)識(shí)別ASIC，它將光學(xué)器件、傳感和AFE集成到一個(gè)小型專(zhuān)有的光學(xué)側(cè)可潤(rùn)濕QFN封裝中。ASIC與廉價(jià)的CPU相結(jié)合，不僅以比ToF相機(jī)更低的成本和復(fù)雜性提供手勢(shì)識(shí)別，而且有助于將這種新技術(shù)的采用范圍擴(kuò)大到更大類(lèi)別的汽車(chē)和其他消費(fèi)產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷