Az MGC3130 a világ első, háromdimenziós gesztusfelismerő mikrokontrollere, amely az emberi kéz szabad térbeli pozícióját és mozgását az elektromos mezős tulajdonságok alapján követi le, így valódi előnyöket jelent a gépjármű-elektronikai alkalmazásokban. Mivel az MGC3130 csak azokat a változásokat érzékeli a közeli elektromos terekben, amelyeket elektromos vezető tulajdonságú objektumok váltanak ki (ilyen például az emberi test is), érzéketlen a környezeti behatásokra, így például a fényre és a hangra is.

Továbbá, mivel a hatótávolsága 15 cm, az MGC3130-nál biztosított, hogy csak a szándékolt felhasználó (a gépjárművezető) gesztusait követi le, az utasokéit figyelmen kívül hagyja. A 15 cm-es hatótávolságon belül ráadásul nincsenek vakfoltok, ellentétben más gesztusfelismerő technológiákkal. A GestIC technológia további nagy elő­nye, hogy elektródák segítségével érzékel, amelyek rejtve maradhatnak a kijelző ITO (indium-ón-oxid) bevonata, ill. az eszköz burkolata alatt.

A konvencionálisabb 3D-s gesztusfelismerő technológiákhoz képest (pl. infravörös, ultrahangos, kameraalapú) a GestIC alkalmazása számos ponton előnyösebb a gépjárműipari rendszerekben. A kamerás rendszerek megfelelő működéséhez egy bizonyos mértékű fény jelenléte mindenképpen szükséges, nem is szólva a dinamikus fénykompenzációról. Továbbá, a kamerás rendszerek nézeti szöge fix, amely mindenképpen holttér jelenlétét adja; mivel a gépjárművekben a fókusz középpontjában álló vezető közel is van a kamerához, a probléma csak még rosszabb. Kamerás rendszereknél komplikált azt is megoldani, hogy a rendszer ne érzékelje tévesen a többi utas gesztusait, és ne azonosítsa be őket olyan utasításokként, amelyek a vezető privilégiumát kellene, hogy képezzék.

A GestIC technológia adatkimeneti sebessége ráadásul magas, 200 Hz, és mintegy 90%-kal kevesebb az energiafogyasztása, mint a kamerás rendszereké.

Fizikai megvalósítási alapelvek

A szenzoros alapkonfiguráció az 1. ábrán látható. A szigetelőréteg leválasztja a földelőréteg felett elhelyezkedő, teljes síkos adóelektródát a legfelső rétegen elhelyezkedő vételi elektródától. Az MGC3130 által vezérelt adóelektróda létrehoz egy 100 kHz frekvenciájú elektromos teret, amely külső zavaró tényezők jelenléte nélkül egyenletes eloszlású elektromos térként tekinthető. Amint egy objektum belép ebbe a térbe, megbontja a térerővonalak egyenletességét. Ilyen esemény látható a 2. ábrán.



Az elektromos tér megzavarása eredményeképpen a korábban egyenletes eloszlású ekvipotencális vonalak és erővonalak jelentősen megváltoznak. Az elektromos térbe való belépéskor az elektromos vezető tulajdonságú objektum (esetünkben az emberi kéz) elnyeli az elektromos tér egy részét, mivel a föld felé vezeti el az elektromos töltéseket, amely változásokat vált ki az ekvipotenciális vonalakban és az elektromos mezőben egyaránt. Az MGC3130 méri a vételi elektródán a kéz keltette eltéréseket, és feldolgozza az eredményeket. Minél közelebb van a kéz a vételi elektródához, annál nagyobb a hatása. Négy vételi elektróda (észak, dél, kelet, nyugat) alkalmazása esetén az MGC3130 lehetővé teszi a kéz x, y és z koordináták menti, vagyis térbeli lekövetését az érzékelési területen belül. Egy következő számítási lépcsőben az MGC3130 azonosítja a kéz által megvalósított gesztusokat: egy rejtett Markov-modellen¹ (HMM - Hidden Markov Model) alapuló felismerőrutin ismeri fel, amely rendkívül nagy pontosságú, felhasználótól független felismerést támogat. Ha például a kéz egy jobbról balra tartó átmenetet ír le, a mozgás kezdetekor jobboldalt magas a deviáció. Mozgás közben az elhajlás a jobb oldali elektródán csökken, amellyel párhuzamosan a bal oldalin viszont nő. Az ezekhez hasonló mozgási minták felismerése és adatainak feldolgozása integrált módon történik, az áramköri kimenetre kerülésük pedig természetesen jól definiált módon történik.

Az x, y és z koordináta menti lekövetés pontossága akár 150 dpi is lehet, amely függvénye az elektródarendszer kialakításának és a kéz elhelyezkedésének. Minél közelebb esik a kéz relatív helyzete az érzékelési területhez, annál kedvezőbb a jel/zaj viszony és a felbontás. A GestIC technológia ezt a pontosságot ráadásul minimális jitterrel teszi elérhetővé. A gyakorlatban ez a pontosság kb. annyit tesz, hogy például egy laptop PC egérkurzorát rezgésektől, akadásoktól mentesen lehet gesztusokkal vezérelni.

Az elektródák

A vételi elektródák mindig az adóelektródák felett helyezkednek el (lásd 3. ábra). A Microchip által a legutóbbi Electronica szakrendezvényen bemutatott demóban például a vételi elektródák egy nyomtatott huzalozású áramköri hordozó felső oldalán lévő rézrétegekből álltak. Az elektródákat bármilyen, szilárd, elektromosan vezető tulajdonságú anyagból ki lehet alakítani, például vezetőfóliákból, a már említett ITO-rétegekből, flexibilis és merev áramköri hordozókból stb.

A Microchip GestIC technológia támogatja a vékonyelektródás rendszereket, ezáltal észrevétlen integrációt tesz lehetővé a céleszköz burkolata mögé. Ez azt jelenti, hogy nem kell az eszközöket vastagabbra tervezni, mint egyébként a standard ipari formaterv indokolná, így az elektródák integrálása nemcsak költségét, hanem módosítási igényét tekintve is alacsony. Ez a gépjármű-elektronikai rendszereknél igen fontos tényező, hiszen így az elektródák könnyedén elrejthetők például a műszerfal mögé is.

Mint korábban említettük, a már kiépített, elektromosan vezető struktúrák (pl. az érintőkijelzők ITO-rétege) újrafelhasználása lehetővé teszik a GestIC technológia rendkívül költséghatékony implementálását. A Microchip folyamatosan együttműködik a nagyobb kijelzőgyártókkal a GestIC technológia előintegrálásában, amely komplett kijelzőmodult jelent GestIC-kompatibilitással. Ha az MGC3130-at csatlakoztatjuk az érintőkijelző ITO-bevonatához, a kijelző érintési területéből elektromos mező érzékelésére alkalmas szenzorelektróda válik, amellyel párhuzamosan természetesen nem csorbul a kijelző érintésérzékenysége sem. A teljes integráció miatt a GestIC technológia azonnal átkapcsol térbeli érzékelésre, amint a felhasználó ujja elemelkedik a képernyő síkjától. Autósalkalmazásban ez azt jelenti, hogy a tartalommegjelenítést függővé lehet tenni akár attól is, hogy a kéz melyik irányból közelíti meg a kijelzőt. Így a tervezők dönthetnek úgy, hogy függőleges megközelítés esetén a telefont, a bal alsó sarok felőli megközelítéskor pedig a fedélzeti navigáció beállításait érje el a felhasználó. További lehetőség például a menüben történő léptetés a levegőben végzett lapozómozdulatokkal — a lehetőségek száma szinte végtelen.

A GestIC technológia rendkívül rugalmas, mivel nemcsak a lineáris gesztusokat, hanem szimbólumgesztusokat, körkörös mozdulatokat stb. is felismer. A gépjárműipari felhasználási környezetben ez azt jelenti, hogy például a hangerőszabályzást nagyon intuitív módon, a levegőbe egy hangerőállító gomb felrajzolásával és virtuális tekergetésével meg lehet valósítani. Attól függetlenül, hogy egy adott gesztushoz milyen funkciót társítunk, a végeredmény mindig az, hogy a vezető mind több figyelmet fordíthat az utakra és a közlekedésre azáltal, hogy csak gesztusokat kell rajzolnia maga elé/mellé a levegőbe ahelyett, hogy bizonyos fizikai kezelőszerveket vagy érintésérzékeny kijelzőt kellene használnia.

Az MGC3130 mikrokontroller

Műszaki szempontból nézve az MGC3130 egy konfigurálható, kevertjelű mikrovezérlő, amely tartalmaz egy analóg front-endet egy adó- és öt vevőcsatornával, valamint egy digitális jelfeldolgozó egységet (SPU-t). Az öt vevőcsatorna közül négyet a kéz pozíciójára, illetve a gesztusok felismerésére fordít a rendszer, míg az ötödik a kis távolság esetén javítja a pontosságot, illetve valósítja meg az érintésérzékelést. Természetesen minden csatornán működik a jelkondicionálás, az előkondicionált analóg jelek pedig digitalizálásra kerülnek annak érdekében, hogy az SPU számára feldolgozható formába kerüljenek.

A kimeneten az SPU a feldolgozott adatokat I²C^TM vagy SPI interfészen keresztül bocsátja rendelkezésre. A Microchip által biztosított alkalmazásprogramozási interfész (API) az alkalmazási vagy a gazdavezérlőn fut. Az API lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy a megfelelő jeleket könnyen odavezethessék a céleszközre. A Microchip Colibri-megoldása tehát előre feldolgozza az x, y és z koordinátákat, és rendelkezésre bocsát egy igen nagy tudású gesztusfelismerő rendszert is, így a fejlesztők mentesülnek a jelkondicionálási terhek alól. Továbbá, annak érdekében, hogy elérhetők legyenek alkalmazásspecifikus utófeldolgozás útján egyedi, speciális funkciók is, a Microchip a szűrt elektródajeleket szintén biztosítja az áramköri kimeneteken.

A Colibri szoftvercsomag

A Colibri szoftvercsomag alapja a már ismertetett HMM-alapú gesztusfelismerő rutin, valamint a kézpozíciót lekövető x/y/z vektorok. A HMM a jelenleg elérhető megoldások közül a legnagyobb pontosságú, felhasználótól független módját adja a térbeli kézpozíció és -mozgás, valamint ujjakkal végzett gesztusok felismerésének és lekövetésének. A GestIC technológia egyenletesen kimagasló gesztusfelismerési teljesítményt ad, függetlenül attól, hogy ki vezeti a járművet.

Az MCG3130 digitális kimenetén szolgáltatja a nagy felbontású x, y és z koordinátákat, valamint a lapozás, körrajzolás és szimbólum gesztusszavakat. A lapozást illetően a Colibri nemcsak az egyszerű, balra, jobbra, fel és le irányú mozdulatok, hanem komplexebb gesztusok felismerésére is képes, mint például bentről kifelé mutató vagy fordított irányban. Mindezek birtokában a felhasználó sokféle bemeneti parancs kiadására képes, végezhet klikkelést, kijelölést, zoomolást, görgetést stb. anélkül, hogy bármit is megérintene.

Ha az adott alkalmazáshoz olyan gesztus támogatására van szükség, amely nem szerepel az alaptámogatottak között, azok számára jó hír, hogy a Microchip a közeljövőben adja ki a gesztusfelismerésre és -betanításra alkalmas tréningmodult, amelynek célja, hogy a fejlesztők saját gesztusaikkal egészíthessék ki a könyvtárat. Az MGC3130 flash-alapú architektúrája miatt a fejlesztők közvetlenül az IC-re tölthetik le ezeket az új gesztusokat.

Végezetül a közeledésérzékelés egy olyan programozható funkció, amely felhasználói tevékenységet észlel, mialatt a mikrokontroller önébresztő módban van. Ha valódi felhasználói utasítást érzékel, a rendszer automatikusan átkapcsol teljes üzemmódba, illetve automatikusan vissza is tér az energiatakarékos módba, amint a felhasználó keze elhagyta az érzékelési területet.

Rugalmas alkalmazkodás a környezeti feltételekhez

A GestIC technológiánál a vivőfrekvencia 100 kHz körüli. Ha a rendszer motorokból, inverterekből, töltőkből, meghajtó áramkörökből stb. zajt érzékel, akkor az MGC3130 automatikusan utánhangolja az általa generált elektromos erőtér frekvenciáját olyan sávba, amelyet zajmentesnek érzékel. A támogatott frekvenciatartomány 70 és 130 kHz között van, amely kizárja a rádiófrekvenciás interferenciákat, és igen robusztus megoldást ad.

Másrészről a rendszer kisugárzott energiája nagyon alacsony, amely azt jelenti, hogy a GestIC önmaga nem okozhat interferenciát más rendszerekben. A rendszert elektromágneses interferencia-szempontból természetesen minősítették, és meg is felelt többek között az IEC 61000-4-3 előírásainak is. Az MGC3130 IC maximális fogyasztása mindössze 70 mW, ráadásul ennek döntő többsége a gesztusok tolmácsolására, kiértékelésére és osztályozására szolgál, nem pedig maga az elektromos erőtér felépítésére.

Háttér-információ

A Microchip Technology 2012-ben vásárolta fel és olvasztotta be az ember-gép interfészeket fejlesztő Human Machine Interface divíziójába (HMID) a müncheni székhelyű Ident Technologyt, akik több mint tízéves múltjuk során értékes tapasztalatokra tettek szert az elektromos erőterek szakterületén. Munkájuk eredményességét számos beadott szabadalmi kérelem bizonyítja. Az általuk összeszedett know-how arra is kiterjed, hogyan lehet az elektromos erőtereket valós környezetben alkalmazni, különös tekintettel az érzékelőelektródák kérdésére, chiptervezésre és a nyers adatok feldolgozására alkalmas algoritmusokra.

A GestIC technológia által használt 100 kHz-es jel hullámhossza nagyjából 3 km. Ez azt jelenti, hogy az érzékelőelektródák által lefedett terület (amely jellemzően kisebb, mint 15×15 cm) sok nagyságrenddel kisebb, mint a kibocsátott jel hullámhossza. Ez a kombináció igen stabil kvázisztatikus elektromos erőteret eredményez, amely alkalmas elektromosan vezető tulajdonságú objektumok (pl. az emberi test részeinek) érzékelésére, miközben a mágneses összetevő gyakorlatilag elhanyagolható, és nem beszélhetünk hullámterjedésről sem.

A jövő alkalmazásai

Az alkalmazásfejlesztés elősegítése érdekében a Microchip HMID-csapata összeállít egy olyan dokumentumot, amely összefoglal minden olyan tényezőt, amelyeket figyelembe kell venni az érzékelőelektródák tervezése és elhelyezése során. Ez megadja a lehetőséget a gépjárműipari felhasználóknak arra, hogy saját tervezésű elektródákat használjanak, vagy olyan implementációt valósítsanak meg, amely a már használatban lévő anyagaikra támaszkodik.

A Microchip Hillstar fejlesztőkit a kezdeti munkafázisokban támogatja a fejlesztőket. A készlet használja a GestIC technológiát, beleértve a Colibri szoftvercsomagot is. A fejlesztőkörnyezetet futtató PC-hez USB-n keresztül csatlakozó kit egyszerű és hatékony megoldást ad az elektródák tervezésére és az MGC3130 parametrizálására. A Microchip a funkciógazdag grafikus felhasználói felületét Aurea névre keresztelte.

A Windows 7 operációs rendszeren futó GUI-n az MGC3130 paraméterei és beállításai egyszerűen érhetők el, a mentések és frissítések szintén gyorsan elvégezhetők (lásd 4. ábra). A Microchip honlapján egy informatív videó is elérhető, amelyen megtekinthető a működés.

A Microchip kapcsolódó oldalai:

www.microchip.com/gestic

www.gesture-remote.com

www.gesture-cube.com

1: A rejtett Markov-modell egy statisztikai Markov-modell, ahol a modellezett rendszert olyan Markov-folyamatnak tekintik, amely rendelkezik rejtett állapotokkal