摘要:在人機交互系統中，手勢識別系統得到了廣泛應用。為了使手勢識別系統能夠在非接觸式模式下工作，設計了一種基于電容傳感器的手勢識別系統。該系統采用非接觸式電容傳感器FDC2214連接單面覆銅板，以感知電容值變化。當測試者的手靠近測試區域的覆銅板時，傳感器輸出的數字量將會發生明顯的變化。為了得到更加穩定的實時電容值數據，采用了卡爾曼濾波和均值濾波算法，進而實現手勢的訓練和識別。此外，以STM32作為主控制器，并設計了電源轉換電路和語音提示電路。經過測試，所設計的四通道手掌型測試區域，有效提高了系統魯棒性和測試者舒適度。該手勢識別系統，能夠實現“劃拳”、“猜拳”和“人機大戰”等功能，且運行良好、識別率高、趣味性強，達到了實時性要求。因此，該手勢識別系統具有較高的應用價值。

　　關鍵詞:手勢識別系統;電容檢測;FDC2214;四通道手掌型測試區域;卡爾曼濾波;均值濾波

　　電容論文投稿刊物：《電力電容器與無功補償》原名《電力電容器》，創刊于1980年，由西安電力電容器研究所主辦，現根據現電力機械制造(集團)公司關于企業整合的意見和安排，于2009年元月起由西安高壓電器研究院有限公司管理。經過二十多年的運作，以其內容詳實、信息傳遞快捷、發行面廣而擁有了基本的讀者群，已經形成知名品牌，發行范圍遍及全行業相關領域、大專院校、科研院所，在電工行業有著廣泛的知名度和影響力。

　　0引言

　　隨著科技的發展，手勢識別技術的研究已經取得了較大進展[1￣2]。目前，手勢識別系統的實現，主要經歷了數據手套設備、光學標記方法和視覺手勢識別三個階段。數據手套設備和光學標記方法，都能夠提供良好的檢測效果，但需要價格昂貴和復雜的設備。而基于視覺的手勢識別系統，受到應用環境光線的干擾較大，不適用于穿戴設備[3]。

　　電容傳感技術，能夠感測不同的材料(皮膚、塑料、液體等)，并且具有感知距離大、成本低、非接觸和無磨損等特點，正逐步取代光學檢測技術[4￣5]。本文基于德州儀器(TI)公司推出的高分辨率、低功耗、低成本的非接觸式電容式傳感器FDC2214[6￣11]，以STM32F407ZGT6單片機為控制核心，設計了一套手勢識別系統(重點設計了測試區域)。采用卡爾曼濾波和均值算法，對FDC2214的數據進行處理，以提高系統的抗干擾能力。測試表明，該系統具有實時性強、魯棒性高和用戶友好的特點。

　　1整體系統框圖

　　系統主要由電源模塊、單片機控制模塊、傳感器模塊、TFFLCD顯示屏模塊、LED燈顯示模塊、語音模塊以及測試區域支架組成。該系統以STM32F407ZGT6單片機為控制核心，利用FDC2214連接覆銅板，實現電容數據的采集，并根據不同手勢所產生的不同電容數據值，完成手勢訓練和識別等功能。除了常見的劃拳游戲和猜拳游戲之外，該系統還創新設計了其他游戲，如“黑白配”、“人機大戰”等。同時，該系統的按鍵模塊、語音模塊和LED與TFTLCD顯示模塊，進一步增加了該系統的人機交互能力。其中，按鍵模塊實現了訓練模式和訓練模式等的選擇。

　　2硬件設計

　　2.1電源模塊設計

　　電容傳感器FDC2214，需要采用3.3V供電，而單片機和其他外設設備，需要采用5V供電。因此，本系統由7.2V充電電池供電，經過LM2596穩壓模塊穩壓到5V和3.3V，給各個模塊供電。本文采用兩塊LM2596芯片。

　　2.2語音模塊設計

　　為了增加用戶的體驗，本系統添加了語音提示功能:具體采用的是LMD102語音模塊[12]。該模塊支持分段錄音、分段播放和隨時更換語音信息。它通過串口(RX和TX)與單片機STM32進行通信。

　　2.3手勢識別檢測

　　系統的檢測單元采用了德州儀器(TI)公司研制的電容傳感器FDC2214[6￣10]。其工作電壓為3.3V，并具有高速的SPI接口，用于支持芯片配置和傳輸數字化DATAX給STM32主控制器。STM32F407ZGT6的PB6引腳作為FDC2214的SCL引腳的時鐘輸入端，PB7作為與FDC2214的SDA傳輸數據與互相應答的引腳。

　　2.2.1FDC2214檢測原理

　　FDC2214是基于LC諧振電路原理的四通道電容檢測傳感器。它將傳感器電容接入振蕩器LC諧振回路中，并作為回路的一部分將電容容量的變化轉換為電路振蕩頻率的變化，從而根據測量頻率的變化得到被測量電容的變化。FDC2214中的“CopperSensor”部分，通常稱為“FDC2214的傳感平面”。該平面為導體材質[7￣8]。在本文系統設計中，采用了單面覆銅板，分別連接在端子J0￣J3上。當測試者的手接近覆銅板平面時，傳感器端的電容值發生了變化。這就導致了LC電路振蕩頻率的變化，從而可以反映手勢的接近，以及實現手勢的識別。

　　2.2.2測試區域的設計

　　測試區域主要由覆銅板和有機玻璃構成。增加有機玻璃是考慮消除測試者手與覆銅板接觸的影響。設計的關鍵是如何設計手的放置位置，以及覆銅板的形狀、大小和擺放位置。本文設計了三種測試區域方案，分別是單通道正方形、七通道手指形和四通道手掌形。單通道正方形方案，選用了一整塊(20×20)cm的正方形覆銅板作為測試區域。經過實際測試，針對不同的手勢，FDC2214返回的測試數據隔離度大、區分度好。但是，該方案對手勢的放置要求高、魯棒性差。為了方便識別五個手指是否在覆銅板上，設計了七通道手指形方案。考慮到左右手的情況，采用了七個較小的覆銅板來構成。

　　因此，需要2塊FDC2214同時進行采集。經過實際測試，該方案檢測精度高，但對測試者的限制要求較多，且兩塊FDC2214之間容易造成干擾。結合以上兩種方案的優缺點，設計了四通道手掌形方案。針對較難區分的四指區域，采用了一塊較大的覆銅板，通過設置電容值梯度閾值，判斷手指個數，而手掌附近則設置了三塊較小的覆銅板。通過判斷邏輯“0”和“1”，來檢測大拇指和判別手的方向。經過實際測試發現，該方案數據區分度高，且性能可靠、魯棒性高。同時，在覆銅板上，間隔一定距離(1cm)，覆蓋厚度適中的有機玻璃，效果更佳。因此，本文采用了四通道手掌形測試區域。

　　3軟件設計

　　3.1程序功能設計

　　本文所設計的手勢識別系統，主要具備2個模式和2種游戲功能。2個模式分別為訓練模式和判別模式。在訓練模式中，針對任意測試者，進行猜拳和劃拳的手勢訓練。在判決模式中，針對測試人員進行猜拳和劃拳判決。2個游戲功能分別是猜拳(剪刀、石頭和布)和劃拳(1、2、3、4、5)。除此之外，拓展了劃拳的功能———“劃拳plus(6、7、8、9、10)”，增加了“黑白配(正反手)”、“比大小”和“猜拳”等人機對戰交互游戲，提高該系統的趣味性。

　　3.2系統程序設計

　　系統的程序設計，采用了“前后臺”的程序設計思想。其中，后臺程序是5ms的定時程序，主要完成FDC2214數據的采集和鍵盤的掃描處理;前臺程序主要完成數據的處理、計算和顯示等功能。在本系統中的按鍵選擇，具有兩2個層級。第一級選擇為選擇訓練模式和判別模式。訓練模式完成后，方可進入判決模式。在2種模式下，都設有猜拳、劃拳、劃拳Plus、黑白配(正反手)和比大小等5種模式的第二級模式選擇。另外，可通過清零按鍵中途終止游戲，或者，直接進行下一位的測試與判決。在整個過程中都伴隨有語音播報提示，并且當按鍵選擇當前模式后，LED提示燈亮。另外，拓展了劃拳的功能———“劃拳plus(6、7、8、9、10)”，增加了“黑白配(正反手)”、“比大小”和“猜拳”等人機對戰交互游戲。程序具體設計思路是設置隨機函數random()，使該系統模擬人隨機做出各種手勢，并與測試者的手勢進行比較，給出勝負。通過語音提示，增加系統的趣味性。

　　4試驗測試

　　4.1針對某測試人員各種手勢的閾值設定

　　通過TI公司針對FDC2214EVM開發的上位機軟件SensingSolutionsEVMGUI，給出了某測試人員各種手勢所對應的各通道所測量的電容值變化。對多次測得的電容值變化進行平均操作，得到針對該測試人員的各種手勢閾值設定。

　　4.2性能測試

　　邀請了3位不同性別和年齡(其中，小孩1名)的測試者，測試了所設計系統的系統性能。具體包括:在訓練模式下，3位測試者3次的平均訓練時間;在判別模式下，3位測試者10次的平均識別精度和識別時間。實際測試表明，平均訓練時間和平均識別時間均小于30s，滿足實時性要求，而且，平均識別精度，達到了90%以上。通過分析發現，誤識別都是發生在小孩身上，主要原因是小孩的手較小，對訓練和判別時的手勢放置要求較高。同時，對所拓展功能也進行了測試。效果表明，所拓展的功能有效增加了該系統的趣味性。

　　5結論

　　基于電容式傳感器FDC2214的手勢識別系統能夠實現“猜拳”、“劃拳”和“人機大戰”等功能。在實際測試中，該系統運行良好，識別準確率高。后期還可以針對小孩的手勢進一步優化測試區域的設計。另外，為推廣該系統的應用，小型化設計也是一個方向。該手勢識別系統具有較大的利用價值，可以應用在人機交互設備的設計中。

　　參考文獻:

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　　[4]孟浩杰，王勇，吳朋華，等.基于電容傳感的嵌入式人體手勢識別系統[J].電子技術，2018(10):19￣20