Este artículo presenta la cuarta de una serie de aplicaciones HMI que utilizan tecnología de reconocimiento de gestos de bajo costo para controlar los sistemas.
Este artículo presenta la cuarta de una serie de aplicaciones HMI que utilizan tecnología de reconocimiento de gestos de bajo costo para controlar los sistemas. Aprenda a controlar dispositivos con movimientos simples de la mano y el cuerpo, cómo eliminar el contacto con los controles del sistema, cómo encontrar soluciones de diseño para HMI basadas en gestos y cómo superar las limitaciones de los diseños de detectores de gestos tradicionales.
Controla tu dispositivo con simples movimientos de manos y cuerpo.
Algunos sistemas integrados se ejecutan de forma autónoma, pero la mayoría realiza funciones en respuesta a la entrada del usuario. Muchas máquinas y dispositivos son especialmente útiles porque sus circuitos electrónicos detectan y reaccionan a la proximidad humana. Por ejemplo, las puertas de entrada automáticas se abren automáticamente cuando se acerca una persona. Sin embargo, tales interfaces hombre-máquina (HMI) básicas sin contacto tienen limitaciones significativas. Dado que solo detecta la presencia de su cuerpo o sus manos, sus dispositivos electrónicos pueden reaccionar de manera inapropiada. Por ejemplo, la puerta puede abrirse inesperadamente si un peatón que pasa se detiene cerca de la entrada.
Se logra un control sin contacto mejor y más predecible cuando el circuito HMI puede reconocer un conjunto de gestos manuales simples y predefinidos. Los gestos fáciles de usar dan como resultado muchas menos operaciones erróneas del sistema. Por ejemplo, en una aplicación típica, una persona parada frente a una puerta puede extender la mano y moverse de izquierda a derecha para abrir la puerta, o de derecha a izquierda para cerrarla. (Ver Figura 1a)
Elimina la necesidad de conectarse al sistema de control
Ahora está surgiendo un gran mercado para la instalación de HMI de reconocimiento de gestos en dispositivos que requieren que las personas toquen físicamente los paneles o operen los interruptores. Estos controles familiares pueden contaminarse con el uso repetido. Con el tiempo, se acumula aceite y suciedad, lo que a menudo provoca un funcionamiento errático. Solucionar este problema requiere una inspección y limpieza regulares, lo cual es bastante costoso.
Puede implementar un enfoque de control sin contacto que permita a los usuarios usar gestos para realizar acciones del sistema, como encender/apagar, abrir/cerrar y cambiar de página. Una HMI avanzada basada en gestos simplifica las tareas de administración y mantenimiento del sistema. Además, la eliminación de interruptores y paneles en el producto promueve un diseño exterior simplificado y más moderno (ver Figura 1b).
En aplicaciones comerciales e industriales, las HMI controladas por gestos pueden mejorar la productividad. Esto es especialmente cierto en instalaciones limpias, como plantas de procesamiento de alimentos, donde los operadores deben lavarse o desinfectarse las manos antes de tocar los paneles de control de la máquina. Las HMI basadas en gestos ayudan a eliminar estos contactos, ahorrando tiempo y esfuerzo en el lavado de manos repetitivo, al mismo tiempo que minimizan el riesgo de contaminación (consulte la Figura 1c).
Encuentre soluciones de diseño para el diseño de detectores de gestos
El reconocimiento de gestos no es nada nuevo. Tradicionalmente, estos se han construido utilizando múltiples sensores infrarrojos (IR) o combinando sensores de imagen y motores de procesamiento de imágenes.
Los sensores IR son un método de bajo costo para detectar movimiento a lo largo de una dimensión predeterminada y son inmunes a la interferencia de luz extraña. Sin embargo, es eficaz sólo a una distancia corta de unos 10 cm.
Por el contrario, los sensores de imagen combinados con procesadores de señales proporcionan un reconocimiento mucho más avanzado, pero son mucho más caros. Además, no es adecuado para lugares donde la luz de fondo oscurece la visibilidad y reduce la precisión de detección de movimiento.
Implementación de interfaces de usuario efectivas de reconocimiento de gestos
Para enfrentar este desafío, Renesas ha desarrollado una implementación de muy bajo costo y alta sensibilidad que puede detectar hasta 1 metro en 8 direcciones (vertical, horizontal, diagonal) de la palma y puede detectar gestos corporales a una distancia de hasta 10 metros. Desarrollado con éxito.
El rendimiento de nuestra nueva solución HMI supera con creces el de la mayoría de los sistemas modernos de reconocimiento de gestos instalados en los teléfonos inteligentes.
La nueva solución de Renesas es, por tanto, un avance tecnológico muy oportuno. Sus capacidades le permiten crear productos atractivos que se pueden controlar con solo un movimiento de la mano a una distancia razonable del circuito de detección. Esta característica es una gran ventaja en el diseño del sistema y amplía enormemente las posibilidades de aplicación de las interfaces sin contacto.
Aplicación de un nuevo tipo de sensor IR con alta sensibilidad y respuesta rápida
La placa sensora tiene cuatro sensores infrarrojos piroeléctricos que pueden detectar el infrarrojo (calor) emitido por los organismos vivos (consulte la Figura 2).
Los sensores piroeléctricos se utilizan ampliamente para la detección de movimiento y han demostrado su eficacia a lo largo de los años. Sin embargo, los sensores piroeléctricos convencionales responden con demasiada lentitud para detectar movimientos rápidos en áreas pequeñas, por lo que las implementaciones típicas generalmente solo se usan para detectar si hay una persona presente. Por lo tanto, no es adecuado para la detección de movimiento de la palma. Estos sensores no graban fotos ni violan la privacidad, por lo que son ampliamente aceptados en áreas donde la privacidad es un problema.
La solución de Renesas elimina las limitaciones de velocidad y distancia de los sensores IR piroeléctricos tradicionales mediante el empleo de un nuevo tipo de película ferromagnética orgánica desarrollada por Sensors and Works, Ltd. Estos dispositivos piroeléctricos avanzados operan a velocidades diez veces más rápidas y a distancias de hasta un metro. El ruido también es bajo y el rango dinámico se puede ampliar. Además, son versátiles y se pueden instalar en una amplia gama de ubicaciones, ya que son inherentemente inmunes a la interferencia de fuentes de luz externas.
La figura 3 compara la mejor capacidad de respuesta del sensor de película ferromagnética orgánica con el rendimiento de los sensores IR piroeléctricos convencionales. El extremo izquierdo de la línea azul indica que el tipo convencional muestra una alta sensibilidad cuando se expone a una fuente de calor como la palma de la mano durante un tiempo relativamente largo. Sin embargo, el extremo derecho de esa línea revela una fuerte caída en la sensibilidad que provoca un rendimiento dinámico deficiente.
Reduce el recuento de piezas y el costo de las soluciones HMI
Como se muestra en la Figura 4, un circuito de reconocimiento de gestos de Renesas alimenta señales de salida de cuatro sensores IR de película ferromagnética orgánica a un Renesas Smart Analog IC300 (RAA730300). El circuito frontal analógico del chip normaliza las características de respuesta del sensor y envía una señal amplificada que contiene información de detección de movimiento al microcontrolador RL78/G1A.
El uso de un IC analógico inteligente como dispositivo puente para acondicionar las señales del sensor de la MCU reduce en gran medida la cantidad de componentes pasivos externos necesarios, lo que reduce el costo de la solución de reconocimiento de gestos. Además, los circuitos integrados analógicos inteligentes eliminan la necesidad de ejecutar software de filtro digital en la MCU, lo que reduce la carga de la CPU.
La placa basada en RL78/G1A controla las pantallas LED y LCD para permitir que los ingenieros de sistemas controlen la salida del sensor en tiempo real. Esta capacidad de prueba facilita el desarrollo de aplicaciones y elimina gran parte del trabajo requerido para monitorear qué tan bien un sensor rastrea una fuente de señal.
Ejecute un software de reconocimiento de gestos potente y flexible
Tenga en cuenta que el sensor IR en sí no detecta movimiento. Más bien, cada sensor tiene solo dos salidas, ya sea que se detecte una fuente de calor o no. Por lo tanto, la MCU debe procesar las señales de entrada de los cuatro sensores para determinar la dirección de los gestos con las manos detectados.
El software de aplicación instalado en la MCU RL78/G1A contiene los algoritmos esenciales para este proceso. Como se mencionó anteriormente, distinguimos entre ocho movimientos de palma diferentes aplicados horizontal, vertical y diagonalmente (ver Figura 5). Cada uno de estos gestos se puede asignar a una función de control del sistema separada según los requisitos del sistema integrado.
El proceso real de detección de gestos es bastante complejo, pero la solución de Renesas oculta esta complejidad al desarrollador del sistema, minimizando el esfuerzo de diseño. Por ejemplo, considere que si el usuario realiza un gesto con la mano de derecha a izquierda, es casi seguro que devolverá la mano a su posición original después de realizar el gesto de control deseado. El software de detección de movimiento no debe interpretar este movimiento de retorno como otro gesto. De lo contrario, se pueden iniciar operaciones erróneas. El software integrado de la MCU evita este problema potencial al reconocer y procesar solo la acción inicial prevista, mientras ignora de manera efectiva la acción de devolución.
El software en chip proporciona un ajuste fino para manejar diferentes entornos y características del operador. Por ejemplo, la velocidad promedio de los gestos puede variar de una instalación a otra. Puede cambiar los parámetros apropiados para obtener los mejores resultados de HMI. También puede cambiar el parámetro de sensibilidad de detección. El rendimiento de la interfaz de usuario se puede optimizar para la temperatura de la mano del operador, la temperatura ambiente y otros factores ambientales.
Las capacidades de ajuste de parámetros de software de MCU permiten a los ingenieros de sistemas maximizar el rendimiento del producto sin tener que analizar los detalles del reconocimiento de gestos.