Gépkezelés „mutogatással”
Az ipari gépek vezérlésekor – különösen mostoha, szennyezett környezetben – a gépvezérlésre még mindig sokan a hagyományos, „jó masszív” gombokat tartják alkalmasnak. Az érintőképernyőket és azok „gesztus-alapú” kezelését nehéz beleképzelni az ilyen környezetbe. A Microchip fejlesztése révén azonban az ipari alkalmazás „összebékíthető” a gesztusvezérléssel, sőt annak a „levegőben” történő, 3D-változatával.
A levegőben tett gesztusok az ipari gépek kezelésében
Bevezetés
Az ipari gépeket gyakran mostoha körülmények között üzemeltetik, ahol a gépre potenciálisan veszélyes anyagok is előfordulhatnak, illetve az operátornak folyamatosan kell ellenőriznie a technológiát, és ezért nem képes egy képernyővel alaposan figyelni a termelési folyamatokat. A Microchip Technology által kidolgozott GestIC® integrált áramkör (MGC3130) és a Colibri szoftvereszköz-készlet lehetőséget kínál arra, hogy az ipari környezetben is lényegesen megváltoztatható legyen az „ember–gép interfész” (HMI) koncepciója azáltal, hogy az érintőképernyős kezelés helyett a képernyő előtt, annek érintése nélkül, a „levegőben” végzett kézmozdulatokkal, „gesztusokkal” lehessen vezérelni egy gépet vagy berendezést.
Az MGC3130 a világ első 3D-gesztusvezérlésű áramköre, amely a térben szabadon mozgó kéz helyzetét a villamos tér változásainak érzékelése útján állapítja meg. Ennek komoly előnyei lehetnek – különösképpen az ipari környezetben. Mivel az MGC3130 csak az érzékelőfelület közelében található vezető tárgyak (például az emberi test) által okozott villamoserőtér-változásokat érzékeli, ezért egyáltalán nem zavarják az ipari környezetre jellemző erős fény- és hanghatások. Ráadásul, mivel az elektromostér-érzékelés hatótávolsága 15 cm-nél kisebb, az MGC3130 garantálni tudja, hogy csak annak a felhasználónak a gesztusait érzékelje a készülék, akinek ez a szándéka, és kizárja a közelben tartózkodókat az akaratlan operátori beavatkozásokból. Ugyanakkor az MGC3130-nak – a többi hasonló, gesztusvezérelt technológiákkal ellentétben – nincs „vakfoltja” a 15 cm-es hatótávolságon belül. A GestIC-technológia további nagy előnye, hogy olyan elektródákat használ az érzékelésre, amelyek láthatatlanok az adott HMI-környezetben. Használhatják ugyanis erre a célra a megjelenítő képernyő létező indium-ónoxid (Indium Tin Oxide – ITO) bevonatát, vagy a készülék háza mögé rejtett elektródát. Ez különösen fontos az ipari környezetben, ahol a gép vagy rendszer vezérlőegysége egy tömített, lezárt egységben foglal helyet.
A többi 3D-gesztusvezérlési technológiákkal (például az infravörös, ultrahangos vagy kamera alapú megoldásokkal) összehasonlítva a GestIC néhány további előnnyel szolgál az ipari alkalmazások számára. Például, a kamera alapú megoldások működéséhez bizonyos mennyiségű megvilágításra van szükség, és a fényérzékenység dinamikus kiegyenlítését is meg kell valósítani. Ráadásul a kamera rögzített látószöge miatt a kamera által „be nem látott” vakfoltok alakulnak ki, különösen ipari környezetben, ahol a felhasználó nagyon közel van a kamerához. Ugyanakkor a kamerás megoldásnál rendkívül nehéz kiszűrni az operátor mögött, a háttérben történő – a vezérléssel össze nem függő – események zavaró hatását. A GestIC-technológia 200 Hz-es frissítési frekvenciával ad kimeneti adatokat, miközben 90%-kal kevesebbet fogyaszt a kamerás megoldásoknál.
A működés fizikája
A legegyszerűbb szenzort az 1. ábra mutatja. A felső réteg szélén található vevőelektródákat egy szigetelőréteg választja el a teljes érzékelősíkkal azonos méretű, a szigetelőlap alsó oldalán elhelyezkedő adóelektródától. Az adóelektródát az MGC3130 vezérli, amely 100 kHz-es frekvenciával változó elektromos teret állít elő. Ha a teret semmi sem zavarja, a kialakuló elektromos tér az 1. ábrán látható módon, egyenletesen oszlik el. Ha viszont ebbe az elektromos térbe egy tárgy lép be, az megzavarja a tér erővonal-eloszlását. Egy ilyen „zavart” téreloszlás képét mutatja a 2. ábra.
A zavarás miatt a korábban egyenletes, „sima” eloszlású erővonalak és a rájuk merőleges ekvipotenciális felületek elrendeződése jelentősen megváltozik. Az elektromos térbe belépő vezető tárgy (esetünkben az operátor keze) elnyeli az elektromos teret, és a benne felhalmozódó töltést a földelés felé vezeti el. Ennek eredménye az erővonalak és az ekvipotenciális felületek megváltozása. Az MGC3130 méri a vevőelektróda jelének azokat az apró változásait, amelyeket a térbe benyúló kéz okoz, és a változásokat feldolgozva állítja elő a kimeneti jelet. Minél közelebb kerül a kéz a vevőelektródához, annál jobban érzékelhető a kéz jelenléte miatti lokális változás. Négy vevőelekródát használva (észak, dél, kelet, nyugat) az MGC3130 képes követni a kéz pozícióját, és azt a háromdimenziós tér (X, Y, Z) koordinátáival kifejezni az érzékelő aktív terének belsejében. Egy következő számítási lépésben az MGC3130 azonosítja a gesztusokat a rejtett Markov-modell (Hidden Markov Model – HMV) alapján működő gesztusfelismerő alrendszerrel. Ez rendkívül magas találati aránnyal, a felhasználótól nagymértékben függetlenül képes a gesztusok egyértelmű azonosítására. Ha például a kéz a kép jobb oldalától a bal oldala felé „legyint”, a gesztus kezdetén jobb oldalon nagy eltérést tapasztalunk. A mozgás továbbfolytatódása közben a jobb oldali nagy változás lecsökken, ezzel egy időben a bal oldalon viszont növekszik. Az ehhez hasonló mozgásmintákat a csip beépített algoritmusai révén regisztrálja és feldolgozza, és végül egy előre meghatározott, egyértelmű kimenettel jelzi, hogy a programozott mozgástípusokból melyiket ismerte fel.
Az X/Y/Z-követés felbontása akár 150 dpi[1] is lehet, az elektródák alakjától és a kéz pozíciójától függően. Minél közelebb van a kéz az érzékelőfelülethez, annál nagyobb a felismerés jel/zaj-viszonya és a pozíciómérés felbontása. Hogy ez mire elegendő, jól mutatja az a demonstráció, amellyel a tervezők egy laptop számítógép egérmutatóját mozgatták gyakorlatilag „rezgésmentesen” – csupán a kéznek az érzékelőfelület előtti mozgatásával, „valódi” egérhasználat nélkül. A GestIC-technológiával tehát az egér pontosságával lehet kezelni egy grafikus felhasználói interfészt.
1. ábra Zavartalan elektromos tér. A különböző színek az ekvipotenciális felületeket, a nyilak az erővonalakat jelképezik
2. ábra Egy kéz által okozott változások az elektromos erőtérben. Az ekvipotenciális felületek és erővonalak korábban egyenletes eloszlása jelentősen megváltozik
Az elektródák
A vevőelektródákat mindig az adóelektróda felett kell elhelyezni (3. ábra). Például egy olyan demonstrációs összeállításban, amit a Microchip az Electronica-szakvásáron mutatott be, a vevőelektródákat egy NyÁK-lemez felső oldalának rézrétegéből alakították ki. Az elektródák gyakorlatilag minden szilárd vezetőanyagból kialakíthatók: hagyományos (merev) és hajlékony NyÁK-lemezből, vezető fóliából, de akár egy LCD-kijelző frontlemezén kialakított, átlátszó ITO-rétegből is.
3. ábra Egy működő elektródaelrendezés. Az észak/dél/kelet/nyugati irányú elektródák a kéz X/Y-koordinátáit, a központi elektróda a Z-koordinátáját érzékeli.
4. ábra A gesztusfelismerés alapvető szoftverrendszerének vázlata
A GestIC-technológia arra is alkalmas, hogy vékony érzékelőfelületet alkotva azt láthatatlanul integrálni lehessen a célkészülék tokozatába anélkül, hogy a korábbinál vastagabb lenne. Ezért az elektródák nemcsak olcsók, hanem az ilyen szolgáltatással bővített készülék külső megjelenésére, méreteire is csak kismértékben – vagy egyáltalán nem – hatnak. Ez különösen fontos szempont az ipari elektronikában, ahol az elektródák a vezérlőpanel mögött, rejtetten helyezhetők el.
Amint korábban is említettük, a létező vezetőstruktúrák, mint például a képernyők érintőpaneljének ITO-bevonata is olcsó alternatívaként használható elektródaként, amely a GestIC-technológiával rendkívül költséghatékony rendszermegoldások kialakítását teszi lehetővé. Jelenleg a Microchip a fontos megjelenítő-gyártókkal tárgyal arról, hogy a GestIC-technológiát gyárilag beépítsék a komplett megjelenítőkbe. Azáltal, hogy az MGC3130 áramkört az ITO-bevonathoz csatlakoztatják, a képernyő érintőfelülete villamostér-érzékelő szenzorrá alakítható anélkül, hogy az az érintőképernyő többpontos (multitouch) érintésérzékelését zavarná. Ezzel az akadálymentes integrációval a GestIC-technológia létrehozza a képernyővezérlés harmadik dimenzióját abban a pillanatban, amikor az ujjunk elhagyja a képernyő felületét. Ipari alkalmazásokban ez lehetővé teszi például, hogy különböző tartalmakat attól függően jelenítsen meg, hogy milyen irányból közelítjük a kezünket a monitorhoz. Például felülről közelítve a vezérlőmenü, alulról közelítve pedig a rendszer beállítómenüje nyílik meg, Másik lehetőséget kínál például, ha az alapmenük között a monitor előtt, a levegőben végzett „legyintő” mozdulatokkal lehet váltani.
A GestIC-technológia nagyon rugalmas, és nemcsak egyenes vonalú mozgásokból álló gesztusokat ismerhet fel, hanem azt is, ha szimbólumot, kört vagy mást rajzolunk a levegőbe az érzékelőfelület előtt. Ipari környezetben ez a lehetőség arra is használható, hogy növeljük vagy csökkentsük egy anyag adagolásának sebességét, szelepet nyissunk vagy zárjunk azzal, hogy egy „virtuális gombot” forgatunk a levegőbe rajzolt gesztusainkkal. Lényegében ez lehetőséget ad az operátornak arra, hogy szemét a folyamaton vagy fontos, figyelt paramétereken tarthassa, miközben a megfelelő gesztusokkal kezeli a rendszervezérlést.
Az MGC3130 integrált áramkör
Az MGC3130 egy konfigurálható, analóg és digitális („kevert jelű”) vezérlőeszköz, amelynek analóg frontendfokozata egy adókimenetet és öt vevőbemenetet kezel. A belsejében egy digitális jelfeldolgozó processzor (Signal Processing Unit – SPU) végzi a kiértékelési műveleteket. Az öt bemenetből négy szolgál a gesztusok felismerésére, míg az ötödik csatorna engedélyezi az érintés detektálását és kis távolságoknál a pontosság növelését. Mindegyik csatornabemenet jelkondicionálóra kerül, majd az analóg előfeldolgozáson átesett bemeneti jeleket az integrált SPU digitalizálja és kiértékeli.
A kimeneten az SPU a kiszámított eredményeket I2C- vagy SPI-interfészen keresztül adja át a hosztvezérlőnek. A Microchip kidolgozott egy API-t (Application Programming Interface – alkalmazásprogramozási szoftverinterfészt), amely az alkalmazáson vagy a hosztvezérlőn át futtatható. Ez az API lehetővé teszi, hogy a tervező könnyen leképezhesse az értékelhető jeleket a vezérelt szoftveralkalmazás által könnyen feldolgozható formába. Ez azt jelenti, hogy a tervezőnek nem kell magával a jelkondicionálással foglalkoznia, mivel a jelfeldolgozó minden külső beavatkozás nélkül elvégzi a kéz X/Y/Z-koordinátáinak meghatározását, és lefuttatja a csipre telepített, jelentős gesztusválaszték felismerésére képes szoftvert is. Ez a feldolgozószoftver együttesen az ún. Colibri-programkészlet. Annak érdekében, hogy a tervező egy alkalmazásspecifikus utófeldolgozás segítségével a Colibri lehetőségein túlmutató, egyéni, speciális jellemzőkkel ruházhassa fel az alkalmazását, a Microchip az elektródák szűrt kimeneti jelét is megjeleníti analóg kimeneteken.
A Colibri-szoftevereszközkészlet
A Colibri-eszközkészlet gesztusfelismerő funkciójának alapja a „rejtett Markov-modell” (Hidden Markov Model – HMM) algoritmus, amely a kéz pozíciójának X/Y/Z-koordinátáiból indul ki. A HMM adja a kézzel és az ujjakkal végzett gesztusok legnagyobb felismerési gyakoriságát – ráadásul széles tartományban függetlenül a felhasználó kézméretétől, egyéni tartásától és a mozdulat sebességétől. Ez azt jelenti, hogy a GestIC-technológia folyamatosan fenntartja a magas felismerési gyakoriságot, tekintet nélkül arra, hogy ki kezeli a berendezést.
Az MGC3130 digitális kimenetén a Colibri-szoftveregyüttes nagy felbontású X/Y/Z-koordinátákkal követi a kéz pozíciójának változásait például „legyintésnél”, illetve kör- vagy más szimbólum rajzolásából álló gesztusoknál. A legyintésnél a Colibri-program nemcsak a mozgás alapjellemzőit detektálja (például azt, hogy jobbra, balra, fel- vagy lefelé történt a legyintés, de olyan részletesebb információkat is ad, hogy belülről kifelé mozgó vagy fordított irányú, vagy éppen a szenzor teljes felületére, vagy annak csak egy részére kiterjedő mozgásból áll a gesztus. A felhasználó ezekkel parancsokat adhat az alkalmazásnak: például megnyithatja azt, egy adott képernyőpontra mutathat, a kattintás hatásához hasonló beavatkozást végezhet, nagyíthatja vagy kicsinyítheti a képet a megjelenítőn, és sok másféle utasítást adhat anélkül, hogy a képernyőt megérintené.
Azokra az esetekre, amikor a felhasználó elképzelései között olyan gesztus felismerése is szerepel, amely nem része a Colibri alapértelmezett jelkészletének, a Microchip olyan programmodult bocsát rendelkezésre, amellyel a felhasználó gesztusokat rögzíthet és taníthat meg a rendszernek. Ezek egy saját gesztuskönyvtárban tárolhatók. Az MGC3130 flash-memóriás architektúrája azt is lehetővé teszi, hogy az újonnan definiált, „alkalmazásspecifikus” gesztusok paramétereit a felhasználó letöltse az eszköz memóriájába.
Ezenkívül a programozható funkciók egyike a közelségdetektálás is, amely figyeli a felhasználó aktivitását akkor is, amikor az eszköz az automatikusan „felébredő” üzemmód alvó állapotában kezelői beavatkozásra vár. Amint a felhasználó kezelői beavakozási kísérletként értelmezhető gesztust tesz, a rendszer automatikusan teljes érzékelési üzemmódba kapcsol, illetve abban az esetben, ha a kezelő személy keze elhagyja az érzékelési zónát, automatikusan visszakapcsol a nagyon kis fogyasztású, automatikus ébresztésű üzemmódba.
Rugalmas adaptáció a környezeti feltételekhez
A GestIC-technológia 100 kHz körüli hordozófrekvenciával működik. Ha az eszköz olyan zajt érzékel, amely zavarja a működést ezen a frekvencián (például motorokból, inverterekből, akkumulátortöltőkből vagy lámpameghajtókból), az MGC3130 automatikusan megváltoztatja a hordozófrekvenciát olyan értékre (a 70…130 kHz-es tartományban), amely zajmentes vételt tesz lehetővé. Ezzel az eszköz aktívan elkerüli az RF-interferenciát, és nagyon robusztus, zavartűrő megoldást tesz lehetővé. Másrészt a kibocsátott energiaszint igen alacsony, ezért a GestIC nem okoz számottevő zavart más rendszerekben. Ezt az is bizonyítja, hogy az eszköz teljesíti az IEC61000-4-3 EMI-szabvány feltételeit. Az MGC3130 fogyasztása nagyjából 70 mW, de ennek jelentős részét az elektromos térerősség-változások interpretációjához, kiértékeléséhez és osztályozásához szükséges digitális jelfeldolgozás emészti fel, és csak jelentéktelen része fordítódik az elektromos tér kibocsátására.
Háttértörténet
Több mint 10 évvel ezelőtt a németországi Münchenben működő Ident Technology cég már tapasztalatokat szerzett és know-how-t dolgozott ki az elektromos tér pozícióérzékelési alkalmazásáról, és számos szabadalmat is bejelentett e témakörben. A céget 2012-ben megvásárolta a Microchip Technology, és beolvasztotta az ember–gép interfészek kidolgozásával foglalkozó divíziójába (Human Machine Interface Division – HMID). Ezzel a birtokába került a know-how is arról, hogyan lehet valós környezetben használni az elektromos tér változásain alapuló helyzetérzékelést, hogyan lehet érzékelőelektródákat tervezni, milyen módon lehet azok jeleit integrált áramkörökkel feldolgozni, és milyen algoritmusokkal lehet a nyers adatokat feldolgozni.
A GestIC-technológia által használt 100 kHz-es frekvenciához nagyjából 3 km-es hullámhossz tartozik. Ez azt jelenti, hogy az érzékelőelektróda mérete (tipikusan 15×15 cm) néhány nagyságrenddel kisebb a kibocsátott jel hullámhosszánál. Ez a kombináció nagyon stabil, „kvázisztatikus” elektromos teret állít elő működés közben, amelynek térbeli eloszlását jól lehet vezérelni olyan vezető tárgyakkal, mint az emberi test is, miközben a mágneses komponens gyakorlatilag nulla, és nem történik jelterjedés elektromágneses sugárzás formájában.
További lehetséges alkalmazások
Annak érdekében, hogy támogassa az alkalmazásfejlesztést, a Microchip HMID-csapata egy olyan dokumentumot készített, amely minden lényeges szempontot leír, amelynek az érzékelőelektródák tervezésése és elhelyezése során jelentősége lehet. Ez lehetőséget ad a felhasználóknak arra, hogy saját elektródaelrendezést tervezhessenek, illetve megvalósíthassák a már létező, kidolgozott elrendezéseket. A Microchip elkészítette a Hillstar-fejlesztőeszköz-készletet, amely jelentős segítséget ad a felhasználóknak a betervezési fázisban. Ebben a GestIC-technológia mellett megtalálható a Colibri-szoftvereszközkészlet is, a hardver pedig USB-interfésszel személyi számítógéphez csatlakoztatható. Ezzel a felhasználók kényelmesen PC-hez csatlakoztathatják saját tervezésű elektródarendszerüket, és az MGC3130 csipet is paraméterezhetik vele.
A Microchip Aurea nevű, számos szolgáltatást nyújtó grafikus felhasználói interfésze (GUI) Windows 7 operációs rendszeren futtatható, amely lehetővé teszi az MGC3130 paramétereinek beállítását, és megkönnyítik a beállítások frissítését és mentését is.
A felhasználók egy informatív videobemutatót találhatnak a cég webhelyén, további részletekért pedig felkereshetik a www.microchip.com/gestic, a www.gesture-remote.com és a www.gesture-cube.com weblapokat.
[1]1 dpi (dot per inch) körülbelül 0,04 mm-es felbontásnak felel meg. Ez több mint elég, ha figyelembe vesszük, hogy egy kiterjedt, nehezen meghatározható és változó alakú „tárgy”, a kéz pozíciójára vonatkoztatjuk. – A szerk. megj.
Még több Microchip
Címkék: HMI | MGC3130 | gesztusvezérlés
