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Diseñar un sistema detección de gestos de bajo costo para aplicaciones industriales y automotrices.

Por Paul Pickering

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La interfaz hombre-máquina (HMI) es un componente clave en casi todas las aplicaciones industriales y automotrices. A medida que las interacciones se vuelven más complejas, los diseños tradicionales de conmutación no son adecuados para muchos entornos: son contradictorios y distraen al operador de otras tareas, tales como el control de una máquina o la conducción de un vehículo.

Aunque existen muchas opciones de control basadas en gestos, los diseñadores se enfrentan al reto de equilibrar el rendimiento y la precisión con costo y sencillez, así como el consumo de energía.

Este artículo tratará sobre los componentes necesarios para un sistema de control de movimiento basado en la tecnología de detección por infrarrojos. Luego presentará una placa de evaluación de sensor de bajo costo y su software asociado para ayudar en el desarrollo rápido y reducir el tiempo de salida al mercado.

Aplicaciones de detección sin contacto

La primera aplicación cotidiana de detección sin contacto fue detectar el enfoque de un objeto y desencadenar una respuesta apropiada. Las puertas automáticas, los dispensadores de jabón, las luces de pórticos y los secadores de manos todos utilizan sensores sin contacto como entradas.

Los sensores de proximidad en estos sistemas actúan como conmutadores para proporcionar una salida digital on/off, mientras que la detección de movimiento permite al usuario emplear movimientos tridimensionales para controlar un sistema de manera intuitiva.

El control de gestos también permite a los usuarios realizar cambios dentro de un gran campo activo, permitiendo movimientos brutos para sustituir los más finos. Esta capacidad es una característica clave de los sistemas de juegos de video que emplean la tecnología de detección de movimiento para detectar movimientos complejos relacionados con deportes, o realizar el seguimiento de varios jugadores.

Tecnología de detección de movimiento por infrarrojos

Los sistemas de juegos de video usan láser y cámaras especializadas para detectar la actividad del usuario, pero son demasiado complicados y caros para muchas aplicaciones, tales como las aplicaciones automotrices. Aquí, el cambio de un canal de radio, por ejemplo, requiere solamente un simple movimiento izquierdo o derecho de una mano (Figura 1). Asimismo, el ajuste del volumen puede lograrse con un dedo hacia arriba o hacia abajo, o un movimiento de empuje hacia dentro o hacia fuera.

Imagen del sistema de detección de movimiento que utiliza movimientos intuitivos

Figura 1: Un sistema de detección de movimiento utiliza movimientos intuitivos para simplificar el control de la máquina. (Fuente de la imagen: BBC/BMW)

Debido a su capacidad para detectar una gran variedad de gestos simples a un bajo costo, la tecnología de detección de infrarrojos (IR) es una buena opción para numerosas aplicaciones de consumo, industriales y automotrices (Figura 2). El hardware se compone de dos diodos emisores de infrarrojos (IRED) situados a una distancia especificada en la placa, con un detector a mitad de camino entre ellos.

Imagen del sistema de detección de movimiento por infrarrojos mediante dos diodos infrarrojos y un dispositivo de detección

Figura 2: Un sencillo sistema de detección de movimiento por infrarrojos mediante dos diodos infrarrojos y un dispositivo de detección situado entre ellos. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

El patrón de radiación de cada emisor de infrarrojos es altamente direccional. Cuando una mano pasa por encima de un emisor, la radiación reflejada medida por el sensor de detección mostrará un pico correspondiente. A medida que el operador mueve la mano de izquierda a derecha, la señal del emisor izquierdo (negro) aumentará y disminuirá ante el emisor derecho (verde), y viceversa, para el movimiento de derecha a izquierda.

El sensor envía los datos a un microcontrolador que contiene software para analizar la variación en la intensidad de la señal a lo largo del tiempo para determinar si se hizo un gesto de deslizamiento y, en caso afirmativo, en qué dirección.

Ejemplo de diseño de detección de gestos

Una típica aplicación de detección de gestos añade un tercer circuito emisor de infrarrojos en el sistema básico, lo que permite detectar gestos tanto hacia arriba/abajo como de izquierda/derecha (Figura 3).

Diagrama de Diseño de detección de gestos VCNL4035X01 de Vishay Semiconductor

Figura 3: Un diseño de detección de gestos con tres emisores puede detectar gestos de izquierda/derecha y arriba/abajo. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

El corazón del sistema es el sensor de IR y de luz ambiente VCNL IR4035X01 de Vishay Semiconductor que opera en una fuente única de 2.5 a 3.6 voltios. Los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) incluyen controladores para tres emisores de infrarrojos externos, un fotodiodo interno para recibir el reflejo de salidas, y circuitos para procesar la señal del fotodiodo. Una interfaz I2C serial estándar de la industria se comunica con un microcontrolador externo que analiza los datos para decodificar el gesto.

Diagrama de VCNL4035 capaz de controlar hasta tres emisores de infrarrojos externos de Vishay

Figura 4: El dispositivo VCNL4035 puede impulsar hasta tres emisorres de IR externos e incluye un sensor de luz ambiente interno. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

Para ahorrar energía y reducir la sobrecarga de procesamiento, VCNL4035 tiene un pin de interrupción programable que puede activar el microcontrolador cuando un gesto o evento se produce o cambia la luz ambiente, eliminando la necesidad de sondeo continuo.

La serie VCNL4035X01 contiene un paquete miniatura de 4,0 x 2,36 milímetros sin conductores (LLP) con una altura de 0,75 milímetros, lo que permite colocarlo en el espacio restringido de teléfonos inteligentes, cámaras digitales, tabletas y aplicaciones similares.

Diagrama normalizado de respuesta espectral de los sensores

Figura 5: Respuesta espectral normalizada de los sensores en los fotodiodos de infrarrojos VCNL4035 (A) y sensor de luz ambiental (B). La respuesta del ojo humano se muestra para comparación. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

Para determinar la dirección del movimiento, el software debe ser capaz de diferenciar entre las salidas de IRED para poder compararlos. En el modo de detección de movimiento, la VCNL4035 impulsa los IRED secuencialmente en rápida sucesión, y, a continuación, marca el microcontrolador para leer los registros internos que contienen las tres salidas de fotodiodo de 16 bits. La fuerza de corriente de impulsión, el tiempo de accionamiento, y el tiempo entre las sucesivas series de mediciones son todos seleccionables por el usuario.

El sensor de luz ambiental (ALS) recibe la luz visible y la convierte en un valor de ADC de 16 bits. El ALS de VCNL4035 tiene sensibilidad máxima a 540 nm y un ancho de banda de 430 nm a 610 nm, que coincide estrechamente con la del ojo humano.

Requisitos IRED

La salida de los IRED debe coincidir con la respuesta de sensibilidad del fotodiodo VCNL4035 para garantizar el mejor rendimiento. Con un pico de longitud de onda (λP) de 940 nm, la serie VSMY RG2940 de emisores de Vishay Semiconductor está bien adaptada para este propósito. Se basan en la tecnología de chip de emisor de superficie de aluminio de arseniuro de galio (GaAlAs). Proporcionan una intensidad radiante típica de 880 milivatios por estereorradiante (mW/sr) a 1 amperios de corriente de avance en funcionamiento pulsatorio (tp = 100 μS).

Además, los dispositivos emiten radiación en un patrón direccional, esencialmente dentro de un ángulo de haz de ±10° (Figura 6).

Gráfico del emisor de infrarrojos VSMY2940RG de Vishay

Figura 6: El emisor de infrarrojos VSMY2940RG de Vishay tiene una intensidad radiante relativa muy limitada en comparación con la cura de desplazamiento angular, por lo que es apto para aplicaciones de detección de movimiento. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

Consideraciones de diseño para la detección de gestos

El diseñador de un sistema de detección de movimiento enfrenta una serie de desventajas a considerar antes de determinar el diseño óptimo. Uno es el rango de detección en comparación con el consumo de corriente. Otra es la colocación de IRED.

El aumento de la distancia a la que un gesto puede ser detectado implica aumentar la potencia de salida del IRED, que es una función de la corriente directa. Como resultado, el consumo de energía aumentará, lo cual no es deseable en aparatos que funcionan con pilas. La mayor potencia también aumenta la cantidad de calor que debe ser disipado, aumentando potencialmente el tamaño del diseño.

En el diseño que se discutió anteriormente, una corriente de impulsión IRED de 200 mA da una intensidad radiante típica de 200 mW/Sr, permitiendo la detección de gestos de la mano de hasta 40 cm de la placa del sensor.

Para la colocación de IRED, el número de IRED externos y su posicionamiento dependen de las necesidades de la aplicación específica. La distancia entre los IRED y el sensor puede ser de sólo unos pocos milímetros para una simple aplicación de proximidad, o para detectar un pequeño gesto, como el movimiento de los dedos.

Una mayor separación entre el sensor y los IRED ofrece ventajas en la determinación de la dirección de un golpe de mano a una distancia más larga. Las pruebas empíricas pueden llegar en la distancia óptima.

Software de detección de movimiento

Existen varios métodos para determinar la intención del gesto utilizando las salidas de la serie VCNL4035. Un método sencillo es establecer un umbral mínimo para la detección de un objeto. Un borde ascendente que supera el umbral indica la llegada de una mano sobre un IRED, y un borde de caída indica que la mano que ha dejado la zona de detección del IRED.

Con dos IRED, el orden de los acontecimientos indica si ha ocurrido el movimiento de un dedo hacia la derecha o la izquierda. Este método analiza el resultado de cada ciclo de medición en aislamiento y requiere pocos recursos de procesador.

Un enfoque más computacionalmente intenso analiza datos de varios conjuntos (fotogramas) de mediciones. El algoritmo calcula dos cantidades para cada fotograma: la desviación estándar de cada señal en comparación con su respectivo conjunto de muestra y el tiempo de retardo entre las señales izquierda-derecha. Comparando los resultados con los umbrales definidos por el usuario, el algoritmo puede decirle qué tipo de gesto ha ocurrido.

La desviación s estándar, es una medida de la difusión de los datos dentro del fotograma que está siendo analizado. Se calcula mediante la fórmula:

Ecuación 1

Donde x̄ es el promedio del fotograma actual, y n es el número de muestras a ser analizadas.

Una alta desviación estándar implica un gran cambio de señal, sugiriendo el movimiento de la mano a lo largo de o hacia un sensor.

Por otro lado, una desviación estándar baja significa que hay poco o ningún cambio en la señal donde no hay una mano en la zona de detección del sensor o la mano no está haciendo un movimiento. Un retardo de tiempo suficientemente grande entre las señales significa que se ha realizado un gesto de deslizamiento. Este cálculo también puede estimar el retraso con un algoritmo de correlación cruzada que calcula la superposición entre las dos señales.

Comience rápidamente con un kit de inicio de sensor

El kit de inicio de sensor VCNL4020 de Vishay es una forma sencilla de empezar con un diseño de detección de movimiento por infrarrojos. El kit incluye un dongle USB, una placa de demostración de gestos VCNL4020 para enchufar, y un mini CD con el controlador USB y el software.

VCNL4020 es un sistema integrado de proximidad y de sensor de luz ambiental con un emisor de infrarrojos interno. En la placa de demostración, el VCNL4020 también impulsa un IRED externo para proporcionar una mayor separación espacial si es necesario.

Imagen del kit de inicio de sensor VCNL4020 de Vishay

Figura 7: El kit de inicio de sensor VCNL4020 de Vishay proporciona el hardware y el software necesarios para comenzar con el desarrollo de detección de gestos. Es el punto de partida predeterminado de Vishay y se conecta a una gran variedad de placas de expansión para diferentes sensores de Vishay. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

El dongle USB habilita la comunicación USB I2C entre la placa de demostración y un equipo host. Contiene Cypress Semiconductor CY768013A, un ASIC que combina un microcontrolador 8051 mejorado con un transceptor USB 2.0 integrado de un solo chip. También incluye un regulador de 3,3 voltios, y Microchip Technology ofrece el MCP3421, un convertidor sigma-delta de analógico a digital (ADC) de entrada única y 18 bits para proporcionar una entrada analógica adicional.

El dongle USB sirve como base para otras placas de demostración de sensor VCNL, todas las cuales son gratuitas de Vishay, incluyendo la placa de demostración VCNL4035. Esta placa es especialmente intuitiva, en el sentido de que incluye una matriz de ledes que indica la dirección de un gesto.

El software de desarrollo en el CD incluido con la placa VCNL4035 implementa la desviación estándar y algoritmos de detección de la correlación cruzada discutido anteriormente.

El software permite al usuario cambiar los parámetros clave tanto de la adquisición de datos como del algoritmo de detección. Se pueden ajustar muchos parámetros para afinar el rendimiento del sistema, incluyendo:

  • Velocidad de medición de datos
  • Tiempo de muestra de medición
  • Umbral de detección arriba/abajo
  • Umbral de detección izquierdo/derecho
  • Pendiente de umbral
  • Umbral de desviación estándar

Imagen de la pantalla de detección de movimiento mediante una interfaz gráfica de usuario LabVIEW

Figura 8: Pantalla de detección de movimiento mediante una GUI LabVIEW para la serie VCNL4035 que muestra los resultados de movimientos de izquierda a derecha. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

El kit de inicio incluye una interfaz gráfica de usuario (GUI) que se ejecuta en la popular plataforma de programación LabVIEW de National Instruments. Se muestra la pantalla sensible a gestos que muestra los resultados del movimiento de izquierda a derecha (Figura 8 de nuevo). El IRED izquierdo (rojo) indica primero, seguido por el medio (en verde), luego el derecho (azul).

Para los programadores nuevos en el entorno LabVIEW, Digilent ofrece el LabVIEW Home Bundle que brinda a los desarrolladores la oportunidad de empezar con un costo mínimo.

Conclusión

Un sistema de detección de movimiento por infrarrojos puede satisfacer muchos retos de la IHM. Su combinación de hardware de bajo costo y un software sofisticado puede detectar muchos movimientos de manos comunes a aplicaciones industriales, automotrices y de consumo.

Vishay ofrece una variedad de componentes optoelectrónicos y kits de inicio que ayudan a los desarrolladores a empezar a trabajar rápidamente en un diseño de detección de movimiento IHM. La inclusión de una GUI LabVIEW también simplifica el desarrollo y ayuda a administrar mejor el diseño de los componentes involucrados.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

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