用于手势和动作分析的毫米波传感器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种手势检测装置和操作方法，包括毫米波雷达传感器(100)，其具有集成的毫米波IC前端(10)，具有天线系统的特殊布置，具有角度检测新技术，并且不包含无线电下变频拓扑，在非专业雷达系统中很常见。所述装置能够检测所述二维目标角度，具有固有的低成本系统拓扑，适合作为消费者应用中常用的手势检测系统的功能替代。所述装置拓扑结构包括两个发射平面天线(221,222)和两对接收天线(221,222；216,217)，没有接收器链的下变频，但具有引入的模拟信号组合结构(213,218)和毫米波功率检测器(214,215,219,2120)。具有集成天线、毫米波IC和数字处理部件的完整的所提出的传感器设备拓扑结构可以在小于1×1×0.5cm的模块中实现，并且在60GHz频带中操作用于工业、医疗保健和消费者应用以及在77‑81GHz频带中用于汽车应用。传感器模块的集成可以通过聚合物技术执行。传感器可以用作另一个设备或小配件的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于手势和动作分析的毫米波传感器系统
本专利技术涉及一种手势分析装置和操作方法，包括具有集成的毫米波IC前端和创新拓扑的毫米波雷达传感器。所述装置能够通过二维角度检测来检测目标的运动。该装置具有固有的低成本系统拓扑，并且适合作为现有技术的基于TOA视频技术的传感器的功能替代品。所述拓扑的优点是2D空间中手势检测，而无需对目标进行距离检测。所述装置拓扑包括至少一个发射和两对接收平面天线系统、毫米波雷达拓扑、模拟组合电路和N毫米波功率检测器，其中N取2和更高的整数值。该毫米波雷达拓扑包括至少一个发射机链，基于连续波雷达进行基于功率探测器和可选的多普勒雷达工作原理的二维角度分辨率检测。本文介绍了所述装置的具体操作方法。该系统有利地适用于低复杂度小尺寸的HMI接口，其中所述目标是人的手指或人体的其他部分。
技术介绍
在以下应用场景和特定特征中，具有强烈动机为手势感测应用配置智能、小尺寸、低功耗和低成本的传感器：a)检测可变距离处的专用目标移动，靠近受控设备，其中目标是人体的一部分或者一些小型机器，并且其中所述目标与使用分析姿势信息的所述对象的距离小于1米。b)所述系统具有非常低的功耗，其中包括模拟和数字电路的所述系统能够被集成在便携式电池驱动设备中。c)所述系统的尺寸非常小，可以将其集成到小型便携式设备中，如平板电脑。同时，要求传感器能够通过观察特定区域来检测在大于一米的距离处的目标位置，这在成本和功耗方面都很低。目前市场上配置的大多数现有技术的手势检测传感器基于针对短距离的到达时间系统方法和针对长距离的视频信号处理。本文介绍了一种基于毫米波雷达的原理，该雷达具有特殊的模拟拓扑结构，允许：·极低的操作成本·捕获的手势信息独立于距传感器的绝对距离，并且由于简化的信号处理，可以有效识别和处理该信息，允许电池供电配置，显著降低现有便携式手势系统的功率。·所述传感器的关键特性是新系统拓扑强加的新功能，以基于角度检测识别特定目标二维运动，角度检测可选地可以与距离变化的检测以及由所述目标施加的振动变化相结合。所述目标可以是人体的一部分，比如手指。·所述传感器还可以同时用作生命体征传感器，其中相同的硬件提供比现有技术手势传感器更多的特征，其中所述目标是用户自身，其位于配备有所述传感器的所述移动设备的前方。·所述传感器同时还可以用做情绪传感器，其中相同的硬件提供比现有技术手势传感器更多的特征，其中所述目标是用户自身，其位于配备有所述传感器的所述移动设备的前方。·所述传感器可选地可以用作从集成移动设备到目标的距离传感器，所述目标可以是用户自身，其中相同的硬件提供比现有技术手势传感器更多的特征。在这种情况下，要求所述设备硬件进行扩展，增加复杂性。以下对现有技术的手势捕获系统进行概述：US6128003，日立的“手势识别系统和方法”利用基于视频的信息处理来进行手势分析。US20120001875，高通的“使用连续波超声信号的无接触感测和手势识别”将超声系统用作捕获手势信息的传感器。US7643006，Smarttechnologies的“手势识别方法和结合该手势识别方法的触摸系统”进行图像分析以用于手势信息提取。US8660300，OpticalSiliconLaboratories的“用于光学手势识别的装置和方法”引入了光发射器和接收器。US8064704，三星的“用于移动电话的手势识别输入系统和方法”提出用于手势分析的视频图像比较。US20120200486，Texasinstruments的专利申请“红外线手势识别设备和方法”提出了用于手势分析的红外图像处理。US8345920，NorthropGrumman的“具有光漫射屏幕的手势识别界面系统”介绍了光源和相机系统。US8223589，MIT的“手势识别装置和方法”提出超声系统作为用于手势分析的主要传感器装置。US8768006，惠普的“手势识别”介绍了视频处理。CN103793059，该专利申请介绍了基于时域多普勒手势识别方法的复原，并提出了雷达原理，其中所述目标的移动引起相位和频率的变化。WO2013082806，诺基亚的专利申请“基于多个传感器信号的融合识别手势的方法和装置”。在该方法中，接收一系列图像帧和一雷达信号序列。该方法确定指示手势的一系列图像帧的评估分数。配置了基于多普勒效应的运动分析。所述专利技术利用了例如在CN103793059和WO2013082806中的雷达原理，但是如果该目标不移动，则可以检测该目标，其在CN103793059和WO2013082806中并非如此。这意味着与现有技术相比，所述系统可以检测具有更高复杂度的手势模式，即全新的一类手势。例如，二维目标位置的图案不代表目标的运动，这是多普勒应用所必需的。在例如目标是人的手指的情况下，手势的扩展技术可以通过目标到传感器的二维角度位置组来定义，如果目标与传感器本身具有不同的距离，则该二维角度位置组是独立的。所述装置的关键构建块是毫米波雷达集成IC传感器，其具有特别提出的拓扑和构建块，不同于现有技术的解决方案。根据所述操作方法的描述，这些构建块允许特定的简化信号处理，由此允许在数字处理域中进行较低复杂度的计算，从而降低系统成本和功耗。
技术实现思路
本专利技术提出了一种装置100和操作方法，用于固有低复杂度、低成本拓扑和低功率毫米波雷达传感器，其目标是作为主要的应用手势检测。装置100及其操作方法提供以下操作特征：1.检测朝向目标的二维角度；其中所述目标作为一般目标可以是人体的一部分。在消费者和工业市场应用的许多实际情况中，所述目标可以是集成在台式设备中的传感器前面移动的手指，如图1中所示。2.通过扩展设备复杂性和信号处理工作，可选地能够确定传感器前方人体的生命体征。3.能够集成到更复杂的系统中，如消费类平板电脑或智能手机，或电池供电的工业指挥和监控设备。这意味着在配置过程中，所述装置可以是小尺寸的，具有高度集成的能力，意味着具有小的厚度。与现有技术的视频处理基于ToA的手势传感器相比，还具有低功耗，这与减少的数字信号处理活动有关。4.能够使具有天线、模拟IC部件和数字部件的整个设备的尺寸小于10mmx10mmx5mm，将其释放用于毫米波范围的操作频率。对于非汽车应用，如智能手机、平板电脑和便携式消费品，操作最好采用ISM频段，如60GHz和120GHzISM频段；对于汽车应用，例如用于多媒体系统的汽车HMI接口，最好采用77-81GHz频段。对于上述特征1-4，所有必要的计算测量可以由装置100本身执行，而不需要额外的外部计算实体的信号处理功率。毫米波频段(30GHz至300GHz)和有利的60GHz和120GHzISM频段的选择主要与天线系统的尺寸有关，允许小型紧凑设备，尽管使用了具有一个以上辐射元件的高增益天线，该选择与ISM频段全球监管相结合。在77-81GHz汽车监管专用毫米波波段中，毫米波前端优选为汽车环境中的配置而运行。所述系统具有结合两种不同操作模式的技术能力和特定操作方法：a)模式一：在该模式中，所述装置在装置100的频带内的专用频率中以连续波(CW)模式运行。两个天线正在发射，两个天线正在接收反射信号。这些反射信号被线性组合并且为每对接收天线馈送到N个功率检测器，而没有下变频，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种手势检测传感器装置100，其中毫米波覆盖30GHz到300GHz之间的操作，该装置包括：●用于发射毫米波无线电信号的平面天线系统221；●用于发射毫米波无线电信号的平面天线系统222；●用于接收毫米波无线电信号的平面天线系统211；●用于接收毫米波无线电信号的平面天线系统212，其与所述平面天线系统211的距离为d，且垂直于传感器观察区域；●用于接收毫米波无线电信号的平面天线系统216，其与所述平面天线系统217的距离为d，且垂直于所述传感器观察区域；●集成毫米波无线电前端10，以任意半导体技术实现，且具有片上集成的毫米波电压控制振荡器、毫米波功率放大器、数字控制接口、电源、N毫米波功率检测器，其中N是一个大于1的整数：214，215，219和2120，具有低频电压增益控制的信号调节模拟电路以及具有任意实现选项的模拟滤波结构；●模拟信号组合实体213和218，执行两个进入的毫米波信号的任意线性组合，提供两个输出毫米波信号，其中所述线性组合包括通过线性的任意实现方式对信号进行增加、分离和相移处理；●模数转换实体30；●数字处理功能40，包括控制功能41和用于通过任意类型的实现选项执行数字信号处理的计算和存储性能；●与装置100外部实体的接口，包括N个数字有线接口，其中N是大于零的整数；●支持电路50，包括与环境的机械接口，其中所述装置100正在操作并支撑用于100的所述电源的电子电路；其中●所述天线系统221，211和2121具有一个线性极化，并且天线系统222，216和217具有垂直线性极化；●所述天线系统211和212以及216和217具有与操作频率的波长相关的预定距离值；●所述系统不包括用于无线电信号的下变频的混频器结构。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种手势检测传感器装置100，其中毫米波覆盖30GHz到300GHz之间的操作，该装置包括：●用于发射毫米波无线电信号的平面天线系统221；●用于发射毫米波无线电信号的平面天线系统222；●用于接收毫米波无线电信号的平面天线系统211；●用于接收毫米波无线电信号的平面天线系统212，其与所述平面天线系统211的距离为d，且垂直于传感器观察区域；●用于接收毫米波无线电信号的平面天线系统216，其与所述平面天线系统217的距离为d，且垂直于所述传感器观察区域；●集成毫米波无线电前端10，以任意半导体技术实现，且具有片上集成的毫米波电压控制振荡器、毫米波功率放大器、数字控制接口、电源、N毫米波功率检测器，其中N是一个大于1的整数：214，215，219和2120，具有低频电压增益控制的信号调节模拟电路以及具有任意实现选项的模拟滤波结构；●模拟信号组合实体213和218，执行两个进入的毫米波信号的任意线性组合，提供两个输出毫米波信号，其中所述线性组合包括通过线性的任意实现方式对信号进行增加、分离和相移处理；●模数转换实体30；●数字处理功能40，包括控制功能41和用于通过任意类型的实现选项执行数字信号处理的计算和存储性能；●与装置100外部实体的接口，包括N个数字有线接口，其中N是大于零的整数；●支持电路50，包括与环境的机械接口，其中所述装置100正在操作并支撑用于100的所述电源的电子电路；其中●所述天线系统221，211和2121具有一个线性极化，并且天线系统222，216和217具有垂直线性极化；●所述天线系统211和212以及216和217具有与操作频率的波长相关的预定距离值；●所述系统不包括用于无线电信号的下变频的混频器结构。2.一种使用权利要求1所述装置100的操作方法，通过直接视线操作观察所述装置100前方的区域，其中所述操作方法包括：●使用所述天线系统221发射在所述毫米波RFIC前端10中产生的毫米波信号，其中所述信号是连续波(CW)，连续波由两者都集成在前端10中的电压控制振荡器(VCO)和增益控制功率放大器(PA)产生；●由所述天线系统211接收从目标的观察区域反射的毫米波信号；并且由所述天线系统212分别向所述线性信号组合实体213提供两个毫米波的相应接收信号；其中所述实体213实现幅度变化、信号相位变化以及信号组合，其中所述实体213由任意分布的无源或有源模拟电路装置释放；●使用天线系统222发射在所述毫米波RFIC前端10中产生的毫米波信号，其中所述信号是连续波(CW)，连续波由均集成在前端10中的电压控制振荡器VCO和增益控制功率放大器PA生成；●由所述天线系统216接收从所述目标的观察区域反射的毫米波信号；并且由所述天线系统217分别向所述线性信号组合实体218提供两个毫米波的相应接收信号；其中所述实体218使得幅度改变、信号相位改变并进行信号组合，其中所述实体218由任意分布的无源或有源模拟电路装置释放；●由所述实体213向功率检测器214和215提供来自所述天线系统211211和212的线性组合天线输入信号；●由所述实体218向功率检测器219和2120提供来自所述天线系统211211和212的线性组合天线输入信号；●向模数转换实体30提供功率检测器214、215、219和2120的输出，该模数转换实体30向实体40提供数字化信号；●一种数字处理实体40：O通过利用具有以下输入项的数学运算来计算与障碍物的参考X平面角度：功率检测器214和215的值，设备100中的天线211和212的物理距离，以多项式方式使用代数和反三角函数数学运算，其中装置100中天线之间的物理距离取与所述操作频率的波长相关的特定值；o向实体60提供所计算的角度信息；o通过利用具有以下输入项的数学运算来计算与障碍物的参考Y平面角度，其中参考Y平面与参考X平面正交：功率检测器219和2120的值，装置100中天线216和217的物理距离，以多项式方式使用代数和反三角函数数学运算，其中装置100中天线之间的物理距离取与所述操作...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦利科·米汉娄维奇，韦塞利·布兰科维奇，达科·塔搜万克，马柯·帕拉索斯，多德·格拉温吉克，伊凡·米娄散韦利维奇，度散·克瑞卡姆，
申请(专利权)人：纽威莱克公司，
类型：发明
国别省市：塞尔维亚,RS