一种基于无线耦合谐振的手指姿态传感装置和方法

技术领域

本发明属于射频传感技术领域，具体涉及一种基于无线耦合谐振的手指姿态传感装置和方法。

背景技术

手部运动追踪和手势识别在评价人手功能时不可或缺，它们被大量应用在医学、手语交流和机械操作等领域。一类手势追踪的方法借助可见光、红外光、电磁波等，非接触式地照射人手并拍摄图片，通过图像处理算法提取人的手势。由于没有在手或手指上增设额外的传感器，非接触式方法对手指屈伸的限制很小。但是，手的活动范围往往被限制在光源、雷达等的照射范围内，并且照射方向上障碍物、被跟踪目标之间的重叠会极大地增加这类测量结果的不确定性。

另一类方法是接触式的，在手指、手掌或手臂上设置各类传感器，从而分别监测每个手指或手指关节。接触式手势追踪技术不受照射源约束，使用者可以自由移动。此外，如果使用高精度传感器，对手势的追踪精度也可以相应提高。但是现有的接触式手势追踪技术往往需要穿戴手套，并将传感器电路板嵌入手套中与手指固定，通过电缆与控制器和电源连接，且每个手指要单独接收信号。这使得接触式手势追踪系统笨重臃肿且线路复杂，给手指的正常活动和灵活性带来限制。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于无线耦合谐振的手指姿态传感装置和方法，包括穿戴在手指上的无线耦合线圈组件，安装在手背上的信号激励与信号接收线圈，和固定在手臂上的高频信号发生和反射信号测量模块，对手指的活动影响小，不需要在手指上安装额外的主动传感器或进行复杂的连线，具有系统部署简单、成本低、灵活性高的特点。

本发明采用的具体技术方案如下：

一、一种基于无线耦合谐振的手指姿态传感装置

包括多个穿戴在手指指节上的无线耦合线圈组件、安装在手背上的信号激励和信号接收线圈以及固定在手臂上的高频信号发生和反射信号测量模块；

高频信号发生和反射信号测量模块与信号激励和信号接收线圈相连接；高频信号发生和反射信号测量模块包括高频信号发生部分和高频反射测量部分，高频信号发生部分通过信号激励和信号接收线圈发射频段在MHz-GHz的高频交流信号，高频反射测量部分测量信号激励和信号接收线圈在MHz到GHz工作频段内接收到的反射信号的频率和幅度；

多个无线耦合线圈组件与信号激励和信号接收线圈无线耦合，多个无线耦合线圈之间相互谐振耦合；每个无线耦合线圈组件主要由无线耦合线圈和固定带组成，无线耦合线圈通过固定带固定在所追踪手指的每个指节上。

所述高频信号发生和反射信号测量模块包括环形耦合器、功率放大器、上变频混频器、下变频混频器、模数转换器、数模转换器、控制单元、数据输出单元、电池、本地振荡器和射频切换开关；

在高频信号发生部分，控制单元输出低频信号，经数模转换器的低频信号与本地振荡器产生的高频信号通过上变频混频器混频，产生高频交流信号；高频交流信号经第一功率放大器放大后，再经环形耦合器和射频切换开关输出至信号激励和信号接收线圈；高频信号发生部分通过信号激励和信号接收线圈发射的高频交流信号一部分与无线耦合线圈耦合，一部分在各无线耦合线圈处被反射；

在高频反射测量部分，信号激励和信号接收线圈接收到的反射信号经射频切换开关和环形耦合器后输入第二功率放大器，经第二功率放大器放大后，通过下变频混频器下变频至低频信号，再经模数转换器输入控制单元，最终通过数据输出单元输出用于姿态分析的数据至计算机。

所述环形耦合器用于高频输出信号和高频反射信号之间的隔离；所述电池为电路各部分提供电力。

每个指节上戴一个或两个无线耦合线圈组件；所述固定带套装于手指的指节上，固定带材质为非金属；无线耦合线圈固定于固定带上，且轴向平行于或垂直于指节。

各个所述的无线耦合线圈的谐振频率ω

每个无线耦合线圈的谐振频率ω

将信号激励和信号接收线圈编号为0，无线耦合线圈从指根到指尖编号为i，i＝1，2，...，N，N为追踪手指上无线耦合线圈的个数；则任意两个无线耦合线圈之间的互感为

信号激励和信号接收线圈与手指上的无线耦合线圈的阻抗矩阵为：

其中，U

根据阻抗矩阵可得，第i个无线耦合线圈的谐振频率ω

若无线耦合线圈的谐振频率ω

二、采用上述装置的一种基于无线耦合谐振的手指姿态传感方法

包括以下步骤：

1)在所追踪的手指指节上穿戴无线耦合线圈组件，高频信号发生部分输出高频信号，通过信号激励与信号接收线圈以耦合的方式传递至追踪手指上的无线耦合线圈；

2)高频反射测量部分测量信号激励和信号接收线圈接收的反射信号的频率和幅度，记作G(ω，A)，其中ω为反射信号频率，A为对应的反射信号幅度；

3)从反射信号G(ω，A)对应的曲线中获取所有极大值点的频率和幅度，组成频率特征方程y＝f(ω，A)，通过求解优化问题得到当前反射信号最接近的频率特征，根据最接近的频率特征得到各线圈之间的位置，从而完成手指姿态的获取。

所述各线圈之间的位置包括各线圈之间的距离和相对倾斜角，线圈之间的距离为相邻两线圈中心之间的距离，线圈之间的相对倾斜角为相邻两线圈中心轴之间的夹角。

所述步骤3)具体为：

3.1)从反射信号G(ω，A)对应的曲线中获取所有极大值点的频率和幅度，组成频率特征方程y＝f(ω，A)；各极大值点的频率即为各无线耦合线圈的谐振频率ω

基于频率特征方程求解下式的优化问题，得到最接近的频率特征F

其中，

3.2)构建互感频率特征字典；

3.3)在互感频率特征字典中，根据最接近的频率特征F

由于每个线圈佩戴后在手指上的位置是固定的，因此根据各个无线耦合线圈的位置S

所述步骤3.2)具体为：

根据手指姿态识别的精度要求，从卷曲到完全伸直，定义P种不同的手指姿态，每种手指姿态对应的各无线耦合线圈的位置关系记为：

S

佩戴传感装置后进行系统标定，测量P种姿态的反射信号并提取极大值点的频率和幅度，将所有姿态对应的各组频率特征方程F(ω，A)组成集合

在追踪多根手指时，所有追踪的手指上均需穿戴无线耦合线圈组件，并在手背上安装每根追踪手指对应的信号激励与信号接收线圈，每根手指对应一个信号激励与信号接收线圈；

每个信号激励与信号接收线圈均通过射频切换开关连接至环形耦合器，然后进入高频信号发生和反射信号测量模块的后续电路；射频切换开关在各个信号激励与信号接收线圈之间切换，同一时刻只导通一个信号激励与信号接收线圈；在识别出每根手指的瞬时姿态后将所有追踪手指的姿态组合，完成手势识别。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明利用线圈间的无线耦合原理，在手指上固定无线耦合线圈，通过测量反射信号工作频段的频率幅度特征获得无线耦合线圈的谐振状态，以此反推线圈之间的相对位置和倾角，从而获得手指的瞬时姿态。如果同时追踪多个手指，并将手指的瞬时姿态进行组合，可以实现手势识别。

2)本发明系统不需要在手指上安装额外的主动传感器或进行复杂连线，不会影响手指的正常活动或降低手指功能，系统部署简单、灵活性高。

附图说明

图1是本发明系统追踪单个手指的结构示意图。

图2是本发明高频信号发生和反射信号测量模块的工作原理示意图。

图3是本发明系统在两种不同手指姿态下无线耦合线圈相对位置的示意图。

图4是本发明系统追踪多个手指的结构示意图。

图中：无线耦合线圈组件1、无线耦合线圈101、固定带102、信号激励和信号接收线圈2、高频信号发生和反射信号测量模块3、环形耦合器301、功率放大器302、上变频混频器303、下变频混频器304、模数转换器305、数模转换器306、控制单元307、数据输出单元308、电池309、本地振荡器310和射频切换开关311。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明包括穿戴在手指上的无线耦合线圈组件1，安装在手背上的信号激励和信号接收线圈2，和固定在手臂上的高频信号发生和反射信号测量模块3。信号激励和信号接收线圈2连接至高频信号发生和反射信号测量模块3。高频信号发生和反射信号测量模块3的高频信号发生部分产生一定频段(100MHz-5GHz)的高频交流信号，输出至信号激励和信号接收线圈2。信号激励和信号接收线圈2与穿戴在手指指节上的无线耦合线圈101耦合，并且无线耦合线圈101之间相互谐振耦合。高频信号发生和反射信号测量模块3的高频反射测量部分测量信号激励和信号接收线圈2处工作频段的反射信号的频率和幅度，并从反射信号的特征中反推手指的瞬时姿态。

无线耦合线圈组件1由无线耦合线圈101和固定带102组成。固定带102的材质为非金属。无线耦合线圈101通过固定带固定在所追踪的手指的指节上，每个指节戴一个或两个无线耦合线圈组件。图1所示的无线耦合线圈的轴向平行于所在手指的指节。而无线耦合线圈的轴向可以平行于所在的指节，也可以垂直于指节。

如图2所示，高频信号发生和反射信号测量模块3包括环形耦合器301、功率放大器302、上变频混频器303、下变频混频器304、模数转换器305、数模转换器306、控制单元307、数据输出单元308、电池309、本地振荡器310和射频切换开关311。射频切换开关311经环形耦合器301形成两路分支，高频信号发生部分的分支和高频反射测量部分的分支；高频信号发生部分的分支包括依次连接的第一功率放大器302、上变频混频器303和数模转换器306，与控制单元307相连的本地振荡器310连接至上变频混频器303；高频反射测量部分的分支包括依次连接的第二功率放大器302、下变频混频器304、模数转换器305，数模转换器306、模数转换器305经控制单元307连接至数据输出单元308。

在高频信号发生部分，控制单元307输出低频信号，经数模转换器306通过上变频混频器303与本地振荡器310产生的高频信号混频，产生高频交流信号，经功率放大器302放大，输出至信号激励和信号接收线圈2，向外发射。高频交流信号一部分与无线耦合线圈101耦合，一部分被反射，由高频信号发生和反射信号测量模块3的高频反射测量电路对反射信号进行测量。在高频反射测量部分，反射信号经功率放大器302放大后，通过下变频混频器304下变频至低频信号，通过模数转换器305至控制单元307，并最终通过数据输出单元308输出反射信号以进行后续数据处理。控制单元307对电路各个部分进行控制和功能调度。环形耦合器301用于高频输出信号和高频反射信号之间的隔离。电池309为电路各部分提供电力。

结合图1和图3，在高频交流信号的激励下，信号激励和信号接收线圈2与手指上的无线耦合线圈101耦合，无线耦合线圈101之间相互谐振耦合。信号激励和信号接收线圈的阻抗值为Z

在高频信号激励下，信号激励和信号接收线圈2与手指上的无线耦合线圈101的阻抗矩阵为：

其中，U

根据阻抗矩阵可得，第i个(i＝1，2，...，N)无线耦合线圈101的谐振频率ω

测量反射信号G(ω，A)，从中提取极值点的频率和幅度，组成频率特征方程y＝f(ω，A)。当前姿态所对应的激励线圈、各无线耦合线圈之间的互感值可以通过如下优化问题获得：

其中，

(1)式通过计算测量结果所得的f(ω，A)与互感频率特征字典中标定的各个频率特征F(ω，A)之间范数2的最小值来判断当前所测得的反射信号最接近哪一个频率特征F。根据最接近的频率特征F

互感频率特征字典通过佩戴装置后首先进行的系统标定建立。按照手指姿态识别的精度要求，从卷曲到完全伸直，定义P种不同的手指姿态，每种手指姿态对应的各无线耦合线圈的位置关系记为：S

佩戴传感装置后进行系统标定，测量P种姿态的反射信号并提取极大值点的频率和幅度，将所有姿态对应的各组频率特征方程F(ω，A)组成集合

由于佩戴后每个线圈在手指上的位置是固定的，从位置关系S(d

在追踪多根手指的情况下，所要追踪的手指上均需穿戴无线耦合线圈组件，并在手背上安装对应手指的信号激励与信号接收线圈，识别出每根手指的瞬时姿态后将手指组合，可以完成手势识别。

每一根手指对应一个信号激励与信号接收线圈，信号激励与信号接收线圈通过射频切换开关连接至环形耦合器，然后进入高频信号发生和反射信号测量模块的后续电路。射频切换开关在各个信号激励与信号接收线圈之间切换，同一时刻只导通一个信号激励与信号接收线圈，也即同一时刻只识别一根手指的姿态。

本发明的具体实施工作呈如下：

如图1所示，固定在手臂上的高频信号发生和反射信号测量模块3产生一定频段的高频交流信号，并通过信号激励与信号接收线圈2发射。信号激励与信号接收线圈2与穿戴在手指上的无线耦合线圈101耦合，无线耦合线圈101之间相互谐振耦合。信号激励与信号接收线圈2的阻抗值设为Z

如图2所示，高频信号发生和反射信号测量模块3的控制单元307输出低频信号，经数模转换器306通过上变频混频器303与本地振荡器310产生的高频信号混频，产生100MHz-5GHz的高频交流信号，高频交流信号经功率放大器302放大，输出至信号激励和信号接收线圈2。高频交流信号一部分与无线耦合线圈101耦合，一部分被反射，反射信号经功率放大器302放大后，通过下变频混频器304下变频至低频信号，通过模数转换器305至控制单元307，并最终通过数据输出单元308输出以进行后续数据处理。控制单元307对电路各个部分进行控制和功能调度，环形耦合器301用于高频输出信号和高频反射信号之间的隔离。电池309为电路各部分提供电力。

将信号激励与信号接收线圈2编号为0，各个无线耦合线圈101从指根到指尖编号为i，i＝1，2，...，N，N为该手指上无线耦合线圈101的个数。每个指节可以戴一个或两个无线耦合线圈组件。如图3所示，手指的第一和第三指节上各戴一个无线耦合线圈组件1，第二指节上穿戴了2个无线耦合线圈组件，因此N＝4。任意两个线圈之间的互感为

在高频信号激励下，信号激励与信号接收线圈2与手指上的无线耦合线圈101的阻抗矩阵为：

其中，U

第i个(i＝1，2，3，4)无线耦合线圈101的谐振频率ω

如图3中手指姿态1与手指姿态2，当手指的姿态改变时，各无线耦合线圈101之间的相对位置发生变化，各无线耦合线圈101的谐振频率也随之改变。根据要求的手指姿态识别精度，将手指由卷曲到完全伸直的姿态大致平均分为7种，在佩戴好装置后首先进行系统标定，每种手指姿态对应的各无线耦合线圈的位置关系记为：

S

测量7种姿态的反射信号并分别提取极值点的频率和幅度组成频率特征方程F(ω，A)。建立互感频率特征字典如下：

测量反射信号G(ω，A)并获取对应曲线中所有极值点的频率和幅度，组成频率特征方程y＝f(ω，A)。求解优化问题，得到最接近的频率特征F

其中，

在互感频率特征字典中，根据计算所得的频率特征F

如图4所示，在追踪多根手指的情况下，所要追踪的手指上均需穿戴无线耦合线圈组件1，并且对应于每一根手指，需在手背上安装一个信号激励与信号接收线圈2。信号激励与信号接收线圈2通过射频切换开关311连接至环形耦合器301，然后进入高频信号发生和反射信号测量模块3的后续电路。射频切换开关311以每秒100次的速度在各个信号激励与信号接收线圈2之间切换，同一时刻只导通一个信号激励与信号接收线圈2。也即同一时刻只识别一根手指的姿态。由于射频切换开关311的切换速度为10ms，因此依次识别出每根手指的瞬时姿态后将其组合得到的使用者手势可以满足手势识别要求。