Premessa
Il controllo gestuale dell’infotainment migliora l’esperienza e la sicurezza del conducente, aiutandolo a evitare le distrazioni causate armeggiando con touchscreen e quadranti mal posizionati. Il riconoscimento dei gesti può integrare touchscreen, voce e manopole affinché chi si trova alla guida possa concentrarsi sulla strada. Le telecamere a tempo di volo, per quanto sofisticate, sono costose e pesanti dal punto di vista computazionale. Un approccio nuovo e rivoluzionario integra l’uso dell’ottica, del rilevamento e di un front-end analogico in un unico ASIC, riducendo drasticamente i costi e favorendo l’adozione di questa importante tecnologia in un maggior numero di automobili.
Introduzione
Il controllo gestuale dell’infotainment automobilistico, al momento disponibile solo nelle vetture di lusso, aumenta la sicurezza e il comfort del conducente. Con il controllo gestuale, chi guida non deve rischiare un incidente distogliendo lo sguardo dalla strada mentre agisce su touchscreen o quadranti. Grazie al riconoscimento dei gesti, i guidatori possono regolare il volume e il flusso d’aria, rispondere alle chiamate dei telefoni connessi o cambiare la lista di riproduzione musicale con un semplice gesto del polso e molto altro. Il controllo dei gesti può ridurre al minimo l’uso dei touchscreen, rendendo il guidatore meno distratto e può integrare il controllo vocale.
Ad esempio, i guidatori possono chiedere a un assistente virtuale di riprodurre una determinata canzone e poi, con una rotazione della mano, alzare il volume mentre i loro occhi rimangono sulla strada per tutto il tempo. A differenza dei gesti, l’uso del riconoscimento vocale richiede una connessione LTE a un processore cloud per comprendere tutti i dialetti e le lingue, rendendo necessaria un’imponente banca dati. Inoltre, quando i finestrini sono abbassati, il tettuccio è aperto o la musica è al massimo, il riconoscimento vocale non funziona. Oltre a migliorare la sicurezza del traffico, il riconoscimento gestuale aiuta le persone sorde e mute che non possono utilizzare le tecnologie di riconoscimento vocale. I pannelli tattili distraggono molto, in quanto richiedono al conducente di memorizzare la posizione dei pulsanti e di affidarsi alla sensazione tattile per navigare all’interno del display. Inoltre, mentre i comandi basati sul tocco possono inevitabilmente causare l’usura delle superfici sfiorate, la tecnologia di riconoscimento dei gesti non usura i dispositivi controllati.
Attualmente solo le automobili di lusso o del segmento 1 hanno adottato tecnologie di controllo gestuale, a causa della loro elevata complessità e del loro costo elevato. Tuttavia, i vantaggi di questa tecnologia giustificano ogni sforzo per estenderne l’adozione alle automobili di fascia media e bassa. In questa soluzione progettuale, discutiamo un’applicazione tipica e introduciamo un nuovo approccio innovativo, altamente integrato ed economico, che consente l’adozione del riconoscimento dei gesti (Figura 1) da parte di un numero molto più elevato di automobili.
Figura 1. Controllo Gestuale in una Vettura
Sistema Tipico
La Figura 2 illustra una tecnologia tipica che si basa su una telecamera a tempo di volo (ToF) per identificare e scansionare una scena 3D. La tecnica ToF consiste nell’inviare un fascio di raggi infrarossi verso un bersaglio da analizzare. Il segnale riflesso viene elaborato da un front-end analogico (AFE) e i dati grezzi vengono trasferiti al processore applicativo (AP) per il riconoscimento dei gesti.
Figura 2. Applicazione Tipica che Utilizza un Sistema ToF
Questo sistema ha un elevato numero di pixel (60.000) ed è in grado di eseguire il tracciamento degli occhi, del viso, del corpo e delle dita, di riconoscere un gesto complesso e di avere la consapevolezza del contesto. Produce un’enorme quantità di dati, che per essere elaborati richiedono un microcontrollore ad alta capacità di calcolo computazionale. L’uso di una telecamera e di un MCU avanzato rende questo sistema versatile, ma costoso. Il ToF può offrire molte possibilità gestuali, ma la sua complessità è eccessiva per le applicazioni automobilistiche, in quanto richiede che gli utenti si avvalgano di un manuale per la programmazione ed è più di quanto serve per l’utilizzo quotidiano.
Una Tecnologia Innovativa
I vantaggi del controllo gestuale nell’infotainment giustificano ogni sforzo per ridurre la complessità e i costi, offrendo un semplice ma importante controllo a gesti per un uso più ampio. Un nuovo ASIC a matrice di fotodiodi integra ottiche, una matrice di foto-rivelatori e un front-end analogico (AFE), come illustrato nella Figura 3.
Figura 3. Sistema con Sensore di Gesti Integrato
Per il processo di riconoscimento, il sensore di gesti integrato si collega a un semplice MCU tramite un bus SPI o I2C. Questa integrazione è resa possibile da un package ottico QFN proprietario (4 mm x 4 mm). La Figura 4 mostra l’intero insieme, compresi i fotodiodi del sensore a bordo dell’ASIC e il filtraggio ottico.
Figura 4. Sezione Trasversale di AFE e Ottica Integrate
L’array di sensori deve essere protetto dall’irraggiamento solare. A 940 nm si verifica una diminuzione dell’intensità di questo irraggiamento, dovuta all’assorbimento di H2O nell’atmosfera. È qui che il sensore entra in azione. Un filtro ottico passa-alto elimina tutte le emissioni solari al di sotto degli 875 nm. (Figura 5).
Figura 5. Protezione del Sensore dall’Irraggiamento Solare
Quattro diodi LED IR da 940 nm illuminano il bersaglio. La luce riflessa viene rilevata da un array di sensori da 60 pixel a bordo dell’ASIC, che incorpora anche tutte le necessarie funzioni di digitalizzazione e controllo del segnale (Figura 6).
Figura 6. Insieme del Sensore Gestuale Integrato
Funzionamento del Sensore Gestuale Integrato
L’apertura mostrata nella Figura 4 comprende un foro in uno strato di rivestimento proprietario nero che limita l’ingresso della luce. L’approccio “quasi-pinhole” della telecamera, con un diaframma ampio, crea un’immagine informe e sfocata, invece di una perfettamente a fuoco L’array di foto-rivelatori 10×6 la cattura per intero. Ad esempio, la matrice di diodi IR emette una sequenza di impulsi luminosi della durata di 25µs, ciascuno seguito da una pausa di 25µs. La matrice di foto-rivelatori integra la luce durante l’illuminazione e la sottrae durante la pausa. La sottrazione di quest’ultima dalla prima elimina la luce ambiente di modo comune, ottenendo una stima dell’intensità dell’immagine. Il periodo di conversione totale è di 20 ms, che si traduce in 50 fotogrammi al secondo (FPS). Ogni fotogramma viene passato all’MCU per l’elaborazione del moto vettoriale. I dati vettoriali vengono elaborati e l’algoritmo genera l’evento gestuale risultante.
Con un basso numero di pixel (60), questa tecnica consente il tracciamento della prossimità e delle dita, la rotazione e altri gesti elementari ma importanti.
Circuito Applicativo
La Figura 7 mostra il semplice circuito applicativo del MAX25205. Il sistema di acquisizione dati a basso costo per il rilevamento gestuale e di prossimità riconosce i seguenti, importanti gesti distinti:
- gesti di scorrimento della mano (sinistra, destra, su e giù)
- Rotazione delle dita e della mano (oraria e antioraria)
- Rilevamento di prossimità
- Indugio nel fare clic
- Clic in aria
- Onda
Per elaborare i dati del sensore è necessaria una CPU in virgola fissa a basso consumo e a basso costo. Può essere un Arm M0 o un MIPS di riserva di un’altra CPU. Per questo, la lista dei componenti è minima: pochi condensatori di filtraggio e un transistor MOSFET discreto per il pilotaggio di ciascun LED IR.
Figura 7. Schema applicativo del Sensore Gestuale Integrato
Conclusione
Il riconoscimento dei gesti migliora la sicurezza e l’esperienza di guida. Rende l’uso della vettura un’esperienza ancor più gradevole, senza l’impatto dovuto al prezzo elevato. Finora l’elevata complessità e il costo delle soluzioni basate su ToF hanno limitato l’adozione di questa tecnologia alle automobili di fascia alta. In questa soluzione progettuale, abbiamo discusso brevemente i limiti dell’approccio ToF e introdotto un nuovo e rivoluzionario ASIC per il riconoscimento dei gesti, che integra ottica, rilevamento e un AFE in un package ottico proprietario QFN “side-wettable” di dimensioni ridotte. L’ASIC, insieme a una CPU a basso costo, non solo offre il riconoscimento gestuale a costi e livelli di complessità sostanzialmente inferiori rispetto alle telecamere ToF, ma contribuisce ad estendere l’adozione di questa nuova tecnologia a una classe di automobili più ampia e ad altri prodotti di consumo.
