CN108717327B - 一种用于反恐作战手势识别的智能感知手套及感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多传感智能感知手套设计，属于反恐装备技术领域。解决了目前反恐作战用智能手套存在***结构复杂、手势识别准确率较低、成本高昂的技术问题。本发明所述智能感知手套，包括开关，传感器，电荷放大电路，滤波电路，数字转换模块，微型控制器，指令显示器，无线通信模块，语音播放模块，电源等部件。本发明所述的智能感知手套，根据反恐部队的特殊需要，可以在恶劣环境下实现中远距离信息传输需要，手套可用于常用作战手势识别，算法要求较低，方法简单，识别速度快，拓展了战术手势的应用场所，更快速、有效实现队员之间的通信交流，使得完成任务更加高效；同时，手套质量小，佩戴轻便，且功耗低，待机时间长。

Description

一种用于反恐作战手势识别的智能感知手套及感知方法

技术领域

本发明涉及一种多传感智能感知手套设计，特别涉及一种用于反恐作战手势识别的压电薄膜传感手套设计，属于反恐装备技术领域。

背景技术

反恐作战手语一直以来都是反恐队员的必备技能，在反恐现场队员之间通常会使用手语指令进行交流，然而，实际中由于雨雪气候、烟雾等恶劣环境以及复杂作战空间的影响，导致作战队员无法快速准确识别彼此的手势动作，进而会严重影响团队的整体配合与协调作战。因此，如何实现极端环境下反恐部队的及时交流，成为反恐作战急需解决的问题。

随着社会科技水平的不断提高和人工智能近些年的不断发展，智能感知手套也逐步发展起来，用于手势识别的智能感知手套的设计已经成为当前研究的热点之一。目前，手势识别通常是采用视频图像以及微型惯性器件的实时位置姿态信息等，再经过一系列复杂的算法分析来达到手势识别的目的，其主要面向高端应用，市场普及率并不高，同时，还存在以下问题：

1、环境适应性问题：用于手语识别的聋哑人手套通常需要较为复杂的动作捕捉***，以及高精度的传感器，通常需要数万元的价格，手势识别的准确率较低，手势动作复杂且要求手臂的摆幅较大，不利于反恐作战队员的隐蔽，不能适用于复杂环境下的即时通信。

2、佩戴及其舒适度问题：使用复杂动作捕捉***的数据手套通常需要配置尺寸较大的信号处理电路，如果佩戴在腰部，手臂等部位，导致舒适度较差，影响作战使用。

3、功耗问题：结构复杂的信号处理电路同时会大幅增加功耗，降低使用及待机时间，不利于长时间野外作战使用。

4、隐蔽性问题：传统作战手语，指战员发送命令通常需要有大幅度手臂摆动等动作，容易被敌方察觉或识别。

因此，目前有必要开发一种能够克服上述问题的智能感知手套，以满足现阶段反恐作战的要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述智能感知手套的技术缺点，针对反恐作战的特殊需要，提供一种能较为准确捕获动作指令，实现手势识别的智能感知手套设计。

本发明所述的一种用于反恐作战手势识别的智能感知手套采用如下技术方案实现：一种用于反恐作战手势识别的智能感知手套，手套上固定有压电薄膜传感器阵列、信号调理电路、电源、开关、微型控制器以及无线收发装置；手套上还配设有与微型控制器相连接的指令显示器和/或语音播放模块；压电薄膜传感器阵列通过导线与信号调理电路信号输入端相连接；信号调理电路的信号输出端与微型控制器信号输入端相连接；微型控制器的信号输入/输出端与无线收发装置相连接；信号调理电路、无线收发装置、指令显示器和/或语音播放模块以及微型控制器均通过电源供电，开关控制电源的通断。

传感器采用压电薄膜传感器采集手部动作，这种压电薄膜传感器很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，而且极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动，灵敏度较高，满足反恐手套轻便，恶劣环境，耐用要求。

微型控制器要体积小，速度快，运行稳定，低功耗，根据简单的算法对手势动作进行识别，电源模块给微型控制器、无线收发装置以及信号调理电路供电；

无线收发装置可实现手势信息的无线发送和无线接收，既可以向战友接收终端和指挥控制平台发送数据，也可以收到战友手套以及指挥控制平台的指令，使用方便；语音播放模块负责播报无线通信模块收到的手势信息，指令显示器或则可以实时显示指令。

进一步的，将手套制成双层结构，所述压电薄膜传感器阵列和导线嵌入手套的双层结构之间；压电薄膜传感器阵列包括五个压电薄膜传感器，分别设置在手套的每个手指处；指令显示器安装在手套的背部外侧；信号调理电路、微型控制器、无线收发装置以及开关固定在手套对应手腕的位置处。

手套的五个手指部位均有压电薄膜传感器，并将其在手套内部固定，保证传感器产生信号的稳定性，传感器中间位置尽可能固定在每个手指的第二关节处，以保证传感器对手势动作产生较好响应。指令显示器设置在手套背部，便于反恐作战队员观察指令，无线收发装置可在各战友、指挥控制平台之间进行信号的发送、接收。手套材质应尽可能便于传感器的嵌入，要尽可能轻便。

进一步的，所述信号调理电路包括通过顺次连接的电荷放大电路、滤波电路和数字转换模块；电荷放大电路的信号与压电薄膜传感器阵列相连接，数字转换模块的信号输出端与微型控制器的信号输入端相连接。

电荷放大电路主要由电荷转电压及运放放大两部分组成，要处理传感器的信号，首先要有电荷转电压电路然后使用运放对信号进行放大，放大倍数可根据实际情况调整，采用电荷放大电路使信号有较高的信噪比，便于后续信号的处理。

数字转换模块中，要把传感器产生的模拟信号转换为数字信号，再传送到微控制器进行相似度匹配，识别对应的手势。

滤波电路主要对工频干扰进行消除，考虑到多阶巴特沃斯滤波器能使信号最大限度平坦，没有起伏，能最大限度得消除工频干扰，本项目优先选用。

本发明所述的一种用于反恐作战手势识别的智能感知方法采用如下技术方案实现：一种用于反恐作战手势识别的智能感知方法，包括如下步骤：(a)确定手势识别的阈值；选取正峰值、直流均值、均方根作为提取特征量；定义矩阵：

矩阵中5行元素分别表示单个动作手套上粘贴的5个传感器采集信号的电压值；n表示采样点的个数；

①正峰值：

U_imax＝max{u_i1,u_i2,u_i3,…,u_in}i取1，2，3，4，5

式中U_imax表示做某个动作时第i个传感器信号电压的最大值，u_i1,u_i2,u_i3,…,u_in表示第i个传感器各采样点信号的电压值；

②直流均值：

式中U_iave表示做某个动作时第i个传感器信号电压的直流均值；u_ij表示第i个传感器第j个采样点的电压；

③均方根：

式中U_irms表示做某个动作时第i个传感器信号电压的均方根；

选取不同操作者多次进行不同手势动作，针对某一手势动作，从传感器产生的信号中计算出对应的各个特征量，这些特征量的值作为样本，样本中的特征量数据满足正态分布；

④阈值应满足条件：

式中u_imin1,u_imax1表示做某个手势动作第i个传感器正峰值设置的阈值范围；u_imin2,u_imax2为第i个传感器直流均值设置的阈值范围；u_imin3,u_imax3为第i个传感器均方根设置的阈值范围；u′_max为从样本中随机抽取的正峰值；u′_ave为从样本中随机抽取的直流均值；u′_rms为从样本中随机抽取的均方根；z_i1,z_i2,z_i3分别为随机抽取的特征值样本在对应阈值范围内的概率值；根据获取的样本确定阈值的大小，进而提高手势识别的准确率；

对于其他手势动作也重复上述阈值确定过程，直到确定所有手势动作的阈值范围，并建立手势信息库；

(b)实际应用中，操作者按照规定的手势动作做出某一手势，微型控制器采集该动作对应的特征量，并将采集到的特征量与手势信息库中该手势动作对应的阈值进行对比；某一手势识别条件如下：

式中，&&表示逻辑“与”，即当5个传感器的三个特征量都满足针对该手势所设置的阈值范围时，该手势识别成功，指令显示器和/或语音播放模块提示手势动作匹配成功，并通过无线收发装置向其它智能感知手套或者指挥平台发射信号；如果5个传感器的三个特征量都不满足针对该手势所对应的阈值范围时，该手势识别失败，指令显示器和/或语音播放模块提示手势动作匹配失败，无线收发装置不发送任何指令。

微型控制器进行手势识别，选取正峰值、直流均值、均方根作为提取特征量，正峰值即电压的幅值，控制器将传感器信号的负值屏蔽，所以只检测正向电压，此特征量可以反映信号的局部特性；直流均值和均方根值能反映信号的整体特性。考虑到每个动作产生的信号都有所差异，所以需要设置各个特征量的阈值，允许信号变动在一定的范围内。由于阈值的选取直接影响识别准确率，选取不同操作者多次进行不同手势动作，从传感器产生的信号中计算出对应的各个特征量，这些特征量的值作为样本，样本中的特征量数据满足正态分布。然后确定阈值的大小，使得获取的数据能够较大概率分布在阈值范围内。在手势识别中，当每个传感器产生信号的特性量均满足对应手势的阈值要求时，手势匹配成功。

进一步地，上述发明的手势识别发送流程是：

S1：当手指有所动作时，传感器会产生信号；

S2：打开开关，电源开始供电，信号经过放大电路，滤波电路；

S3：信号进行数字转换，将模拟信号转化为数字信号，并将处理结果进行保存；

S4：数字信号经过控制器的算法识别，将数字信号与提前定义好的手势库信息进行匹配；

S5：匹配错误则不发送任何指令，同时提醒操作者发送失败，匹配成功则由控制器操控无线发射装置发送信号，且将信号传送到战友的终端设备；

S6：其他无线设备接收到传输指令后进行语音播放，指令显示器也可以显示对应的指令信息；

S7：特定情况下，指挥员或指挥平台需要给每个队员发送不同的指令，该发明也可实现点对点通信，尽可能满足战场需求。

本发明所述的穿戴式智能感知手套，根据反恐部队的特殊需要，可以在恶劣环境下实现中远距离信息传输需要，手套只限于识别作战常用手势，算法要求较低，方法简单，能避免普通战术手势的各种缺陷，拓展战术手势的应用场所，更好，更快速，更有效实现队员之间的通信交流，使得完成任务更加高效，使得我国反恐作战在智能可穿戴装备方面实现较大发展。

本发明所述感知方法的优势在于：该***手势识别速度快，初步能识别多种不同的手势，图5中设计的手势，识别率极高，可以满足反恐作战应急使用手势指令的要求；其次手套质量很小，极为轻便；且待机时间较长，续航能力强。

附图说明

图1是本发明的设计思路示意图；

图2是本发明的手套设计框架示意图；

图3是本发明各部件交互框图；

图4是本发明的单个手套手势识别流程图；

图5是反恐手套对应手势识别表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

如图1，图3所示，本发明主要通过传感器采集手势信息，指挥员做出手势动作后，信号通过电荷转电压电路，放大电路，滤波电路，数字转换模块，对传感器信号进行处理，之后由控制器对数字信号进行识别，最后战友终端、指挥控制平台可以无线接收信号并语音播报，显示屏也可进行指令显示。电源模块设有开关，电源为各个模块都提供电能，保证整个手套的正常运行，由于本发明功耗较小，对电源进行科学管理，不工作时关闭电源，可以大幅度提高整体的续航能力。

如图2所示，本发明将压电薄膜传感器和导线全部嵌入在手套的双层结构之间，且固定在手指对应第二关节处的中间位置，在手套背部安装一个用于翻译手势信息的指令显示器，在手腕处安装有信号调理电路，微型控制器，无线收发装置等(上述装置可位于夹层内)。结构极为简单，手套较为轻便。

本发明涉及的电路主要包括电荷放大电路和滤波电路，电荷放大电路主要由电荷转电压电路及运放放大电路两部分组成，要处理传感器的信号，首先将传感器电荷信号转为电压信号，其次使用运放进行放大，放大倍数可自行调节。滤波电路主要对工频干扰进行消除，本项目优选巴特沃斯滤波器，最大限度消除工频干扰，达到较好的滤波效果。

如图4所示，上述发明的手势识别发送流程是：

N1：当手指有所动作时，传感器会产生微弱信号；

N2：打开开关，电源开始供电，信号经过放大电路，滤波电路；

N3：信号通过数字转换模块，将模拟信号转化为数字信号，并将处理结果进行保存；

N4：数字信号经过控制器的算法识别，将数字信号与提前定义好的手势库信息进行匹配；

N5：匹配错误则不发送任何指令，同时提醒操作者发送失败，匹配成功则由控制器操控无线发射装置发送信号，且将信号传送到战友接收终端；

N6：其他无线设备接收到传输指令后进行语音播放，指令显示器也可以显示对应的手势信息；

N7：特定情况下，指挥员或指挥平台需要给每个队员发送不同的指令，该发明也可实现点对点通信，尽可能满足战场需求。

如图5所示，根据目前反恐作战的战术需要及常遇到的情形制定对应的战术手势表，附表中所列出的手势识别成功率极高。除此之外，手势也可以根据需要自行制定，以达到保密的目的。

除此以外，为了满足大多数人的需要，手套可以设计为三种不同大小规格，对每种规格都进行***的参数调整，以保证手势识别效果较好，进而便于实现大批量生产和使用。

z_i1,z_i2,z_i3根据实际情况进行设定，设定好之后再设定相应的阈值范围，以使实际应用中的手势识别效果更好。

以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润湿也可视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于反恐作战手势识别的智能感知方法，采用用于反恐作战手势识别的智能感知手套来实现；手套上固定有压电薄膜传感器阵列、信号调理电路、电源、开关、微型控制器以及无线收发装置；手套上还配设有与微型控制器相连接的指令显示器和/或语音播放模块；压电薄膜传感器阵列通过导线与信号调理电路信号输入端相连接；信号调理电路的信号输出端与微型控制器信号输入端相连接；微型控制器的信号输入/输出端与无线收发装置相连接；信号调理电路、无线收发装置、指令显示器和/或语音播放模块以及微型控制器均通过电源供电，开关控制电源的通断；手套制成双层结构，所述压电薄膜传感器阵列和导线嵌入手套的双层结构之间；压电薄膜传感器阵列包括五个压电薄膜传感器，分别设置在手套的每个手指处；指令显示器安装在手套的背部外侧；信号调理电路、微型控制器、无线收发装置以及开关固定在手套对应手腕的位置处；

其特征在于，包括如下步骤：(a)确定手势识别的阈值；选取正峰值、直流均值、均方根作为提取特征量；定义矩阵：

矩阵中5行元素分别表示单个动作手套上粘贴的5个传感器采集信号的电压值；n表示采样点的个数；

①正峰值：

U_imax＝max{u_i1,u_i2,u_i3,…,u_in}i取1，2，3，4，5

式中U_imax表示做某个动作时第i个传感器信号电压的最大值，u_i1,u_i2,u_i3,…,u_in表示第i个传感器各采样点信号的电压值；

②直流均值：

式中U_iave表示做某个动作时第i个传感器信号电压的直流均值；u_ij表示第i个传感器第j个采样点的电压；

③均方根：

式中U_irms表示做某个动作时第i个传感器信号电压的均方根；

选取不同操作者多次进行不同手势动作，针对某一手势动作，从传感器产生的信号中计算出对应的各个特征量，这些特征量的值作为样本，样本中的特征量数据满足正态分布；

④阈值应满足条件：

式中u_imin1,u_imax1表示做某个手势动作时第i个传感器正峰值设置的阈值范围；u_imin2,u_imax2为第i个传感器直流均值设置的阈值范围；u_imin3,u_imax3为第i个传感器均方根设置的阈值范围；u′_max为从样本中随机抽取的正峰值；u′_ave为从样本中随机抽取的直流均值；u′_rms为从样本中随机抽取的均方根；z_i1,z_i2,z_i3分别为随机抽取的特征值样本在对应阈值范围内的概率值；

对于其他手势动作也重复上述阈值确定过程，直到确定所有手势动作的阈值范围，并建立手势信息库；

(b)实际应用中，操作者按照规定的手势动作做出某一手势，微型控制器采集该动作对应的特征量，并将采集到的特征量与手势信息库中该手势动作对应的阈值进行对比；某一手势识别条件如下：

式中，&&表示逻辑“与”，即当5个传感器的三个特征量都满足针对该手势所设置的阈值范围时，该手势识别成功，指令显示器和/或语音播放模块提示手势动作匹配成功，并通过无线收发装置向其它智能感知手套或者指挥平台发射信号；如果5个传感器的三个特征量都不满足针对该手势所对应的阈值范围时，该手势识别失败，指令显示器和/或语音播放模块提示手势动作匹配失败，无线收发装置不发送任何指令。

2.如权利要求1所述的一种用于反恐作战手势识别的智能感知方法，其特征在于，压电薄膜传感器的中间位置固定在手指的第二关节处。

3.如权利要求1所述的一种用于反恐作战手势识别的智能感知方法，其特征在于，所述信号调理电路包括通过顺次连接的电荷放大电路、滤波电路和数字转换模块；电荷放大电路的信号与压电薄膜传感器阵列相连接，数字转换模块的信号输出端与微型控制器的信号输入端相连接。

4.如权利要求1所述的一种用于反恐作战手势识别的智能感知方法，其特征在于，滤波电路采用巴特沃斯滤波器。

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