자동차 및 산업 응용 분야용 저비용 제스처 감지 시스템 설계

인간 기계 간 인터페이스(HMI)는 거의 모든 산업 및 자동차 응용 분야의 핵심 요소입니다. 상호 작용이 복잡해짐에 따라 전통적 스위치 설계가 더 이상 적합하지 않은 환경이 많습니다. 이러한 설계는 직관적이지 않으며 기계 제어나 차량 운전 등의 다른 작업에 대한 집중을 분산시킵니다.

제스처 기반 제어에는 여러 옵션이 있지만 설계자는 전력 소비는 물론 성능 및 정확도와 비용 및 단순성 간의 균형을 유지해야 하는 과제에 직면합니다.

이 문서에서는 적외선 감지 기술에 기반한 제스처 제어 시스템에 필요한 부품을 다룹니다. 그런 다음 빠른 개발과 출시 시간 단축에 도움이 되는 저비용 센서 평가 기판 및 관련 소프트웨어를 소개합니다.

비접촉 감지 응용 분야

비접촉 감지가 최초로 일상에 적용된 예는 물체의 접근을 감지하고 적절한 반응을 유도하는 것이었습니다. 자동문, 비누 디스펜서, 현관 조명 및 핸드 드라이버 등이 모두 비접촉 센서를 입력으로 사용합니다.

이러한 시스템에서는 근접 센서가 디지털 온/오프 출력을 제공하는 스위치의 역할을 하는 반면, 제스처 감지를 사용하면 사용자는 3차원 움직임을 통해 시스템을 직관적으로 제어할 수 있습니다.

또한 제스처 제어를 적용하면 사용자가 넓은 활동 범위 내에서 변화를 줄 수 있기 때문에 작은 움직임을 큰 움직임으로 대체할 수 있습니다. 이 기능은 제스처 감지 기술을 채용하여 복잡한 스포츠 관련 움직임을 감지하거나 몇 명의 플레이어를 추적하는 비디오 게이밍 시스템의 핵심 기능입니다.

적외선 제스처 감지 기술

비디오 게임 시스템은 레이저 및 전용 카메라를 사용하여 사용자 활동을 감지하지만, 자동차와 같은 여러 응용 분야에는 너무 복잡하고 비용이 높습니다. 예를 들어 여기에서는 손을 좌우로 움직이는 것만으로 라디오 채널을 변경할 수 있습니다(그림 1). 마찬가지로 손을 위아래로 움직이거나 앞뒤로 움직이는 동작으로 볼륨을 조정할 수 있습니다.

그림 1: 제스처 감지 시스템은 직관적 움직임을 사용하여 기계 제어를 단순화합니다. (이미지 출처: BBC/BMW)

적외선(IR) 감지 기술은 저비용으로 다양한 단순 동작을 감지할 수 있기 때문에 다양한 산업, 소비자 및 자동차 응용 분야에 매우 적합합니다(그림 2). 하드웨어는 기판에서 일정 거리가 떨어진 채 배치된 두 개의 IR 방출 다이오드(IRED)와 그 사이의 검출기로 구성됩니다.

그림 2: 두 개의 IR 다이오드와 그 사이의 감지 장치로 구성된 간단한 IR 제스처 감지 시스템. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

각 IR 방출기의 방출 패턴은 매우 지향적입니다. 방출기 위로 손이 지나가면, 반사된 방출이 감지 센서에 의해 측정되어 해당 스파이크를 생성합니다. 오퍼레이터가 손을 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이면 왼쪽(검은색) 방출기의 신호가 증가하고 오른쪽(녹색) 방출기 전체 감소합니다. 오른쪽에서 왼쪽으로 움직이는 경우는 이와 반대입니다.

센서는 데이터를 마이크로컨트롤러에 전송합니다. 마이크로컨트롤러에는 시간에 따른 신호 강도의 변화를 분석하여 밀기 동작이 수행되었는지 파악하고 수행된 경우 어떤 방향인지를 파악하는 소프트웨어가 있습니다.

제스처 감지 설계 예제

일반적인 제스처 감지 응용 회로는 위/아래 및 좌/우 제스처를 감지할 수 있도록 기본 시스템에 세 번째 IR 방출기를 추가합니다(그림 3).

그림 3: 세 개의 방출기가 포함된 제스처 감지 설계는 좌/우 및 상/하 제스처를 모두 감지할 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

시스템의 핵심은 단일 2.5V ~ 3.6V 공급에서 작동하는 주변광 센서와 Vishay Semiconductor의 VCNL4035X01 IR입니다. 주문형 반도체(ASIC)에는 세 개의 외부 IR 방출기를 위한 드라이버, 반사된 출력을 수신하기 위한 내부 광 다이오드 및 광 다이오드 신호를 처리하기 위한 회로가 포함됩니다. 산업 표준 I²C 직렬 인터페이스가 외부 마이크로컨트롤러와 통신하여 이 마이크로컨트롤러가 데이터를 분석하여 제스처를 해독합니다.

그림 4: VCNL4035는 최대 3개의 외부 IR 방출기를 구동할 수 있으며 내부 주변광 센서를 포함합니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

전력을 절감하고 처리 오버헤드를 줄이기 위해 VCNL4035에는 제스처 이벤트 또는 주변광 변화 발생 시 마이크로컨트롤러를 절전 해제할 수 있는 프로그래밍 가능 인터럽트 핀이 있으며, 이에 따라 연속 폴링이 필요하지 않습니다.

VCNL4035X01은 소형 4.0 x 2.36밀리미터 리드리스 패키지(LLP)와 0.75밀리미터의 높이를 특징으로 하기 때문에, 공간이 제한된 스마트폰, 디지털 카메라, 태블릿 PC 및 이와 유사한 응용 분야에 적용할 수 있습니다.

그림 5: VCNL4035 IR 광 다이오드(a)의 센서와 주변광 센서(b)의 정규화된 스펙트럼 반응 비교를 위해 인간의 눈이 반응하는 것도 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

움직임의 방향을 파악하려면 소프트웨어는 IRED 출력을 비교할 수 있도록 서로 구분할 수 있어야 합니다. 제스처 감지 모드에서 VCNL4035는 IRED를 빠르게 순차적으로 구동한 다음, 세 개의 16비트 광 다이오드 출력이 포함된 내부 레지스터를 읽도록 마이크로컨트롤러에 플래그를 지정합니다. 전류 구동 강도, 구동 시간 및 연속 측정 세트 간의 시간은 모두 사용자가 선택할 수 있습니다.

주변광 센서(ALS)는 시각적 광신호를 수신하여 이를 16비트 ADC 값으로 변환합니다. VCNL4035의 ALS는 540nm에서 최고 감도를 가지며 430nm~610nm의 대역폭을 가지므로 인간의 눈과 매우 유사합니다.

IRED 요구 사항

IRED의 출력은 VCNL4035의 광 다이오드의 감도 반응에 일치해야 최고의 성능이 발휘됩니다. 피크 파장(λ_P)이 940nm인 Vishay Semiconductor의 VSMY2940RG 계열 방출기가 이러한 용도에 적합합니다. 이러한 방출기는 갈륨 알루미늄 비소(GaAlAs) 표면 방출기 칩 기술을 기반으로 합니다. 펄스 작동(t_p = 100μS) 시 1amp 순방향 전류에서 스테라디안당 880밀리와트(mW/sr)의 일반 방사 강도를 제공합니다.

또한 장치는 특히 ±10° 빔 각도 내에서 매우 방향이 뚜렷한 패턴으로 방사능을 방출합니다(그림 6).

그림 6: Vishay의 VSMY2940RG IR 방출기는 매우 제한된 상대 방사 강도와 각변위 곡선을 가지므로 제스처 감지 응용 분야에 적합합니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

제스처 감지 설계 고려 사항

제스처 감지 시스템의 설계자는 최적의 설계를 결정하기 전에 여러 가지를 고려하여 절충해야 합니다. 그 중 한 가지는 감지 범위와 전류 소비량입니다. 또 다른 하나는 IRED 배치입니다.

제스처를 감지할 수 있는 거리의 증가는 IRED의 출력 전력 증가를 의미하며 이는 순방향 전류의 기능입니다. 그 결과 전력 소비량이 증가하는데 배터리 전원을 사용하는 장치에서는 그다지 바람직하지 않은 상황입니다. 또한 출력이 높아질수록 발산해야 하는 열의 양도 증가하여 설계의 크기가 커질 수 있습니다.

앞서 언급한 설계에서 200mA의 IRED 구동 전류는 일반적으로 200mW/sr의 방사 강도를 제공하는데, 이는 센서 기판에서 최대 40cm 범위까지의 손 제스처를 감지할 수 있습니다.

IRED 배치에서 외부 IRED의 수와 해당 위치는 특정 응용 제품의 필요에 따라 달라집니다. IRED와 센서 간의 거리는, 간단한 근접 응용 제품 또는 손가락 움직임과 같은 작은 제스처를 감지하는 경우 수 밀리미터에 불과할 수 있습니다.

센서와 IRED 간의 거리가 커질수록 더 먼 거리에서 손 움직임의 방향을 파악하는 데 유리합니다. 경험적 테스트를 통해 최적의 거리를 결정할 수 있습니다.

제스처 감지 소프트웨어

VCNL4035의 출력을 사용하여 의도된 제스처를 파악하는 방법에는 몇 가지가 있습니다. 간단한 한 가지 방법은 물체 감지에 대한 최소 임계값을 설정하는 것입니다. 임계값을 초과하는 상승 에지는 손이 IRED 위에 도착했음을 나타내며, 하강 에지는 손이 IRED의 감지 영역을 벗어났음을 의미합니다.

두 개의 IRED를 사용할 경우 이벤트의 순서는 이동 방향이 왼쪽인지 오른쪽인지를 나타냅니다. 이 방법은 각 측정 주기의 결과를 따로 분석하며 프로세서 리소스 소모가 적습니다.

계산 소요량이 더 많은 방식에서는 여러 측정점(프레임)의 데이터를 분석합니다. 알고리즘은 각 프레임의 두 수량, 즉 해당 샘플 세트에 비교한 각 신호의 표준 편차와 좌우 신호 간의 시간 지연을 계산합니다. 이 결과를 사용자가 정의한 임계값과 비교하면 알고리즘은 어떤 종류의 제스처가 수행되었는지 알 수 있습니다.

표준 편차 s는 분석 중인 프레임 내에서 데이터의 분포를 측정한 것입니다. 표준 편차는 다음 수식을 사용하여 계산됩니다.

여기서 x̄는 현재 프레임의 평균이고 n은 분석 중인 샘플의 수입니다.

표준 편차가 높으면 신호 변화가 크다는 것을 의미합니다. 즉 손이 센서를 가로지르거나 센서 쪽으로 움직인다는 것을 나타냅니다.

반면에 표준 편차가 낮으면 신호 변화가 거의 또는 전혀 없는 것이므로, 센서의 감지 영역에 손이 없거나 손이 움직이지 않는 상황을 나타냅니다. 신호 간의 시간 지연이 충분히 크면 스와이프 제스처가 수행되었음을 의미합니다. 또한 이 계산은 두 신호 간의 오버랩을 계산하는 교차상관관계 알고리즘으로 지연을 예측할 수도 있습니다.

센서 시험용 키트로 빠르게 시작

Vishay의 VCNL4020 센서 시험용 키트를 사용하면 IR 제스처 감지 설계를 쉽게 시작할 수 있습니다. 이 키트에는 USB 동글, 플러그인 VCNL4020 제스처 데모 보드 및 USB 드라이버와 소프트웨어가 포함된 미니-CD가 포함됩니다.

VCNL4020 자체는 IR 방출기가 내장된 통합 근접 및 주변광 센서입니다. 데모 기판에서는 VCNL4020이 외부 IRED를 구동하여 필요한 경우 증가된 공간 분리를 제공합니다.

그림 7: Vishay의 VCNL4020 센서 시험용 키트는 제스처 감지 개발을 시작하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 제공합니다. Vishay의 기본 시작점이며 다양한 Vishay 센서를 위한 여러 확장 기판에 연결됩니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

USB 동글은 데모 기판과 호스트 PC 간의 I²C-to-USB 통신을 가능하게 해줍니다. 여기에는 단일 칩 USB 2.0 트랜시버가 통합된 향상된 8051 마이크로컨트롤러가 결합된 ASIC인 Cypress Semiconductor의 CY768013A가 포함됩니다. 또한 3.3볼트 조정기와 추가 아날로그 입력을 제공하기 위한 18비트 단일 입력 시그마 델타 아날로그 디지털 컨버터(ADC)인 Microchip Technology의 MCP3421이 포함됩니다.

USB 동글은 다른 VCNL 센서 데모 기판의 기초 역할을 하며 VCNL4035 데모 기판을 비롯하여 Vishay에서 모두 무료로 제공합니다. 이 기판은 특히 제스처의 방향을 나타내는 LED 배열이 포함되어 있어서 매우 직관적입니다.

VCNL4035 기판에 함께 들어 있는 CD의 개발 소프트웨어는 앞서 언급한 표준 편차 및 교차상호관계 감지 알고리즘을 구현합니다.

사용자는 소프트웨어를 사용하여 데이터 취득 및 방향 알고리즘의 핵심 파라미터를 변경할 수 있습니다. 다음을 포함한 다양한 파라미터를 조정하여 시스템 성능을 세부적으로 조절할 수 있습니다.

• 데이터 측정 속도
• 측정 샘플 시간
• 상/하 감지 임계값
• 좌/우 방향 임계값
• 임계값 슬로프
• 표준 편차 임계값

그림 8: 좌/우 움직임의 결과를 보여주는 VCNL4035용 LabVIEW GUI를 사용한 제스처 감지 화면. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

시험용 키트에는 널리 사용되는 National Instruments의 LabVIEW 프로그래밍 플랫폼에서 실행되는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 포함되어 있습니다. 좌/우 움직임의 결과가 표시된 제스처 감지 화면(그림 8)을 참조하십시오. 왼쪽(빨간색) IRED가 먼저 표시된 다음 가운데(녹색), 오른쪽(파란색)의 순서로 표시됩니다.

LabVIEW 환경을 처음 사용하는 개발자를 위해 Digilent의 LabVIEW Home Bundle은 개발자가 최소의 비용을 시작할 수 있는 기회를 제공합니다.

결론

적외선 제스처 감지 시스템은 다양한 HMI 과제를 해결할 수 있습니다. 저비용 하드웨어와 정교한 소프트웨어가 결합되어 산업, 자동차 및 소비자 응용 분야에 일반적인 다양한 손 움직임을 감지할 수 있습니다.

Vishay는 개발자가 HMI 제스처 감지 설계를 빠르게 시작할 수 있도록 지원하는 다양한 광전자 부품과 시험용 키트를 제공합니다. 또한 LabVIEW GUI가 포함되어 있기 때문에 개발이 단순화되며 설계 고려 사항을 더 효과적으로 관리할 수 있습니다.