Blog_MCA577 Eyecatcher - Automotive

Anche nelle applicazioni in auto, la tecnologia di riconoscimento gestuale GestIC di Microchip migliora la sicurezza e rende più piacevole la guida.

I produttori di autovetture  hanno  da sempre dovuto affrontare la sfida di minimizzare le distrazioni di chi guida, fornendo allo stesso tempo un’intuitiva interfaccia uomo-macchina (Intuitive Human-Machine Interface, HMI) al crescente numero di funzionalità e tecnologie presenti all’interno dei veicoli.
Una nuova soluzione di Microchip Technology, basata sul chip con tecnologia GestIC® (chiamato MGC3130 3D Tracking and Gesture Controller), insieme alla suite software Colibrì, ha le potenzialità per cambiare significativamente le interfacce HMI dell’automotive, utilizzando comandi gestuali anziché tattili.

L’MGC3130 è il primo controller gestuale 3D al mondo ad utilizzare campi elettrici (E-fields) per il rilevamento della posizione delle mani con riconoscimento 3D della gestualità, ed offre diversi vantaggi in particolare per l’ambiente automotive. Poiché l’MGC3130 rileva solo variazioni in prossimità dell’E-field causati  da oggetti conduttori, come il corpo umano, esso è resistente alle influenze ambientali, come luci e suoni. Inoltre, poiché il suo raggio d’azione è di 15 cm, l’MGC3130 può garantire che solo i gesti degli utenti previsti siano rilevati, prevenendo in questo modo falsi rilevamenti di funzioni e comandi (riservati all’autista) provenienti invece dai passeggeri. Di converso, non ci sono angoli ciechi all’interno dei 15 cm, diversamente da altre tecnologie gestuali.

Un altro grande vantaggio della tecnologia GestIC è che essa utilizza elettrodi per il rilevamento che possono rimanere nascosti utilizzando il normale rivestimento Indium Tin Oxide (ITO) del display o che possono essere integrati dietro l’alloggiamento del dispositivo. Ciò è particolarmente importante in applicazioni automobilistiche; se confrontata con altre tecnologie gestuali 3D, come ad esempio l’infrarosso, gli ultrasuoni o soluzioni basate su sensori video, la tecnologia GestIC offre svariati vantaggi addizionali per applicazioni automotive. Per esempio, le soluzioni basate su sensore video necessitano di una certa quantità di luce per un corretto funzionamento richiedendo nel contempo una compensazione dinamica di luminosità. Oltre a ciò, una telecamera ha un angolo di visuale fisso, il che crea angoli ciechi, specialmente in ambienti come i veicoli dove gli utilizzatori  siedono molto vicini al sensore. Di contro, è difficile per le soluzioni basate su telecamera eliminare falsi rilevamenti provenienti dai passeggeri per le funzioni specifiche del guidatore. La tecnologia GestIC® fornisce anche una uscita dati con una frequenza di refresh di 200 Hz, consumando nel contempo fino al 90% in meno di potenza rispetto alle soluzioni basate su sensore video.

La fisica sottesa

Blog_MCA577 Figure 1 (undisturbed field)

 Figura 1, campo elettrico generato dal sistema GestIC 

Il setup del sensore basico è descritto nella Fig. 1: un livello isolato separa un singolo elettrodo trasmettitore full-plane posizionato su un livello di terra dagli elettrodi ricevitori posizionati sul livello superiore. Controllato dall’ MGC3130, l’elettrodo trasmettitore genera un campo elettrico con una frequenza di 100 kHz. Senza alcun disturbo esterno, questo campo elettrico è simile a quello uniformemente distribuito mostrato in Fig. 1. Qualora un oggetto entrasse in questo campo elettrico, questo disturberebbe le linee di campo. Un tipico esempio di questo disturbo è mostrato in Fig. 2.

Blog_MCA577 Figure 2 (field disturbed  by hand)

Figura 2, disturbo del campo generato

A causa dei disturbi, la precedente distribuzione di linee equipotenziali uniformi, come pure di linee di campo, è significativamente mutata. Entrando nel campo elettrico, l’oggetto conduttore (nei casi in studio, una mano) assorbe il campo elettrico dato che conduce le cariche elettriche a terra, producendo un cambiamento sia del campo elettrico che delle linee equipotenziali. L’ MGC3130, misura le minuscole deviazioni di segnale sugli elettrodi ricevitori generati dalla mano ed elabora i risultati. Più la mano si avvicina all’elettrodo, maggiore sarà l’influenza locale della stessa.

Utilizzando quattro elettrodi ricevitori (Nord, Sud, Est e Ovest) l’MGC3130 consente il tracciamento delle posizioni della mano sugli assi X, Y e Z all’interno dell’area di rilevamento. In una fase successiva di elaborazione, l’MGC3130 identifica i gesti attraverso l’applicazione di un Hidden Markov Model (HMM) basato su un motore di riconoscimento gestuale che consente un riconoscimento eccezionalmente elevato ed indipendente dall’utente. Quando, per esempio, la mano scatta (flick) da destra a sinistra, inizialmente c’è una deviazione del segnale sull’area di destra. Questa deviazione di segnale sull’elettrodo destro decresce durante il movimento, mentre la deviazione di segnale sull’elettrodo di sinistra simultaneamente aumenta. Modelli di movimenti come questo  vengono riconosciuti ed elaborati on-chip, e offerti in una modalità predeterminata in uscita.

La risoluzione di tracciamento X/Y/Z  raggiunge i 150 dpi, a seconda dello schema e tipologia degli elettrodi e della posizione della mano. Più vicina è la posizione della mano rispetto all’area di rilevamento, maggiore è il rapporto segnale-rumore e maggiore  risulta la risoluzione. La tecnologia GestIC consente questa precisione simil-mouse senza, praticamente, alcuna instabilità. Per scopi dimostrativi, il team di progettazione ha controllato il cursore di un notebook senza alcuna instabilità, solo muovendo la mano e senza usare il mouse.

Gli elettrodi

Blog_MCA577 Figure 3 (Electrode)

Figura 3, disposizione degli elettrodi di trasmissione e ricezione

Gli elettrodi di ricezione sono sempre posizionati sopra l’elettrodo trasmettitore (Fig. 3). Per esempio, nell’installazione dimostrativa che Microchip ha presentato a Electronica l’anno scorso, gli elettrodi ricevitori consistevano in uno strato di rame  sulla faccia superiore di un PCB. Gli elettrodi possono essere realizzati usando qualsiasi tipo di materiale conduttore solido come PCB solidi, flexible printed circuit board (FPC), elettrodi LDS (laser direct structured), lamine conduttrici, ed il sopra menzionato strato ITO già presente nei display.

La tecnologia GestIC di Microchip è in grado di funzionare con sensori sottili che consentono un’integrazione praticamente invisibile dietro l’alloggiamento del dispositivo target, senza aumentare lo spessore complessivo del prodotto industriale progettato. Pertanto, gli elettrodi non sono solo a basso costo ma anche a basso impatto in termini di schema generale. Tutto ciò è di grande importanza nell’elettronica  automotive, dove questi elettrodi possono essere nascosti dietro aree come il cruscotto.

Come precedentemente specificato, l’utilizzo di strutture conduttive preesistenti, come il rivestimento ITO di un pannello tattile di visualizzazione, fa della tecnologia GestIC una soluzione molto conveniente. Attualmente, Microchip sta collaborando con i maggiori produttori di display, sulla pre-integrazione della tecnologia GestIC in un modulo display completo. Collegando l’MGC3130 al rivestimento ITO, l’area tattile del display viene trasformata in un elettrodo sensore di campo elettrico senza disturbare le funzionalità multi-touch del sottostante touch display. A causa di questa perfetta integrazione, la tecnologia GestIC avvia la terza dimensione del rilevamento non appena le dita  sono sollevate dalla superficie del display. Nelle applicazioni automotive, questo permette al sistema di visualizzare differenti elementi in base alla direzione dalla quale la mano si avvicina. Mentre un approccio verticale potrebbe attivare il menu telefonico, quello dal lato basso di sinistra potrebbe attivare il setup del sistema di navigazione. Un’altra possibilità è il passaggio tra i vari menu base sfogliando a gesti nell’aria.

La tecnologia GestIC è molto flessibile, dato che non solo riconosce gesti lineari ma anche simboli gestuali, gesti circolari e altri. Nell’ambiente automobilistico, questa capacità potrebbe essere utilizzata al fine di aumentare/diminuire il volume del sistema di infotainment, disegnando una manopola del volume virtuale in aria. A prescindere dalla funzione assegnata ad un particolare gesto, il risultato finale è che il guidatore può prestare maggiore attenzione  alla strada se tutto quello che deve fare è gesticolare in aria, invece di toccare un preciso tasto sullo schermo.

Il Chip MGC3130

L’MGC3130 è un controller mixed-signal configurabile consistente in un front-end analogico con un canale trasmettitore e cinque ricevitori e una unità  Signal Processing Unit (SPU) digitale.

Quattro di questi cinque canali vengono usati per riconoscere gesti e posizione delle mani, mentre il quinto canale consente il rilevamento tattile e migliora la precisione a breve distanza. Ogni canale subisce condizioni di segnale. I segnali analogici pre-condizionati vengono quindi digitalizzati e processati dalla SPU integrata.

All’uscita, la SPU fornisce i risultati elaborati via interfaccia I2C o SPI. Microchip fornisce una API (application programming interface) che può funzionare sul controller dell’applicazione o dell’host. Questa API consente ai progettisti di mappare facilmente i segnali verso il target di destinazione.

Ciò significa che i progettisti non debbono preoccuparsi del condizionamento dei segnali, dato che Microchip pre-processa i dati sulle posizioni X/Y/Z della mano, così come offre il completo software di riconoscimento gestuale on-chip, ovvero la suite Colibrì. Al fine di consentire ai progettisti di creare speciali funzionalità personalizzate attraverso il post-processing di specifiche applicazioni, Microchip fa transitare attraverso l’elettrodo filtrato anche segnali verso l’uscita.

La Suite Software Colibri

La suite Colibri utilizza un motore di riconoscimento gestuale basato su un Hidden Markov model (HMM), in abbinamento a vettori X/Y/Z di posizione della mano. HMM offre la più elevata frequenza di riconoscimento user-independent per gestualità 3D di mani e dita. Ciò significa che la tecnologia GestIC fornisce coerentemente una frequenza di riconoscimento gestuale eccezionalmente elevata, a prescindere  da chi stia guidando il veicolo.

Sull’uscita digitale dell’MCG3130, la suite Colibrì offre dati di tracciamento della posizione X/Y/Z della mano di elevata risoluzione come flick, cerchi  e parole gestuali. Per i flick, la suite Colibri non solo rileva i movimenti base, come sinistra, destra, su e giù, ma anche i flick più sofisticati, come da dentro verso fuori e viceversa, attraverso l’intera o parziale area di copertura.

L’utente è cosi in grado di attuare comandi come “apri applicazione”, seleziona, click, zoom, scorri (scroll), mouse-over e molti altri, senza bisogno di toccare il dispositivo.

Se il progetto richiede gesti specifici che non sono inclusi nella suite, Microchip fornisce in breve tempo un registratore gestuale e modulo di addestramento che consente agli sviluppatori di aggiungere i loro specifici gesti alla libreria.

Grazie all’architettura flash dell’MGC3130, i progettisti possono fare il download direttamente nell’IC dei parametri di riconoscimento per qualsiasi nuovo gesto.

Inoltre, il rilevamento di avvicinamento è una funzione programmabile che esegue una scansione delle attività dell’utente mentre il chip è in modalità self-wake-up.

Se viene rilevata una interazione da un utente reale, il sistema commuterà automaticamente in “full sensing mode” tornando alla modalità self-wake-up a bassissimo consumo una volta che la mano dell’utente abbia lasciato l’area di rilevamento.

Adattamento flessibile all’ambiente

La tecnologia GestIC funziona ad una frequenza di circa 100 kHz. L’MGC3130 adatta la frequenza di lavoro ad eventuali disturbi esterni provenienti da motori, inverter, caricatori e lampade fluorescenti, cambiando automaticamente la frequenza e spostandosi su un canale privo di rumore nel range compreso tra 70 e 130 kHz, così da evitare interferenze RF, costituendo una soluzione molto efficace. D’altro canto, l’energia emessa è molto bassa.

Questo significa che la tecnologia GestIC non causa interferenze ad altri sistemi o elementi, come evidenziato dal fatto che ha superato vari test, come l’IEC 61000-4-3. Inoltre, mentre il consumo massimo di corrente dell’MGC3130 è di 70 mW, la maggioranza del suo consumo di corrente è necessaria per l’interpretazione, valutazione e classificazione dei segnali del campo elettrico disturbato, non per l’emissione di un campo elettrico in sé.

Dietro questa tecnologia c’è una storia molto lunga.

Per oltre 10 anni, la società Ident Technology con base a Monaco di Baviera (Germania) – che fu acquisita da Microchip Technology nel 2012 e integrata nella propria Human Machine Interface Division (HMID) – ha acquisito esperienza e know-how riguardo il tema  dell’uso dei campi elettrici, e ha registrato diversi brevetti.

Questo know-how include principalmente l’applicazione delle teorie dell’E-field in un ambiente reale, la progettazione di elettrodi di rilevamento, la progettazione dei chip, e gli algoritmi usati  per elaborare i dati grezzi del rilevamento.

La lunghezza dell’onda del segnale a 100 kHz usato nella tecnologia GestIC equivale a circa 3 km.

Questo significa che le dimensioni dell’area dell’elettrodo di rilevamento, che è tipicamente inferiore a 15 cm x 15 cm, è di svariate volte più piccola dell’ordine di grandezza della lunghezza d’onda del segnale emesso.

Questo consente di ottenere un E-field molto stabile, quasi statico durante il funzionamento, che può essere usato per rilevare oggetti conduttivi come ad esempio il corpo umano, mentre la componente magnetica è praticamente zero e non si verifica alcuna propagazione d’onda.

Pensando alle future applicazioni, e al fine di facilitare progetti applicativi, il team HMID di Microchip sta attualmente preparando un documento che descrive tutti i fattori rilevanti che debbono essere presi in considerazione durante la progettazione e il posizionamento degli elettrodi rilevamento.

Questo consentirà agli sviluppatori automotive di progettare i propri elettrodi o implementarli utilizzando materiali già presenti nei loro progetti.

A partire da maggio, Microchip ha reso disponibile un kit di sviluppo chiamato Hillstar, che è destinato a supportare i clienti durante la fase di design. Hillstar utilizza la tecnologia GestIC, e include la suite Colibri, e si connette ad un PC attraverso una interfaccia  USB, consentendo cosi agli ingegneri di connettere facilmente i loro schemi di elettrodi e parametrizzare il chip MGC3130 mediante PC.

Blog_MCA577 Figure 4 SW architecture

Figura 4, strumenti di sviluppo

La Graphical User Interface (GUI) di Microchip, ricca di funzionalità, chiamata Aurea, funziona su sistema operativo Windows 7 e offre  il controllo di parametri e settaggi  dell’MGC3130, rendendo facile l’aggiornamento e il salvataggio dei parametri stessi (Fig. 4).

Un video illustra il funzionamento di questa tecnologia:


YouTube

Maggiori dettagli si trovano sulla seguente pagina web: www.microchip.com/gestic, mentre www.gesture-remote.com e www.gesture-cube.com offrono suggerimenti  riguardo le possibilità di questa nuova tecnologia Microchip.