Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Chip erkennt Änderungen in nahen elektrischen Feldern : Ausgabe 16/2014, 03.09.2014

Maschinen durch Gesten steuern

Industriemaschinen stehen oft in rauen Umgebungen, wo gefährliche Substanzen vorhanden sind. Das Betrachten eines Monitors kann dabei auf Dauer schwerfallen. Eine neue Lösung ändert nun HMI-Konzepte in industriellen Umgebungen grundlegend: Anstelle der Berührungssteuerung über einen Touchscreen lassen sich Maschinen und Geräte mit Gesten steuern und kontrollieren.

Die neue Lösung von Microchip basiert auf dem GestIC-Chip MGC 3130 und der Colibri-Software-Suite. Der Chip ist laut Hersteller der erste 3D-Gesten-Controller, der elektrische Felder zur Verfolgung der Handposition mit Gestenerkennung im freien Raum nutzt. Gerade für das industrielle Umfeld ergeben sich damit zahlreiche Vorteile. Da er nur die Änderungen in nahegelegenen E-Feldern erkennt, die durch leitfähige Objekte verursacht werden – beispielsweise durch den menschlichen Körper –, reagiert er nicht bei Umgebungseinflüssen wie Licht und Schall. Und da seine Reichweite 15 cm beträgt, erkennt er nur die beabsichtigten Gesten des Anwenders und vermeidet Fehldetektionen. Innerhalb dieser Distanz gibt es auch keine blinden Flecken (Bild 1).

Weniger Blindflecken, Fehldetektionen sowie geringerer Stromverbrauch

Im Vergleich zu anderen 3D-Gesten-Techniken wie Infrarot, Ultraschall oder kamerabasierten Lösungen bietet GestIC zahlreiche Vorteile für das industrielle Umfeld. Kamerabasierte Lösungen beispielsweise erfordern eine bestimmte Lichtmenge, um richtig zu funktionieren, sowie eine dynamische Lichtkompensation. Eine Kamera hat zudem einen festen Blickwinkel, der zu blinden Flecken führt – vor allem, wenn Anwender sehr nahe an der Kamera arbeiten. Ausserdem ist es schwierig, falsche Detektionen auszuschlies-sen, die durch andere Aktivitäten, die hinter dem Anwender ablaufen, ausgelöst werden. Die GestIC-Technologie bietet Ausgangsdaten mit einer hohen Bildwiederholrate von 200 Hz und verbraucht 90 Prozent weniger Strom als eine kamerabasierte Lösung.

Hand verursacht Signalabweichung

Der grundlegende Aufbau des Sensors: Eine Isolationsschicht trennt eine Sender-Flächenelektrode, die sich über einer Masseschicht befindet, von den Empfängerelektroden auf der obersten Schicht. Gesteuert durch den MGC 3130, erzeugt die Sender-Elektrode ein elektrisches Feld mit einer Frequenz von 100 kHz. Ohne Störungen von aussen verteilt sich dieses elektrische Feld gleichmässig.

Kommt ein Objekt in dieses elektrische Feld, ändert sich die vorher gleichmässige Verteilung der Äquipotenzial- und Feldlinien. Das leitfähige Objekt – hier die Hand – absorbiert das elektrische Feld und leitet elektrische Ladung gegen Masse. Der IC misst die winzigen Signalabweichungen an den Empfängerelektroden und verarbeitet die Ergebnisse. Je näher die Hand an die Empfängerelektrode gelangt, desto höher ist ihr lokaler Einfluss. Die vier Empfangselektroden des Gesten-Chips erlauben ein Verfolgen der Handposition in x-, y- und z-Richtung innerhalb des Erfassungsbereichs.

Jitterfreie Steuerung

In einem weiteren Rechenschritt erkennt der Baustein Gesten benutzerunabhängig durch eine HMM-basierte (Hidden Markov Model) Gestenerkennungs-Engine. Bewegt sich die Hand zum Beispiel von rechts nach links, ergibt sich eine hohe Signalablenkung auf der rechten Seite beim Start der Bewegung. Diese Signalabweichung auf der rechten Elektrode nimmt während der Bewegung ab, während die Signalablenkung auf der linken Elektrode gleichzeitig zunimmt. Bewegungsmuster wie diese werden erkannt, auf dem Chip berechnet und am Ausgang bereitgestellt (Bild 2).

Die x/y/z-Auflösung bei der Verfolgung beträgt je nach Elektrodendesign und Handposition bis zu 150 dpi. Je näher sich die Hand an der Sensorfläche befindet, desto höher sind der Signal-Rausch-Abstand und die Auflösung. Die Technologie ist ähnlich genau wie die Steuerung mit einer Maus – fast ohne Jitter. Zu Demonstrationszwecken hat das Entwicklerteam den Cursor eines Notebooks jitterfrei gesteuert – nur durch Bewegen der Hand, ohne den Einsatz einer Maus.

Die Elektroden sind günstig

Die Empfängerelektroden sind immer über der Senderelektrode angeordnet (Bild 3). Elektroden lassen sich durch jedes feste leitfähige Material realisieren: feste Platinen, flexible Leiterplatten (FPCs, Flexible Printed Circuit), LDS-Elektroden (Laser Direct Structured), leitfähige Folien und die bereits erwähnte ITO-Schicht, die sich in Displays befindet.

Microchips GestIC kann mit dünnen Sensorschichten arbeiten, die eine unsichtbare Integration hinter Gehäusen erlaubt, ohne dabei die Gesamtdicke des Produktdesigns zu vergrössern. Die Elektroden sind daher nicht nur günstig, sondern haben auch geringe Auswirkungen auf das Gesamtdesign. Dies spielt vor allem in der Industrieelektronik eine wichtige Rolle, wo die Elektroden hinter dem Bedienpanel angebracht werden können.

Nahtlose Integration erlaubt dritte Dimension

Wie bereits erwähnt, macht der Einsatz bereits bestehender leitfähiger Strukturen wie der ITO-Beschichtung eines Touchdisplays die GestIC-Technologie zu einer sehr günstigen Systemlösung. Microchip arbeitet derzeit mit grossen Displayherstellern zusammen, um die Vorintegration ihrer Technik in komplette Displaymodule voranzutreiben. Schliesst man den MGC 3130 an die ITO-Beschichtung an, wird die Berührungsfläche des Displays zu einem Sensorfeld mit einer E-Feld-basierten Elektrode, ohne die Multi-Touch-Funktion des zugrundeliegenden Touchdisplays zu beeinträchtigen. Durch diese nahtlose Integration erlaubt die GestIC-Technik die dritte Dimension der Erfassung, sobald die Finger von der Displayoberfläche entfernt werden. In industriellen Anwendungen kann das System dann verschiedene Elemente anzeigen – abhängig davon, aus welcher Richtung sich die Hand nähert. So kann ein senkrechtes Annähern das Bedienmenü öffnen, und eine Annäherung von links unten könnte das Set-up-Menü des Systems öffnen. Eine weitere Variante ist das Wechseln zwischen Grundmenüs durch einfaches Streichen in der Luft.

Flexible Anpassung an die Umgebung

Die GestIC-Technologie ist sehr flexibel, da sie nicht nur lineare, sondern auch symbolische und kreisförmige Gesten usw. erkennt. Im industriellen Umfeld lässt sich so die Ausgabemenge eines Dosiersystems erhöhen/senken oder ein Ventil steuern, zum Beispiel durch einfaches Bewegen eines virtuellen Knopfes in der Luft. Der Bediener kann damit den Prozess im Auge behalten und über entsprechende Gesten gleichzeitig Befehle an das System geben.

Die GestIC-Technik arbeitet mit einer Trägerfrequenz von etwa 100 kHz. Werden Störungen von Motoren, Wechselrichtern, Ladegeräten und Vorschaltgeräten für fluoreszierende Lampen erkannt, passt der MGC 3130 seine Feldemissionsfrequenz automatisch an einen störungsfreien Kanal im Bereich zwischen 70 und 130 kHz an. Damit werden HF-Störungen vermieden und es steht eine äus-serst robuste Lösung bereit. Die abgestrahlte Energie ist hingegen sehr gering, d.h., die GestIC-Technologie verursacht keine Störungen in anderen Systemelementen. Dies wurde durch bestandene EMI-Tests nach IEC 61000-4-3 bestätigt. Die maximale Leistungsaufnahme des Chips beträgt 70 mW. Der Grossteil davon wird für die Auslegung, Bewertung und Klassifizierung des gestörten elektrischen Feldes verbraucht – und nicht für die Aus- sendung des elektrischen Feldes selbst.

Infoservice


Microchip Technology Inc.
Karlsruher Strasse 91, DE-75179 Pforzheim
Tel. 0049 7231 424 750, Fax 0049 7231 424 75 99 www.microchipdirect.com

Bild 1: Im Vergleich zu anderen 3D-Gesten-Techniken bietet die GestIC-Technik zahlreiche Vorteile für das industrielle Umfeld


Bild 2: Eine Hand stört das elektrische Feld – die zuvor gleichmässige Verteilung der Äquipotenziallinien und der Feldlinien hat sich deutlich verändert

Quick-Link

GestIC-Video www.polyscope.ch/2014/gestic