Conception d'un système de détection gestuelle économique pour les applications automobiles et industrielles

L'interface homme-machine (IHM) est un composant clé dans pratiquement toutes les applications industrielles et automobiles. Avec l'évolution de la complexité des interactions, les conceptions de commutateurs traditionnelles ne sont plus adaptées à de nombreux environnements : elles sont contre-intuitives et distraient l'opérateur d'autres tâches telles que le contrôle d'une machine ou la conduite d'un véhicule.

Bien qu'il existe de nombreuses options pour le contrôle basé sur les mouvements, les concepteurs sont confrontés à l'équilibrage des performances et de la précision avec les coûts, la simplicité et la consommation d'énergie.

Cet article traite des composants nécessaires à un système de contrôle des mouvements basé sur la technologie de détection infrarouge. Il présente également une carte d'évaluation de capteurs à faible coût et le logiciel associé pour faciliter le développement rapide et réduire les délais de commercialisation.

Applications de détection sans contact

La toute première application quotidienne de détection sans contact consistait à détecter l'approche d'un objet et à déclencher une réponse appropriée. Les portes automatiques, les distributeurs de savon, les lampes de terrasse et les séchoirs à main utilisent tous des capteurs sans contact comme entrées.

Les capteurs de proximité dans ces systèmes agissent comme des commutateurs pour fournir une sortie numérique d'activation ou de désactivation, tandis que la détection de mouvements permet à l'utilisateur d'utiliser des mouvements tridimensionnels pour contrôler le système de manière intuitive.

Le contrôle de mouvements permet également à l'utilisateur de faire des changements dans un champ actif étendu, ce qui permet de remplacer les mouvements subtils par des mouvements plus grossiers. Cette fonctionnalité est une caractéristique clé dans les systèmes de jeux vidéo qui utilisent la technologie de détection de mouvements pour détecter des mouvements complexes liés au sport ou pour suivre plusieurs joueurs.

Technologie infrarouge de détection de mouvements

Les systèmes de jeux vidéo utilisent des lasers et des caméras spécialisées pour détecter l'activité des utilisateurs, mais ils sont trop compliqués et trop coûteux pour de nombreuses applications, comme les automobiles. Ici, changer de station radio, par exemple, ne nécessite qu'un simple mouvement de la main vers la gauche ou la droite (Figure 1). De même, il est possible d'ajuster le volume en faisant un mouvement de balayage vers le haut ou vers le bas, ou un mouvement vers l'avant ou l'arrière.

Figure 1 : Un système de détection de mouvements utilise des mouvements intuitifs pour simplifier le contrôle de la machine. (Source de l'image : BBC/BMW)

Grâce à sa capacité à détecter une variété de mouvements simples à faible coût, la technologie de détection infrarouge (IR) convient parfaitement à de nombreuses applications industrielles, grand public et automobiles (Figure 2). Le matériel comprend deux diodes infrarouges (IRED) placées sur le tableau de bord à une distance spécifiée l'une de l'autre, avec un détecteur à mi-chemin.

Figure 2 : Un simple système de détection infrarouge de mouvements utilisant deux diodes infrarouges et un dispositif de détection situé entre les deux. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Le modèle de rayonnement de chaque émetteur IR est hautement directionnel. Lors du passage d'une main devant un émetteur, le rayonnement réfléchi mesuré par le capteur de détection présente une pointe correspondante. Lorsque l'opérateur déplace la main de gauche à droite, le signal de l'émetteur gauche (noir) augmente et diminue avant celui de l'émetteur droit (vert) et inversement pour un mouvement de droite à gauche.

Le capteur envoie les données à un microcontrôleur qui contient un logiciel pour analyser la variation de la puissance du signal au fil du temps afin de déterminer si un mouvement de balayage a été effectué et, dans l'affirmative, dans quelle direction il a été effectué.

Exemple de conception de détection de mouvements

Un circuit typique d'application de détection de mouvements ajoute un troisième émetteur IR au système de base, ce qui lui permet de détecter les mouvements vers le haut ou le bas et vers la gauche ou la droite (Figure 3).

Figure 3 : Une conception de détection de mouvements avec trois émetteurs peut détecter à la fois les mouvements vers le haut ou le bas et vers la gauche ou la droite. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Le cœur du système est composé du capteur de lumière ambiante et infrarouge VCNL4035X01 de Vishay Semiconductor, qui fonctionne sur une seule alimentation de 2,5 V à 3,6 V. Le circuit intégré spécifique à l'application (ASIC) comprend des circuits d'attaque pour trois émetteurs infrarouges externes, une photodiode interne pour recevoir les sorties réfléchies, ainsi que des circuits pour traiter le signal de la photodiode. Une interface série I²C standard communique avec un microcontrôleur externe qui analyse les données pour décoder le mouvement.

Figure 4 : Le VCNL4035 peut commander jusqu'à trois émetteurs infrarouges externes et comprend un capteur de lumière ambiante interne. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Pour économiser de l'énergie et réduire la surcharge de traitement, le VCNL4035 est muni d'une broche d'interruption programmable qui peut activer le microcontrôleur lorsqu'un mouvement ou un changement de lumière ambiante se produit, ce qui élimine le besoin de sondage continu.

Le VCNL4035X01 présente un boîtier miniature de 4,0 mm x 2,36 mm sans sorties (LLP) d'une hauteur de 0,75 mm, ce qui lui permet de s'adapter aux smartphones, aux appareils photo numériques, aux tablettes et à d'autres applications où il existe des contraintes d'espace.

Figure 5 : Réponse spectrale normalisée des capteurs dans la photodiode infrarouge VCNL4035 (a) et le capteur de lumière ambiante (b). La réponse de l'œil humain est illustrée à des fins de comparaison. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Pour déterminer le sens du mouvement, le logiciel doit pouvoir différencier les sorties de la diode infrarouge pour pouvoir les comparer. En mode de détection de mouvements, le VCNL4035 commande de manière séquentielle les diodes infrarouges dans une succession rapide, puis indique au microcontrôleur de lire les registres internes contenant les trois sorties de photodiode de 16 bits. La puissance d'attaque du courant, le temps de commande et le délai entre les séries successives de mesures sont tous sélectionnables par l'utilisateur.

Le capteur de lumière ambiante reçoit la lumière visible et la convertit en une valeur CAN 16 bits. Le capteur de lumière ambiante du VCNL4035 affiche une sensibilité maximale de 540 nm et une bande passante de 430 nm à 610 nm, ce qui correspond étroitement aux caractéristiques de l'œil humain.

Exigences relatives à la diode infrarouge

La sortie des diodes infrarouges doit correspondre à la réponse de sensibilité de la photodiode du VCNL4035 pour assurer les meilleures performances possibles. Avec une longueur d'onde de crête (λ_P) de 940 nm, la série d'émetteurs VSMY2940RG de Vishay Semiconductor convient parfaitement à cet effet. Ces émetteurs sont basés sur la technologie de puces à émetteur de surface GaAlAs. Ils fournissent une intensité de rayonnement typique de 880 milliwatts par stéradian (mW/sr) à un courant direct de 1 A en mode de fonctionnement par impulsions (t_p = 100 μS).

De plus, les dispositifs ont un modèle de rayonnement très directionnel, essentiellement à un angle de faisceau de ±10° (Figure 6).

Figure 6 : L'émetteur infrarouge VSMY2940RG de Vishay offre une intensité rayonnante relative très limitée par rapport à la courbe de déplacement angulaire. Il est donc adapté aux applications de détection de mouvements. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Considérations relatives à la conception de détection de mouvements

Le concepteur d'un système de détection de mouvements doit prendre en compte un certain nombre de compromis avant de déterminer la conception optimale. L'un d'entre eux concerne la plage de détection par rapport à la consommation de courant. Un autre est lié au placement de la diode infrarouge.

L'augmentation de la distance à laquelle un mouvement peut être détecté implique d'augmenter la puissance de sortie des diodes infrarouges, qui dépend du courant direct associé. En conséquence, la consommation d'énergie va augmenter, ce qui n'est pas souhaitable dans les dispositifs alimentés par batterie. Une puissance supérieure augmente également la quantité de chaleur à dissiper, ce qui peut augmenter la taille de la conception.

Dans la conception abordée précédemment, un courant d'attaque de la diode infrarouge de 200 mA donne une intensité de rayonnement typique de 200 mW/sr, ce qui permet de détecter des mouvements de la main jusqu'à 40 cm du capteur.

Pour le placement des diodes infrarouges, le nombre de diodes externes et leur positionnement dépendent des besoins de l'application spécifique. La distance entre les diodes infrarouges et le capteur peut être de quelques millimètres pour une simple application de proximité ou pour détecter un petit mouvement comme celui du doigt.

Un plus grand écart entre le capteur et les diodes infrarouges offre des avantages dans la détermination du sens d'un balayage de la main plus éloigné. Des tests empiriques permettent d'atteindre la distance optimale.

Logiciel de détection de mouvements

Il existe plusieurs méthodes pour déterminer le mouvement voulu en utilisant les sorties du VCNL4035. Une méthode simple consiste à définir un seuil minimal pour la détection d'un objet. Un front de montée qui dépasse le seuil indique qu'une main s'approche de la diode infrarouge, et un front de descente indique que la main a quitté la zone de détection de la diode infrarouge.

Avec deux diodes infrarouges, l'ordre des événements indique un éventuel mouvement de balayage vers la gauche ou la droite. Cette méthode analyse le résultat de chaque cycle de mesure de manière isolée et nécessite peu de ressources du processeur.

Une approche à calcul plus intensif analyse les données de plusieurs ensembles (trames) de mesures. L'algorithme calcule deux quantités pour chaque trame : l'écart type de chaque signal par rapport à son ensemble d'échantillons respectif et le délai entre les signaux gauche-droite. En comparant les résultats aux seuils définis par l'utilisateur, l'algorithme peut indiquer quel type de mouvement s'est produit.

L'écart type s est une mesure de la diffusion des données au sein de la trame analysée. Il est calculé selon la formule suivante :

Dans cette formule, x̄ est la moyenne de la trame actuelle et n est le nombre d'échantillons analysés.

Un écart type élevé implique un changement de signal important, suggérant le mouvement de la main devant ou vers un capteur.

En revanche, un faible écart type implique qu'il y a peu ou pas de changement dans le signal, ce qui signifie qu'il n'y a pas de main dans la zone de détection du capteur ou que la main ne fait pas de mouvement. Un délai suffisamment important entre les signaux signifie qu'un geste de balayage a été réalisé. Ce calcul permet également d'estimer le délai avec un algorithme de corrélation croisée qui calcule le chevauchement entre les deux signaux.

Commencer rapidement avec un kit de démarrage de capteur

Le kit de démarrage de capteur VCNL4020 de Vishay est un moyen simple de démarrer avec une conception infrarouge de détection de mouvements. Le kit inclut une clé USB, une carte de démonstration de mouvement plug-in VCNL4020 et un mini-CD contenant le pilote USB et le logiciel.

Le VCNL4020 en lui-même est un capteur intégré de proximité et de lumière ambiante avec émetteur infrarouge interne. Sur la carte de démonstration, le VCNL4020 commande également une diode infrarouge externe pour assurer une séparation spatiale accrue si nécessaire.

Figure 7 : Le kit de démarrage de capteur VCNL4020 de Vishay fournit les éléments matériels et logiciels nécessaires pour commencer le développement d'une application de détection de mouvements. Il s'agit du point de départ par défaut de Vishay, compatible avec une variété de cartes d'extension pour différents capteurs Vishay. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

La clé USB permet d'établir une communication I²C-USB entre la carte de démonstration et un PC hôte. Elle contient la solution CY768013A de Cypress Semiconductor, un circuit ASIC qui combine un microcontrôleur 8051 amélioré et un émetteur-récepteur USB 2.0 monopuce intégré. Elle comprend également un régulateur 3,3 V, ainsi que le MCP3421 de Microchip Technology, un convertisseur analogique-numérique (CAN) Sigma-Delta à une entrée de 18 bits, pour fournir une entrée analogique supplémentaire.

La clé USB sert de base pour d'autres cartes de démonstration de capteurs VCNL, qui sont toutes disponibles gratuitement auprès de Vishay, notamment la carte de démonstration VCNL4035. Cette carte est particulièrement intuitive, car elle comprend un ensemble de LED indiquant le sens d'un mouvement.

Le logiciel de développement sur le CD inclus avec la carte VCNL4035 met en œuvre les algorithmes d'écart type et de détection de corrélation croisée abordés précédemment.

Le logiciel permet à l'utilisateur de modifier les paramètres clés de l'acquisition de données et de l'algorithme de détection. Il est possible d'ajuster de nombreux paramètres pour affiner les performances du système, notamment les suivants :

• Fréquence de mesure des données
• Temps d'échantillonnage des mesures
• Seuil de détection haut/bas
• Seuil de détection gauche/droite
• Pente de seuil
• Seuil d'écart type

Figure 8 : Écran de détection de mouvements utilisant une interface utilisateur graphique LabVIEW pour le VCNL4035, montrant les résultats d'un mouvement de gauche à droite. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Le kit de démarrage comprend une interface utilisateur graphique (GUI) qui fonctionne sur la plateforme de programmation populaire LabVIEW de National Instruments. L'écran de détection de mouvements affichant les résultats d'un mouvement de gauche à droite est illustré à la Figure 8. La diode infrarouge de gauche (rouge) s'active en premier, suivie par celle du milieu (verte), puis celle de droite (bleue).

Pour les développeurs novices dans l'environnement LabVIEW, le pack LabVIEW Home Bundle de Digilent offre la possibilité de démarrer au coût le plus bas.

Conclusion

Un système de détection infrarouge de mouvements peut répondre à de nombreux défis liés aux interfaces homme-machine (IHM). Sa combinaison d'éléments matériels économiques et d'éléments logiciels sophistiqués peut détecter de nombreux mouvements de la main qui sont courants dans les applications industrielles, automobiles et grand public.

Vishay propose une variété de composants optoélectroniques et de kits de démarrage qui aident les développeurs à concevoir rapidement un système de détection de mouvements basé sur une IHM. L'interface utilisateur graphique LabVIEW simplifie également le développement et permet de mieux gérer les compromis de conception.