基于二維MEMS超聲相控陣的手勢(shì)識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、針對(duì)大多數(shù)可穿戴手勢(shì)識(shí)別設(shè)備使用不便以及激光、攝像頭等容易受到光照影響識(shí)別方法的局限性，本文研究了一種利用二維MEMS超聲陣列進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別的方法，該方法不僅不受光照的影響，也避免了穿戴復(fù)雜的穿戴設(shè)備。
　　基于單個(gè)活塞式陣元的聲場(chǎng)特性建立了二維平面超聲相控陣的聲場(chǎng)模型。分析了陣元大小、陣元間距、陣元個(gè)數(shù)對(duì)聲場(chǎng)特性影響，確定了二維面陣的發(fā)射和接收陣列的陣元大小、陣元間距、陣元個(gè)數(shù)等參數(shù)；利用交錯(cuò)排布發(fā)射和接收陣列的雙向輻射效應(yīng)優(yōu)化了

2、陣元間距，抑制了陣列柵瓣，改善了陣列掃描范圍。發(fā)射和接收陣列的陣元半徑分別為2mm和0.32mm；陣元個(gè)數(shù)分別為2×4和15×15；結(jié)合實(shí)際陣元大小，x方向的陣元間距分別為11.25mm和7.50mm；y方向的陣元間距分別為15.70mm和7.85mm；接收陣列無(wú)柵瓣仰角范圍為-34°~34°。
　　針對(duì)信息論準(zhǔn)則不能正確估計(jì)相干信源個(gè)數(shù)的問(wèn)題，利用空間平滑算法對(duì)相干信號(hào)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行空間平滑，再結(jié)合信息論準(zhǔn)則對(duì)平滑后協(xié)方差矩陣

3、的特征根等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用最小準(zhǔn)則值進(jìn)行信源數(shù)估計(jì)。比較了不同準(zhǔn)則在不同信噪比時(shí)的誤差，對(duì)于本文設(shè)計(jì)陣列，采用Hannan-Quinn（HQ）準(zhǔn)則的估計(jì)性能更好。同時(shí)還比較了不同陣元間距安裝誤差對(duì)HQ準(zhǔn)則估計(jì)誤差的影響，結(jié)果表明容許的安裝誤差為?1mm~1mm時(shí)，對(duì)信源數(shù)估計(jì)影響較小，信源數(shù)估計(jì)誤差約為1，而無(wú)陣元間距安裝誤差時(shí)的估計(jì)誤差約為0.1。
　　采用Unitary-ESPRIT算法進(jìn)行手勢(shì)采樣點(diǎn)的方向角估計(jì)，并結(jié)合空間

4、平滑方法對(duì)二維面陣的Unitary-ESPRIT算法進(jìn)行改進(jìn)，利用空間平滑后的接收信號(hào)協(xié)方差矩陣代替接收信號(hào)矩陣，解決了Unitary-ESPRIT算法不能處理相干源的問(wèn)題。對(duì)改進(jìn)后算法在不同陣元間距安裝誤差時(shí)的估計(jì)效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在容許的安裝誤差為-1mm~1mm時(shí)，對(duì)方向角估計(jì)影響較小，誤差約為1.6°，無(wú)陣元安裝誤差時(shí)的誤差約為0.2°。對(duì)改進(jìn)前的Unitary-ESPRIT算法和改進(jìn)后算法進(jìn)行估計(jì)性能對(duì)比分析，結(jié)果表明改

5、進(jìn)后算法能很好地識(shí)別相干源。將改進(jìn)后算法與MUISC算法在仰角和方位角分辨率、誤差、算法耗時(shí)等方面進(jìn)行性能仿真對(duì)比分析，在CPU為 Pentium Dual-Core E6300、內(nèi)存為2G的計(jì)算機(jī)上仿真表明改進(jìn)后算法性能高于MUSIC算法，其仰角和方位角分辨率分別可達(dá)1°和4°左右，響應(yīng)時(shí)間在0.6s左右，最大可估計(jì)仰角范圍為-33°~33°。
　　設(shè)計(jì)了一種利用信源估計(jì)區(qū)分度和微元思想進(jìn)行手勢(shì)采樣點(diǎn)分割，并構(gòu)造原始手勢(shì)仿真信號(hào)