[发明专利]一种用于手势识别的电容数据采集装置及其手势识别方法

权利要求书

1.一种用于手势识别的电容数据采集装置，包括电容信号采集器和采集电路；其特征在于：所述的电容信号采集器包括金属箔、基板和隔离板；所述的金属箔固定在基板与隔离板之间；所述的采集电路包括主控模块、电源模块和电容传感模块；所述的电源模块通过稳压芯片为主控模块供电；

所述的主控模块包括单片机、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一电阻R1、第二电阻R2、第一按键开关S1、第一晶振Y1和第二晶振Y2；单片机的复位引脚接第一电容C1、第一电阻R1及第一按键开关S1的一端；第一电容C1及第一按键开关S1的另一端均接地；第一电阻R1的另一端接电源模块的供电输出端；单片机的VDD引脚接电源模块的供电输出端，VSS引脚接地；单片机的两个外部晶振引脚与第一晶振Y1的两端分别相连，并与第二电容C2、第三电容C3的一端分别相连；第二电容C2及第三电容C3的另一端均接地；单片机的两个第二外部晶振引脚与第二电阻R2的两端分别相连，与第二晶振的两端分别相连，且与第四电容C4、第五电容C5的一端分别相连；第四电容C4及第五电容C5的另一端均接地；

所述的电容传感模块包括电容传感器；所述电容传感器的SCL引脚接第四电阻R4的一端，SDA引脚接第三电阻R3的一端；第三电阻R3的另一端接单片机的第一I/O口；第四电阻R4的另一端接单片机的第二I/O口；电容传感器的PAD、GND、ADDR、SD及CLKIN引脚均接地，VDD引脚接第六电容C6、第七电容C7的一端及外部输入+5V电压；第六电容C6、第七电容C7的另一端均接地；电容传感器的IN0A引脚接第一电感L1及第八电容C8的一端，IN0B引脚接第一电感L1及第八电容C8的另一端；电容传感器的IN0A引脚作为电容传感模块的信号输入端，与金属箔电连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于手势识别的电容数据采集装置，其特征在于：所述的电源模块包括稳压芯片、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11和第十二电容C12；稳压芯片的型号为AMS111；稳压芯片的VCC引脚接第九电容C9的正极、第十电容C10的一端及外部输入+5V电压VCC，OUT引脚接第十一电容C11的正极及第十二电容C12的一端；稳压芯片的GND引脚、第九电容C9、第十一电容C11的负极、第十电容C10及第十二电容C12的另一端均接地；稳压芯片的OUT引脚为电源模块的供电输出端。

3.根据权利要求1所述的一种用于手势识别的电容数据采集装置，其特征在于：所述的采集电路还包括LCD显示屏；所述LCD显示屏的型号为LCD12864；LCD显示屏的1及20引脚均接地，2及19引脚接外部输入5V电压，4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、17引脚与单片机的第三I/O口至第十五I/O口分别相连。

4.根据权利要求1所述的一种用于手势识别的电容数据采集装置，其特征在于：所述的采集电路还包括按键操作模块；所述的按键操作模块包括第二按键开关S2、第三按键开关S3、第四按键开关S4、第五按键开关S5和第六按键开关S6；第二按键开关S2的一端接第九电阻R9的一端及单片机的第十六I/O口；第三按键开关S3的一端接第八电阻R8的一端及单片机的第十七I/O口；第四按键开关S4的一端接第七电阻R7的一端及单片机的第十八I/O口；第五按键开关S5的一端接第六电阻R6的一端及单片机的第十九I/O口；第六按键开关S6的一端接第五电阻R5的一端及单片机的第二十I/O口；第二按键开关S2、第三按键开关S3、第四按键开关S4、第五按键开关S5及第六按键开关S6的另一端均接地；第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8及第九电阻R9的另一端接外部输入+5V电压。

5.根据权利要求1所述的一种用于手势识别的电容数据采集装置，其特征在于：所述电容传感器U2的型号为FDC2214。

6.根据权利要求1所述的一种用于手势识别的电容数据采集装置，其特征在于：所述单片机的型号为STM32F1。

7.根据权利要求1所述的一种用于手势识别的电容数据采集装置，其特征在于：所述的金属箔采用铜箔。

8.如权利要求1所述的一种用于手势识别的电容数据采集装置的手势识别方法，其特征在于：步骤一、建立手势识别数据库，使用者将需要被识别的各个采样手势录入到数据库中；

1.1、将1赋值给i和j；

1.2、使用者用手做出第i个采样手势，并放置到隔离板上，电容传感器采集金属箔输出的m个电容数据，并将采集到的m个电容数据转换为数字信号传输主控模块；m个电容数据分别为s_ij1,s_ij2,s_ij3,......,s_ijm；进入步骤1.3；

1.3、若i＜l，且j＜n，则将j增大1，并执行步骤1.2；若i＜l，且j＝n，则将i增大1，并将1赋值给j，并重复执行步骤1.2；若i＝l，且j＝n，则进入行步骤1.4；l为需要输入的手势个数，n为每个手势的重复放置次数1≤n≤20；

1.4、将步骤1.1至1.3得到的电容数据整合为手势样本数据集S；

步骤二、对手势样本数据集S内所有的元素进行归一化处理，得到归一化手势数据集S_nor；

其中，i＝1,2,…,l；j＝1,2,…,n；k＝1,2,…,m；s_max为手势样本数据集S内数值最大的元素；s_min为手势样本数据集S内数值最小的元素；

步骤三、对归一化手势数据集S_nor内的元素进行均值化处理，得到均值化手势数据集S_ave；

S_ave＝{{s_ave,11,s_ave,12,s_ave,13,......,s_ave,1m},{s_ave,21,s_ave,22,s_ave,23,......,s_ave,2m},......,{s_ave,l1,s_ave,l2,s_ave,l3,......,s_ave,lm}}

其中，i＝1,2,…,l；k＝1,2,…,m；

步骤四、将归一化手势数据集S_nor内的l·m个元素按照从小到大的顺序依次排序；

步骤五、取归一化手势数据集S_nor的中间元素作为汇聚元素；一个含有z个元素的集合的中间元素为该集合的第个元素；为0.5×z向上取整所得值；汇聚元素将归一化手势数据集S_nor分隔为两个第一中间集合；将1赋值给a；

步骤六、将所有第a中间集合的中间元素均作为第a+1中间元素；第a+1中间元素称为对应的第a中间元素的子元素；在同一个第a中间集合内两个第a+1中间元素互为兄弟元素；

若一个第a中间集合内的元素个数大于或等于5，对应的第a+1中间元素将该第a中间集合分割为两个第a+1中间集合；

若一个第a中间集合内的元素个数等于4，对应的第a+1中间元素将该第a中间集合分割为一个终端元素和一个第a+1中间集合；该终端元素为对应第a+1中间元素的子元素；

若一个第a中间集合内的元素个数等于3，对应的第a+1中间元素将该第a中间集合分割为两个终端元素；该两个终端元素均为对应第a+1中间元素的子元素；

若一个第a中间集合内的元素个数等于2，该第a中间集合内除第a+1中间元素外的那个元素为终端元素；该终端元素为对应第a+1中间元素的子元素；

进入步骤七；

步骤七、若第a+1中间集合存在，则将a增大1，并重复执行步骤六；否则，进入步骤八；

步骤八、使用者将手做成一个待识别的手势，并将手贴合到放置板上；将金属箔输出的多个被识别电容数据取均值，得到被识别电容平均数据x′；

步骤九、计算步骤四检测出的被识别手势归一化值x_nor；

步骤十、将汇聚元素作为第一目标元素g₁，并加入纵向筛选集合G；将1赋值给b，并进入步骤十一；

步骤十一、对比第b目标元素g_b与被识别手势归一化值x_nor的大小；若x_nor小于第b目标元素g_b的值，则将第b目标元素g_b的两个子元素中较小的那个子元素作为第b+1目标元素g_b+1；否则，则将作为第b目标元素g_b的两个子元素中较大的那个子元素作为第b+1目标元素g_b+1；

将第b+1目标元素g_b+1加入纵向筛选集合G，进入步骤十二；

步骤十二、若第b+1目标元素g_b+1存在两个子元素，则将b增大1并执行步骤十一；若第b+1目标元素g_b+1存在一个子元素，则第b+1目标元素g_b+1的子元素作为第b+2目标元素g_b+2，加入纵向筛选集合G，并进入步骤十三；若第b+1目标元素g_b+1不存在子元素，则直接进入步骤十三；

步骤十三、计算纵向筛选集合G内所有元素与被识别手势归一化值x_nor的欧式距离d_v，v＝1,2,…,c；c为纵向筛选集合G的元素个数；

其中，g_v为纵向筛选集合G内第v个元素；

步骤十四、取d₁、d₂、...、d_c中的最小值d′_min；d′_min对应的那个纵向筛选集合G内的元素作为第一候选元素；若第一候选元素不存在兄弟元素，则使用者做成的待识别的手势与第一候选元素在均值化手势数据集S_ave中对应的那个采样手势相同，手势识别结束；

若第一候选元素存在兄弟元素，则将第一候选元素的兄弟元素作为第二候选元素，并计算第二候选元素与被识别手势归一化值x_nor的的欧式距离d′_m′_in；g′为第二候选元素；进入步骤十五；

步骤十五、对比d′_min与d″_min；若d′_min＜d″_min，则使用者做成的待识别的手势与第一候选元素在均值化手势数据集S_ave中对应的那个采样手势相同，手势识别结束；若d′_min≥d″_min，则使用者做成的待识别的手势与第一候选元素在均值化手势数据集S_ave中对应的那个采样手势相同，手势识别结束。