[发明专利]基于超声波信号的非接触式无训练手势识别装置及方法

权利要求书

1.一种基于超声波信号的非接触式无训练手势识别装置，其特征在于，包括扬声器、麦克风阵列和树莓派，所述扬声器与麦克风阵列作为超声波收发信号紧贴在一起，所述扬声器与麦克风阵列与树莓派通信连接，所述树莓派用于控制扬声器发射信号，用于控制麦克风阵列接收信号，并采用其内部存储的无训练手势识别方法对接收信号进行处理，对手势进行识别。

2.一种基于基于超声波信号的非接触式无训练手势识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

树莓派控制扬声器发射超声波信号，同时用麦克风阵列接收音频信号，并将接收到音频信号传送至树莓派，树莓派采用其内部存储的无训练手势识别方法对接收到的音频信号进行处理，以识别出音频信号中的手势信息，所述手势识别方法具体如下：

步骤a：过滤掉接收信号中含有的环境中的噪声，保留发射信号的频率范围，然后消除扬声器的系统延迟，使接收信号与发射信号时钟同步，最后使用背景减除来消除环境干扰，以放大手部反射信号；所述接收信号为麦克风阵列接收到的音频信号，所述发射信号为扬声器发射的超声波信号；

步骤b：对步骤a处理后得到的接收信号进行上采样，并与增强虚拟发射信号相乘，利用接收信号的整个带宽，提高信号的感知精度，得到含有清晰的手部反射信号的混合信号；

步骤c：通过距离-角度联合估计算法对步骤b得到的含有清晰的手部反射信号的混合信号进行处理，以追踪手部运动轨迹；

步骤d：采用交互多模型卡尔曼滤波优化步骤c得到的手部运动轨迹，提高手部追踪定位角度的精确度；

步骤e：采用无需训练的手势分类算法对优化后的手部运动轨迹进行识别，即对手势进行识别。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波信号的非接触式无训练手势识别方法，其特征在于，所述步骤a中发射信号为周期0.08s，17-23KHz的啁啾信号，接收信号的采样率为48KHz，接收信号和发射信号时钟同步并消除环境干扰的方法如下：

1)对接收信号去除低频噪声；

2)对接收信号和发射信号执行互相关，并搜索对应于最大峰值的滞后点，该滞后点被设定为信号传输的开始时间点；

3)接收信号与发射信号同步收后，首先在没有目标时测量环境信号，然后将其从感知信号中去除，以放大手部反射信号。

4.根据权利要求2所述的一种基于超声波信号的非接触式无训练手势识别方法，其特征在于，所述步骤b具体包括以下步骤：

1)增强传输信号：在树莓派中将虚拟发射信号的参数：扫描时间、频带和采样率分别设定为0.12s、17kHz-26kHz和96000Hz，得到增强的虚拟发射信号，以使得增强的虚拟发射啁啾能够覆盖整个接收啁啾，从而增加混合信号的有效信息；

2)对步骤a处理后得到的接收信号以2为因子上采样，并与增强的虚拟发射信号相乘，得到混频信号；

3)将同相和正交分量以2为因子对步骤2)得到的混频信号进行下采样，并获得增强的混合信号，得到含有清晰的手部反射信号的混合信号。