Utilisation de gestes pour contrôler tous les systèmes

Les tablettes et les smartphones ont contribué à vulgariser l'idée d'utiliser des mouvements pour contrôler les appareils électroniques. De nos jours, certains mouvements sont synonymes de fonctionnalités, par exemple le pincement des doigts qui permet de réduire la taille d'un objet sur un écran ou le mouvement de balayage à plusieurs doigts qui permet de passer d'une image ou d'une application à une autre. Ces mouvements simples semblent maintenant tout à fait familiers.

Grâce à leur utilisation quotidienne, les interfaces gestuelles commencent à s'installer dans d'autres domaines technologiques. Elles sont considérées comme importantes pour les applications automobiles pour lesquelles le conducteur doit contrôler des fonctions sans détourner son attention de la route. Souvent, ces interfaces gestuelles sont utilisées comme compléments aux écrans interactifs du tableau de bord. Cependant, l'un des avantages clés d'une interface gestuelle est qu'elle ne nécessite pas d'affichage visuel complexe. Les messages audibles ou les modifications de la configuration de l'éclairage d'un dispositif peuvent indiquer qu'un mouvement a été reconnu et que l'état du dispositif a changé. En conséquence, les interfaces gestuelles sont très utiles dans les dispositifs qui fournissent des informations ambiantes dans le cadre de l'Internet des objets (IoT).

Les mouvements pour les dispositifs sans interface graphique sont plus simples que ceux associés aux smartphones, qui répondent souvent aux changements du nombre de doigts utilisés. Ces interfaces plus simples sont généralement basées sur des mouvements de la main tout entière. Un mouvement de balayage vers le haut devant un panneau de capteurs peut indiquer aux systèmes de contrôle à l'intérieur de la pièce d'allumer les lumières. Un balayage horizontal peut indiquer aux commandes de chauffage d'augmenter ou de baisser la température. Un mouvement rapide du doigt peut permettre de passer à une fonction différente ou d'indiquer au système de divertissement de passer à la piste suivante.

La signification du mouvement peut alors varier en fonction du mode dans lequel se trouve le panneau de capteurs, avec éventuellement des icônes annonciatrices à LED simples ou des messages vocaux indiquant à l'utilisateur le mode actuel. Grâce à une connexion réseau aux différents systèmes à l'intérieur de la pièce, le panneau de capteurs peut contrôler de nombreuses fonctions, ce qui est l'un des avantages d'une infrastructure IoT. Les panneaux de capteurs peuvent être intégrés dans des plateaux, des commandes murales ou d'autres dispositifs électroniques tels que des haut-parleurs. Il est possible de coordonner plusieurs dispositifs avec les systèmes IoT pour assurer un contrôle pratique à différents endroits de la pièce.

Il existe plusieurs façons de détecter les mouvements, notamment les caméras et les détecteurs de proximité. Cependant, le coût constitue un problème dans les applications IoT. Les solutions basées sur une caméra nécessitent un logiciel complexe pour traiter les images, mais offrent une grande souplesse et la possibilité de reconnaître de nombreux types de mouvements.

Le capteur de champ électrique offre un coût beaucoup plus bas et un fonctionnement plus simple. Le capteur utilise des électrodes à alimentation CA pour projeter un champ électrique au-dessus de la surface d'un objet. La fréquence est choisie pour réduire au minimum le composant magnétique de l'électro-aimant. Elle crée alors un champ électrique quasi-statique qui est perturbé par un objet conducteur, comme une main, qui se déplace dans le champ.

Figure 1 : Portées de détection disponibles avec des types de capteurs standard et amplifiés.

Avec la main de l'utilisateur dans le volume de détection, les lignes du champ qui le traversent sont déviées vers le sol via le corps de l'utilisateur, ce qui déforme le champ global. L'effet réduit les niveaux de signaux des électrodes proches de la main aux niveaux inférieurs, qui sont détectés par un ensemble de capteurs. Au fur et à mesure que la main se déplace, différentes parties de l'ensemble reprennent le mouvement et communiquent les changements de potentiel à un circuit intégré de contrôleur, comme le GestIC MGC3x30 de Microchip Technology.

Figure 2 : Schéma fonctionnel du GestIC GC3030.

Le GestIC dispose d'interfaces pour cinq électrodes de réception maximum et un seul transmetteur. Les électrodes de réception et de transmission peuvent être constituées de n'importe quel matériau conducteur, par exemple des tresses en cuivre ou l'oxyde d'étain et d'indium (ITO). L'isolement entre les électrodes peut être constitué de n'importe quel matériau non conducteur, notamment le FR4 (utilisé dans les cartes à circuit imprimé), le verre ou le plastique. Toute couche supplémentaire (facultative) au-dessus de l'électrode doit également être non conductrice. L'électrode de transmission est placée sous le réseau de composants électroniques de réception.

La conception permet de choisir des capteurs standard ou amplifiés. Les capteurs standard conviennent aux dispositifs compacts souvent alimentés par batterie et dont la connexion à la terre est faible. Avec une tension de transmission plus élevée, le capteur amplifié convient aux dispositifs plus grands reliés à la terre, notamment ceux qui nécessitent une portée de détection plus vaste. Dans le cadre d'une configuration avec capteur standard, une connexion à la terre offre une portée de détection plus vaste, généralement jusqu'à 100 mm contre 50 mm pour un dispositif non relié à la terre et alimenté par batterie. La forme du capteur peut être approximativement carrée ou circulaire, avec un rapport largeur/hauteur n'excédant pas 1:3.

Le matériel GestIC reconnaît le centre de gravité électrique de la main humaine et peut suivre ce point lors de son déplacement dans la portée du capteur. La position XY de la main de l'utilisateur est repérée par quatre des électrodes du capteur. La cinquième connexion peut servir de bouton ou d'électrode centrale pour reconnaître un simple mouvement semblable au fait d'appuyer sur un bouton.

Pour faciliter l'intégration dans le système, le dispositif GestIC contient son propre microprogramme de traitement des mouvements qui est stocké dans une mémoire Flash interne. Ce microprogramme inclut la bibliothèque Colibri Suite d'algorithmes de traitement numérique des signaux (DSP), basée sur des modèles Markov cachés qui exécutent des fonctions telles que la détection d'approche, le suivi de position et la reconnaissance de mouvement. Il existe également des fonctions pour transférer des mises à jour d'état vers un microcontrôleur hôte à l'aide d'une interface basée sur des messages ainsi que des fonctions de gestion des mises à jour du microprogramme.

La communication entre le microcontrôleur et le MGC3X30 s'effectue à l'aide d'une interface série à deux fils compatible avec I²C. Cela permet au microcontrôleur de lire les données du capteur et d'envoyer des messages de commande à la puce. Une broche d'adresse est disponible pour sélectionner jusqu'à deux dispositifs MGC3X30 sur le même bus. Le microprogramme GestIC met à jour les lectures des capteurs à une vitesse de 5 ms par défaut, en mettant à jour à chaque fois le tampon de message de port série et en récupérant une ligne d'état de transfert (TS) inférieure pour indiquer qu'une nouvelle lecture est disponible.

Un certain nombre de paramètres d'exécution peuvent être définis par l'hôte, notamment les types de mouvements que le dispositif GestIC doit détecter. La commande 0xA2 pour Set_Runtime_Parameter utilise un masque binaire pour filtrer les types de mouvements indésirables. La désactivation de certains mouvements peut aider à améliorer la probabilité de reconnaissance des autres mouvements, ce qui renforce l'ergonomie des interfaces de commande simples. Les mouvements qui peuvent être reconnus par le GestIC sont les mouvements rapides le long des axes cartésiens et les mouvements circulaires dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Figure 3 : Types de mouvements reconnus par la solution GestIC et utilisations potentielles.

Le microprogramme GestIC fournit en outre des mises à jour de la position de la main au fur et à mesure qu'elle se déplace dans le champ du capteur, et elles sont générées avec les mises à jour de mouvements. D'autres informations incluent des événements tactiles assistés par l'inclusion de la cinquième électrode et des données AirWheel. Le système AirWheel fonctionne de la même manière que la molette de défilement des anciens lecteurs de musique portables, mais en effectuant le mouvement au-dessus de la surface du dispositif.

Pour faciliter la tâche des ingénieurs qui développent des logiciels pour le microcontrôleur hôte, Microchip a conçu une API basée sur le langage C et soutenue par un code de référence. L'API gère les fonctions pour manipuler le tampon des messages, décoder les masques binaires des messages dans les structures en C et gérer les événements. Ces fonctions découplent le microcontrôleur hôte du protocole de bas niveau et des contraintes de synchronisation associées. Pour soutenir la conception, un deuxième ensemble logiciel, Aurea, s'exécute sur un ordinateur Windows. Le logiciel interprète les messages envoyés par le GestIC et fournit une représentation visuelle des mouvements et des données de position. En utilisant Aurea, les développeurs peuvent optimiser les paramètres de détection et les configurations pour mieux prendre en charge l'application cible. Un kit de développement fournit un pont I²C USB pour offrir un support de prototypage pour le développement de capteurs et de logiciels.

Conclusion

Grâce à sa combinaison de composants matériels à faible coût basés sur la détection de champ électrique et à son infrastructure de support d'outils logiciels et de microprogrammes, le GestIC MGC3x30 constitue une solution efficace pour créer des interfaces intuitives dans une large gamme de dispositifs compatibles avec l'IoT.