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超音波傳感器顛覆人機(jī)互動(dòng)
來(lái)源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2017/4/27


  如今,動(dòng)作(任天堂Wii)、觸控(Apple iPhone)以及語(yǔ)音(Amazon Alexa)等互動(dòng)方式已經(jīng)過(guò)時(shí)了,更酷炫、更有賺頭且“免觸控”(touchless)的新一代用戶接口 (UI)正成為消費(fèi)設(shè)備的新寵。


  正如Chirp Microsystems首席執(zhí)行官M(fèi)ichelle Kiang在MWC展會(huì)上所說(shuō)的,“重要的消費(fèi)電子突破總是由UI革命觸發(fā)的。” 



  Chirp推出一款單芯片超音波飛行時(shí)間(ToF)傳感器,讓用戶無(wú)需觸控屏幕就能和可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)互動(dòng),甚至是無(wú)屏幕的設(shè)備。


  盡管Kiang并未表示基于超音波感測(cè)的“免觸控”互動(dòng)將取代其它現(xiàn)有UI,但她認(rèn)為這將為可穿戴設(shè)備、擴(kuò)增實(shí)境/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)、智能手機(jī)甚至汽車提供另一種互動(dòng)形式。


  技術(shù)傳承自學(xué)術(shù)研究


  Chirp Microsystems是一家位于加州伯克利的新創(chuàng)企業(yè),目前共有15名員工,在今年的MWC推出該公司首款針對(duì)可穿戴設(shè)備開(kāi)發(fā)的高精確、低功耗超音波感測(cè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。


  許多穿戴式產(chǎn)品(如智能手表)的屏幕尺寸通常都很有限,用戶經(jīng)常苦于其“手指太粗”。Kiang說(shuō),只要在智能手表中嵌入MEMS超音波ToF傳感器,無(wú)論用戶的手指粗細(xì),都不必再觸控屏幕,只需利用手勢(shì)即可控制手表的功能。


  穿戴式腕帶或許是更好的說(shuō)明范例。目前的腕帶基本上并沒(méi)有空間配備屏幕,無(wú)法直接與穿戴者互動(dòng)。但是,Kiang表示,如果腕帶或指環(huán)中搭載了夠精巧的超音波ToF傳感器,這些流行的穿戴式腕帶馬上就能和用戶實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)了!


  Chirp的ToF傳感器采用類似MEMS麥克風(fēng)的3.5 x 3.5 mm LGA封裝,以1.8V的單電源運(yùn)作。該設(shè)備并配備I2C接口,十分易于整合于消費(fèi)電子產(chǎn)品中。


  MEMS與混合信號(hào)CMOS ASIC


  Chirp不僅開(kāi)發(fā)MEMS超音波轉(zhuǎn)換器,還為其搭配一款混合信號(hào)CMOS ASIC,并將二者整合在單一系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)中。



  這款ToF傳感器的板載微處理器可為喚醒感測(cè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)永不斷線(always-on)的運(yùn)作。據(jù)該公司介紹,該組件采用了范圍大于1m的脈沖回波感測(cè),而在1Hz采樣率為時(shí)功耗僅9uA。


  這款MEMS超音波傳感器的突破性微型化設(shè)計(jì),是由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)和戴維斯分校(UC Davis)的研究人員和工程師共同開(kāi)發(fā)的,此后成為新創(chuàng)公司Chirp在2014年成立的基礎(chǔ)。


  相關(guān)IP和主要的研究人員都已經(jīng)從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)至Chirp工作了。該研究團(tuán)隊(duì)成員包括UC Davis機(jī)械與航空工程教授David Horsley,以及UC Berkeley和UC Davis的博士研究生和博士后研究員等。目前,Horsley是Chirp公司首席技術(shù)官。


  除了可穿戴設(shè)備,Chirp的ToF傳感器瞄準(zhǔn)的另一個(gè)重要市場(chǎng)是AR/VR應(yīng)用。目前,Chirp已能為特定客戶提供其VR/AR超音波感測(cè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)了。但Kiang并未透露這些客戶名單,僅暗示是大公司。


  目前的高階AR/VR系統(tǒng)都局限于一個(gè)基地臺(tái)或受限于規(guī)定的空間內(nèi)。這是因?yàn)楦郊釉O(shè)備(如攝影機(jī)系統(tǒng)或磁傳感器系統(tǒng)等)都必須安裝在這些有限的空間內(nèi),才能為VR/AR頭戴式設(shè)備中的慣性測(cè)量單元(IMU)校正漂移,從而為用戶帶來(lái)更好的追蹤體驗(yàn)。 20170412_chirp_NT31P1P3Kiang展示了一款微型化的MEMS超音波傳感器,如今已能輕易地嵌入于AR/VR頭戴式設(shè)備中。由于追蹤系統(tǒng)能夠隨用戶移動(dòng),從而為用戶提供360度的身歷其境體驗(yàn)。


  Chirp的超音波傳感器可在AR/VR環(huán)境支持6個(gè)自由度的控制器或輸入設(shè)備,實(shí)現(xiàn)“由內(nèi)而外的追蹤”。


  3D感測(cè)


  基于光學(xué)(主要是攝影機(jī))的系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于目標(biāo)追蹤了。但是,攝影機(jī)本質(zhì)上是一種不帶深度信息的2D技術(shù),它必須使用“點(diǎn)云”(point cloud)以及更深度的計(jì)算,才能逐一地偵測(cè)對(duì)象的漂移。


  相比之下,超音波ToF傳感器是3D感測(cè)的理想選擇,因?yàn)樵摷夹g(shù)的三角測(cè)量數(shù)據(jù)更簡(jiǎn)單。Kiang解釋,“更簡(jiǎn)單的計(jì)算意味著更低功耗!


  使用紅外線技術(shù)是3D感測(cè)的另一項(xiàng)選擇。不過(guò),Kiang強(qiáng)調(diào),在戶外使用時(shí),經(jīng)由紅外線取得的數(shù)據(jù)往往無(wú)法使用。她說(shuō):“超音波傳感器則是一種穩(wěn)定的低功耗技術(shù),用戶可以戴著VR/AR系統(tǒng)走向戶外,甚至漫步于陽(yáng)光下!


  藉由將Chirp的超音波ToF傳感器設(shè)計(jì)于VR/AR系統(tǒng)中, Kiang總結(jié)道:“我們希望低階VR/AR系統(tǒng)也能為用戶帶來(lái)更好的互動(dòng)體驗(yàn),而高階VR/AR系統(tǒng)則能擺脫限制,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)行動(dòng)化!


  拓展智能手機(jī)與車用領(lǐng)域?


  目前,紅外線技術(shù)在智能手機(jī)中作為近接傳感器,用于防止用戶在接聽(tīng)電話時(shí)臉部誤觸屏幕。


  Kiang表示,一些智能手機(jī)供應(yīng)商開(kāi)始尋求以超音波技術(shù)取代紅外線技術(shù)。一開(kāi)始的吸引力主要來(lái)自美學(xué)設(shè)計(jì)原因——為了去掉智能手機(jī)正面嵌入紅外線傳感器的小孔。而今,有了超音波ToF傳感器,智能手機(jī)設(shè)計(jì)人員可以為手機(jī)增添其它功能,例如自拍時(shí)的自動(dòng)對(duì)焦,或提供簡(jiǎn)單的手勢(shì)控制等。


  長(zhǎng)期來(lái)看,Chirp的超音波ToF傳感器能夠用于取代輔助車輛倒車用的大型超音波傳感器。Chirp的傳感器還可作為車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的新UI。不過(guò)這樣的汽車應(yīng)用還需要更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期,Kiang解釋,這項(xiàng)應(yīng)用在Chirp現(xiàn)有的規(guī)劃中優(yōu)先級(jí)略低。


  Chirp的MEMS傳感器以及配套ASIC已經(jīng)出樣了,預(yù)計(jì)將在今年底實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。Kiang表示,Chirp的一些客戶正計(jì)劃于2017年底推出整合Chirp芯片的終端產(chǎn)品,而其它客戶可能要到2018年才推出新產(chǎn)品。


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