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- 超音波傳感器顛覆人機(jī)互動(dòng)
- 來源：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)以及語音(Amazon Alexa)等互動(dòng)方式已經(jīng)過時(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)備開發(fā)的高精確、低功耗超音波感測(cè)開發(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)�？嘤谄洹笆种柑帧薄iang說，只要在智能手表中嵌入MEMS超音波ToF傳感器，無論用戶的手指粗細(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明范例。目前的腕帶基本上并沒有空間配備屏幕，無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，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)往往無法使用。她說：“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)商開始尋求以超音波技術(shù)取代紅外線技術(shù)。一開始的吸引力主要來自美學(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系統(tǒng)的新UI。不過這樣的汽車應(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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