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基于毫米波雷達(dá)的手勢識別原理

2022-03-02 22:57:19·  來源：微波仿真論壇  
　
1 Introduction/簡介本文以TI的Gesture UserGuide為參考，簡述基于毫米波雷達(dá)的手勢識別原理，手勢識別目前在汽車、家電等方面有較高的應(yīng)用場景。性能要求可識別

1 Introduction/簡介

本文以TI的Gesture UserGuide為參考，簡述基于毫米波雷達(dá)的手勢識別原理，手勢識別目前在汽車、家電等方面有較高的應(yīng)用場景。
性能要求
可識別如下6種手勢：左劃、右劃、向上、向下、順時針、逆時針。

2 FMCW Radar 原理

1. Chirp and frame
FMCW雷達(dá)發(fā)射的一組Chirp，稱為一個“frame”。
2. 2D-FFT Grid
對每個天線接收到的數(shù)據(jù)做2D-FFT，將得到包含距離維和多普勒維的二維網(wǎng)格。網(wǎng)格中的峰值表示在距離下存在目標(biāo)。
3. Angle-FFT
通過處理來自多個RX天線的網(wǎng)格中的相應(yīng)峰值（“角度FFT”），以獲得目標(biāo)的到達(dá)角度。

3 手勢識別處理流程

算法流程
1. 2D-FFT
對每個接收通道的ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行處理2D-FFT操作，得到包含距離維和多普勒維的2D-FFT matrix。
2. Noncoherent accumulation/非相干累加
對多個接收通道的2D-FFT matrix進(jìn)行非相干累加，得到Range-Doppler Heat map。
3. Feature Extraction/特征提取
在Heat map中提取多個特征，每個特征生成時間序列。
4. Feature processing/特征處理
對特定時間窗內(nèi)提取的特征，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分類，輸出對應(yīng)的手勢類別。
技術(shù)難點
1. 確認(rèn)目標(biāo)位置
包括：目標(biāo)的角度和位置。
2. 雷達(dá)應(yīng)具有較高的距離分辨率及角度分辨率
在Heat map上盡量為點目標(biāo)。下圖中，由于距離、角度分辨率較低，目標(biāo)進(jìn)行了發(fā)散，傳統(tǒng)的峰值檢測技術(shù)將不再試用。
3. Range-Doppler Heat map中提取特定特征
可以將特征視為從熱圖提取的單個數(shù)值，其值可反映特定參數(shù)的加權(quán)平均值；如：平均多普勒，平均距離，多普勒擴(kuò)展等。其中，雷達(dá)的每一幀數(shù)據(jù)為每個特征生成一個值，通過幀序列得到每個特征的時間序列。
4. 識別和分類
對于手勢識別，在提取了多個特征后，生成特征的時間序列，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法識別和分類各種手勢。
特征提取
1. Weighted Doppler / 加權(quán)多普勒
對于每一幀數(shù)據(jù)的 Heat map，計算手的速度權(quán)重。


其中， 為所有的距離數(shù)據(jù)索引，為Range Doppler Image的值，為第個索引對應(yīng)的doppler value。
2. Instantaneous Energy / 瞬間能量
檢測手的存在


3. Weighted Range / 距離加權(quán)
檢測手的位置


其中， 為所有的距離數(shù)據(jù)索引， 為Range Doppler Image的值， 為第 個索引對應(yīng)的Range value。
4. Azimuth Angle \ 水平角度
檢測手的水平角度，區(qū)分左劃和右劃手勢。
5. Elevation Angle / 俯仰角度
檢測手的俯仰角度，區(qū)分上劃和下劃手勢。
6. Doppler-Azimuth Correlation / 多普勒-方位角相關(guān)性
統(tǒng)計特征：水平角度隨速度變化，區(qū)分逆時針和順時針手勢。
特征分類
利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)手勢的分類。
處理流程

4 手勢識別及分析

1. 左劃 / 右劃
當(dāng)手從左向右劃動及從右向左劃動時， Azimuth Angle 及 Doppler-Azimuth Correlation 均有明顯的變化。
2. 上劃 / 下劃
當(dāng)手從上向下劃動及從下向上劃動時， Elevation Angle 變化趨勢明顯相反。
3. 順時針 / 逆時針
當(dāng)手順時針或逆時針轉(zhuǎn)動時，Doppler-Azimuth Correlation分別為正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。
 
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