本文關(guān)鍵詞：基于二維MEMS超聲相控陣的手勢識別關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：針對大多數(shù)可穿戴手勢識別設備使用不便以及激光、攝像頭等容易受到光照影響識別方法的局限性,本文研究了一種利用二維MEMS超聲陣列進行手勢識別的方法,該方法不僅不受光照的影響,也避免了穿戴復雜的穿戴設備�；趩蝹�活塞式陣元的聲場特性建立了二維平面超聲相控陣的聲場模型。分析了陣元大小、陣元間距、陣元個數(shù)對聲場特性影響,確定了二維面陣的發(fā)射和接收陣列的陣元大小、陣元間距、陣元個數(shù)等參數(shù);利用交錯排布發(fā)射和接收陣列的雙向輻射效應優(yōu)化了陣元間距,抑制了陣列柵瓣,改善了陣列掃描范圍。發(fā)射和接收陣列的陣元半徑分別為2mm和0.32mm;陣元個數(shù)分別為2×4和15×15;結(jié)合實際陣元大小,x方向的陣元間距分別為11.25mm和7.50mm;y方向的陣元間距分別為15.70mm和7.85mm;接收陣列無柵瓣仰角范圍為-34°~34°。針對信息論準則不能正確估計相干信源個數(shù)的問題,利用空間平滑算法對相干信號的協(xié)方差矩陣進行空間平滑,再結(jié)合信息論準則對平滑后協(xié)方差矩陣的特征根等參數(shù)進行計算,利用最小準則值進行信源數(shù)估計。比較了不同準則在不同信噪比時的誤差,對于本文設計陣列,采用Hannan-Quinn(HQ)準則的估計性能更好。同時還比較了不同陣元間距安裝誤差對HQ準則估計誤差的影響,結(jié)果表明容許的安裝誤差為-1mm~1mm時,對信源數(shù)估計影響較小,信源數(shù)估計誤差約為1,而無陣元間距安裝誤差時的估計誤差約為0.1。采用Unitary-ESPRIT算法進行手勢采樣點的方向角估計,并結(jié)合空間平滑方法對二維面陣的Unitary-ESPRIT算法進行改進,利用空間平滑后的接收信號協(xié)方差矩陣代替接收信號矩陣,解決了Unitary-ESPRIT算法不能處理相干源的問題。對改進后算法在不同陣元間距安裝誤差時的估計效果進行了分析,結(jié)果表明在容許的安裝誤差為-1mm~1mm時,對方向角估計影響較小,誤差約為1.6°,無陣元安裝誤差時的誤差約為0.2°。對改進前的Unitary-ESPRIT算法和改進后算法進行估計性能對比分析,結(jié)果表明改進后算法能很好地識別相干源。將改進后算法與MUISC算法在仰角和方位角分辨率、誤差、算法耗時等方面進行性能仿真對比分析,在CPU為Pentium Dual-Core E6300、內(nèi)存為2G的計算機上仿真表明改進后算法性能高于MUSIC算法,其仰角和方位角分辨率分別可達1°和4°左右,響應時間在0.6s左右,最大可估計仰角范圍為-33°~33°。設計了一種利用信源估計區(qū)分度和微元思想進行手勢采樣點分割,并構(gòu)造原始手勢仿真信號的采樣點估計方法,利用估計得到的采樣點方向角,將其投影到以陣列中心為原點的坐標平面上,實現(xiàn)手勢采樣點估計。對不同陣元數(shù)目與陣元間距的陣列性能、不同信源個數(shù)和不同陣列結(jié)構(gòu)下算法所耗時間、不同陣列不同手勢的采樣點估計效果以及手勢離陣列垂直距離不同時的采樣點估計效果分別進行對比分析,總結(jié)出不同陣列結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)缺點和適用場合。
【關(guān)鍵詞】：MEMS 麥克風 二維超聲相控陣 聲場特性仿真 手勢識別Unitary-ESPRIT算法
【學位授予單位】：西南科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-19
• 1.1 研究背景與研究意義10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-15
• 1.2.1 手勢識別國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.2 超聲相控陣國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.3 DOA估計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 論文組織結(jié)構(gòu)15-19
• 1.3.1 本文符號說明15
• 1.3.2 研究思路15-17
• 1.3.3 論文結(jié)構(gòu)17-19
• 2 二維超聲相控陣陣列設計19-40
• 2.1 單個超聲波傳感器聲場特性19-22
• 2.2 二維超聲相控陣列接收信號時控基本原理22-28
• 2.2.1 一維均勻等距線陣接收信號的延時疊加23-25
• 2.2.2 二維平面陣列接收信號的延時疊加25-28
• 2.3 二維超聲相控陣列聲場特性研究28-30
• 2.4 二維平面陣列設計30-39
• 2.4.1 接收和發(fā)射陣元頻率和大小選擇31-32
• 2.4.2 接收陣元間距的選擇32-34
• 2.4.3 接收和發(fā)射陣元數(shù)量的選擇34-35
• 2.4.4 發(fā)射陣列陣元間距的選擇和優(yōu)化35-38
• 2.4.5 二維稀疏超聲相控陣陣列分布38-39
• 2.5 本章小結(jié)39-40
• 3 陣列信號預處理及信源數(shù)估計40-54
• 3.1 基于Hilbert變換的陣列信號預處理40-43
• 3.2 基于信息論準則的信源數(shù)估計43-48
• 3.2.1 空間平滑算法基本原理43-47
• 3.2.2 基于信息論方法的信源數(shù)估計47-48
• 3.3 信息論準則算法仿真分析48-53
• 3.3.1 各信息論準則仿真對比分析48-50
• 3.3.2 考慮陣元間距安裝誤差時的HQ準則估計效果分析50-51
• 3.3.3 不同信源時HQ準則估計效果分析51-53
• 3.4 本章小結(jié)53-54
• 4 基于改進Unitary-ESPRIT算法的方向角估計54-67
• 4.1 基于二維面陣的Unitary-ESPRIT算法原理54-59
• 4.2 二維Unitary-ESPRIT算法仿真分析59-66
• 4.2.1 考慮隨機陣元間距安裝誤差時的估計效果分析59-61
• 4.2.2 陣列的模糊角仿真分析61-62
• 4.2.3 改進前后算法估計結(jié)果對比分析62-63
• 4.2.4 改進后算法和MUISC算法分辨率仿真對比分析63-64
• 4.2.5 改進后算法和MUISC算法消耗時間對比分析64-65
• 4.2.6 改進后算法和MUSIC算法誤差對比分析65-66
• 4.3 本章小結(jié)66-67
• 5 基于方向角的手勢采樣點估計67-83
• 5.1 手勢采樣點的劃分67-70
• 5.2 手勢采樣點估計原理70-74
• 5.3 手勢采樣點估計仿真效果對比分析74-82
• 5.3.1 不同陣列的算法性能對比分析74-77
• 5.3.2 不同陣元個數(shù)采樣點估計效果對比分析77-78
• 5.3.3 不同陣元間距手勢采樣點估計效果對比分析78-79
• 5.3.4 手勢采樣點可估計范圍對比分析79-81
• 5.3.5 手勢采樣點估計耗時對比分析81-82
• 5.4 本章小結(jié)82-83
• 結(jié)論83-85
• 致謝85-86
• 參考文獻86-89
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及研究結(jié)果89

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中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;新型手勢識別技術(shù)可隔著口袋操作手機[J];電腦編程技巧與維護;2014年07期

2 任海兵,祝遠新,徐光，

本文編號：763697