Interfața om-mașină (HMI) este un element esențial în aproape orice sistem electronic la care vă puteți gândi, permițând operatorului să interacționeze cu sistemul pentru a putea executa diferite funcții sau pentru a accesa anumite informații prin intermediul acestuia. În acest articol, vom analiza modul în care succesul incontestabil al tehnologiei cu ecran tactil inspiră acum dezvoltarea de noi echipamente HMI promițătoare, pentru a da noi dimensiuni experienței utilizatorului.
În principiu, conceptul de bază al HMI nu este unul nou – modele rudimentare discutabile ale acesteia au fost folosite încă din timpul revoluției industriale din secolul al XIX-lea. Dispozitivul pentru țesături al lui Jacquard și Sistemul de calcul diferențial a lui Babbage sunt exemple din acea epocă în care funcțiile de control au fost aplicate mașinilor prin introducerea de către utilizator a unei anumite descrieri. Odată cu intrarea în epoca de calcul, tastaturile mecanice au devenit calea prin care comenzile puteau fi inițiate, iar programele puse în acțiune. Vremurile moderne au cunoscut apariția tehnologiei de afișare bazată pe atingere (în special tehnologiile capacitive), iar acest lucru a adus HMI-uri mai avansate și intuitive. Ecranele tactile încorporate în playerele MP3, la începutul noului mileniu, s-au dovedit a fi un factor cheie în asigurarea popularității răspândite a acestor dispozitive. Ulterior, când au început să apară primele tablete și telefoane mobile inteligente, ecranele tactile au fost preluate și pentru acestea. În scurt timp, au devenit mecanismul obligatoriu prin care interacționăm cu bunurile electronice de consum. Au urmat în scurt timp dispozitivele de control industriale, înlocuindu-se comutatoarele și cadranele greoaie cu alternative elegante și mult mai fiabile. Astăzi există tendințe pentru a duce tehnologia HMI și mai departe.
Deși HMI-urile tactile au multe calități atrăgătoare, există totuși motive pentru care utilizarea lor nu ar putea fi întotdeauna recomandată. În anumite circumstanțe, contactul fizic poate fi problematic. Acest lucru ar cauza potențiale răspândirii ale germenilor în medii clinice sau chiar în locuri publice – unde mai multe persoane pot utiliza terminale de informații de-a lungul unei zile, fără posibilitatea ca suprafața ecranului tactil să fie curățată. De asemenea, în situațiile în care atenția utilizatorului trebuie să rămână fixată pe ceva important (cum ar fi, de exemplu, conducerea unui autovehicul sau operarea utilajelor de mare tonaj), utilizarea unui HMI cu ecran tactil pentru o anumită funcție secundară poate însemna prea multă distragere a atenției de la sarcină. În consecință, există un interes din ce în ce mai mare în explorarea alternativelor fără contact.
Deși controlul vocal devine din ce în ce mai popular în casele oamenilor (datorită răspândirii pe scară largă a asistenților digitali), oferind o modalitate de efectuare a unor instrucțiuni simple, nu este întotdeauna complet aplicabil. Acest lucru este valabil mai ales în utilizarea publică în aer liber sau în zonele industriale și auto, unde este probabil să existe un zgomot de fond substanțial. Comenzile incorecte și, ulterior, rectificarea acestora, ar putea semnifica prea mult timp pierdut pentru a executa acțiunile și ar duce la disconfortul utilizatorului. De asemenea, ar putea fi luată în considerare confidențialitatea consumatorului. Deci, deși controlul vocal este potrivit în anumite scenarii, trebuie luate în considerare alte metode.
RFD77402 de la RF Digital.
Progresul ToF
O opțiune care câștigă mult teren este tehnologia ToF (Time of Flight). Aceasta oferă un mijloc simplu de control al sistemelor electronice fără ca persoana implicată să fie nevoită să-și abată atenția, datorită utilizării doar a mișcărilor mâinii. În termeni simpli, sunt emise impulsuri infraroșii (IR), iar atunci când lovesc un obiect, acestea se reflectă înapoi pentru a fi citite de un anumit tip de matrice de detectare. Măsurând întârzierea de timp între impulsurile trimise și cele recepționate, în mod secvențial, este posibil să se calculeze cu exactitate distanța față de obiect. În plus, există posibilitatea de detecție a mișcării obiectului – și de aici se pot determina diferite gesturi.
RFD77402 de la RF Digital are capacitatea de a gestiona recunoașterea rapidă și precisă a gesturilor – cu o rată de reîmprospătare de 10Hz și o precizie de ±10%. Furnizat într-o capsulă compactă de 4.8 mm × 2.8 mm × 1.0 mm, acest modul de senzor 3D ToF cuprinde un emițător VCSEL de 850 nm cu câmp de iluminare (FoI) de 29°, împreună cu circuitul de distribuție și amplificare de putere, un microcontroler (MCU) și o memorie integrată, la care se adaugă un foto-detector de câmp de vizualizare (FoV) de 55° și o optică adecvată. Datele despre gesturile capturate sunt transferate către sistemul adiacent prin intrările/ieșirile I2C. Modulul de cameră foto 3D DepthEye ToF de la Seeed Studio include un senzor OPT8320 cu o rezoluție de 80×60 pixeli în format de 1/6 inch, de la Texas Instruments, cu o frecvență a cadrelor de 1000 fps. Această unitate simplificată de 60 mm × 17 mm × 12 mm se poate conecta la un laptop/tabletă prin interfață USB pentru a oferi capabilități de recunoaștere a gesturilor. Aceasta are suport pentru sistemul de operare (OS), pornind de la modelul Windows 7.
Aparatul de fotografiat DepthEye ToF de la Seeed Studio.
Bazat pe tehnologia brevetată FlightSense™ a companiei, VL6180 de la STMicroelectronics este conceput pentru a permite recunoașterea gesturilor pe telefoane inteligente, tablete și aparate casnice. Acest modul optic trei în unu (care are dimensiuni de 4.8 mm × 2.8 mm × 1.0 mm) dispune de un emițător VCSEL de 850nm și un senzor de proximitate, împreună cu un senzor de lumină ambientală cu ieșire pe 16 biți (pentru a atenua interferențele cauzate de iluminarea de fundal). Concentrându-se în principal pe implementarea HMI-urilor în proiectele de automobile (deși se aplică și automatizărilor industriale), senzorul de imagine MLX75x23, cu rezoluție de 320×240 pixeli, de la Melexis și circuitul integrat MLX75123 prezintă inginerilor o soluție de sistem compatibil AEC-Q100 pentru HMI-uri bazate pe ToF care garantează că șoferii nu vor avea nevoie să-și ia ochii de la drum. Acest lucru înseamnă că se pot efectua apeluri telefonice sau se poate accesa sistemul de informații fără a pune în pericol ocupanții vehiculului sau alți participanți la trafic. Având în vedere mediul fără compromisuri unde se aplică, aceste componente operează într-un interval de temperatură de la -40°C la 105°C. În plus, un grad ridicat de rezistență optică înseamnă că pot fi gestionate cu ușurință schimbări extreme ale condițiilor de lumină ambientală (sistemul putând face față la lumini ambientale de până la 120 lx). Datorită circuitului integrat, regiunile de interes pot fi selectate sau pot fi declanșate semnale de răspuns.
Potențialul undelor milimetrice în HMI
De asemenea, potrivit pentru recunoașterea gesturilor fără contact, dar fără a se baza pe optoelectronică, senzorul de mișcare IWR1642 bazat pe unde milimetrice, de la Texas Instruments, are capacitatea de a capta date referitoare la rază, viteză și unghi. Prin aceasta, pot fi detectate gesturi ale mâinii (orientate vertical sau orizontal) și rotiri de degetelor. Folosind un interval de frecvență de la 76GHz la 81GHz, unitatea are un transmițător de 40 MHz și un receptor cu zgomot redus (-14dB). Un nucleu al procesorului ARM Cortex-R4F are grijă de configurația frontală și de calibrarea sistemului, în timp ce un DSP C674x de înaltă performanță este responsabil pentru toată sarcina de procesare a semnalului. Un PLL și ADC sunt, de asemenea, integrate în această soluție pe un singur cip. În plus, mai există și o resursă disponibilă de memorie de 1.75 MB. Principala atracție a utilizării tehnologiei undelor milimetrice este că acestea sunt transmise prin materiale, eliminând dependența față de un câmp vizual deschis. Acest lucru înseamnă că senzorul nu trebuie să fie expus mediului extern (și eventualelor accidente fizice ce pot să apară), ci poate fi în schimb amplasat în spatele unei incinte de protecție. Nivelul scăzut al consumului de energie necesar detectării de gesturi prin această metodă este, de asemenea, avantajos.
Controlerul MGC3140 de la Microchip pentru detectarea câmpului electric.
HMI-uri pe bază de câmp electric
Bazat pe propria tehnologie, GestIC, a companiei, circuitele integrate ale controlerului MGC3140 de la Microchip se bazează pe detecția de proximitate a câmpului electric cvasi-static – ceva care este încă la început, dar care prezintă un potențial mare. Controlerul poate detecta gesturi la distanțe de până la 10 cm depărtare față de suprafața HMI-ului. Un câmp electric este propagat de pe această suprafață, cu o tensiune continuă care oferă o rezistență constantă a câmpului, în timp ce o tensiune alternativă completează cu un câmp variabil sinusoidal. Prin intermediul acestei configurații, obiectele conductoare (precum părți ale corpului uman) care sunt prezente în raza de acțiune vor provoca variații ale câmpului. Natura mecanismului utilizat înseamnă că această formă de HMI nu este în niciun fel afectată de lumina ambientală sau sunet, ceea ce o face adecvată pentru utilizarea în console de jocuri, echipamente medicale, echipamente din industria auto și tot felul de aparate electrocasnice. MGC3140 are capacitatea de a suporta o rezoluție spațială de 150 dpi și de a înregistra poziții la o frecvență de până la 200Hz.
Alte perspective
În prezent, există o serie de potențiale manifestări ale dezvoltării de HMI-uri care sunt experimentate în diferite zone din industrie. În curs de dezvoltare sunt și soluțiile care utilizează proiecția cu ultrasunete. INNER MAGIC de la Elliptic Labs este capabil să detecteze gesturi de mână (pentru a controla difuzoare inteligente și altele asemenea) prin intermediul tehnologiei brevetate a companiei, de senzor fără atingere 180° FoV. Dispozitivul haptic prin aer (mid-air haptics) oferit de compania recent înființată Ultrahaptics (ce folosește tehnologia brevetată de Universitatea din Bristol), utilizează o rețea formată din 256 de elemente de traductoare cu ultrasunete (împreună cu un senzor de imagine de urmărire a mișcării) pentru a construi HMI-uri virtuale care, în ciuda lipsei prezenței lor fizice, oferă feedback tactil. Beneficiul acestei abordări este că se pot emula controalele manuale, convenționale (cum ar fi butoanele, manetele, tastele etc.) fără a mai fi nevoie de operații de curățare sau întreținere. Chirurgii și operatorii industriali ar putea beneficia în mod clar de acest lucru, dar există și oportunități în domeniul vânzărilor, al automatizărilor de locuințe, al semnalelor de avertizare digitale și al automobilelor.
Cu toate acestea, nu există nicio îndoială că tehnologia cu ecran tactil este încă importantă, iar valoarea acesteia în raport cu construcția HMI-urilor de generație următoare nu trebuie ignorată. Recent, inginerii din principalul institut de cercetare din Coreea, KAIST, au informat lumea despre progresele pe care le-au înregistrat în ceea ce privește detecția localizării undelor sonore pentru a genera tastaturi virtuale de pe telefoanele mobile inteligente standard. Acest lucru va permite pereților, meselor, oglinzilor și altor obiecte cotidiene să acționeze ca suprafețe tactile în folosul utilizatorului, care oferă o reacție mai rapidă decât soluțiile anterioare de HMI-uri de acest fel.
Este clar că acum există o mulțime de posibilități diferite de dezvoltare care vor permite HMI-urilor să depășească constrângerile ce caracterizează anumite aplicații și care vor oferi experiențe de utilizator mai bune. Cu ajutorul undelor infraroșii, cu ultrasunete, cu unde milimetrice și unde electrice, scopul implementării HMI-urilor este destinat să se extindă profund, completând tehnologiile tactile consacrate cu dezvoltări noi și interesante.
Author:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com