先进雷达与传感器飞入寻常百姓家
2017-04-08 08:38:20 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
虽然CMOS图像传感器和红外传感器在智能手机中已经得到广泛使用，但现在的问题是手机与物联网设备中是否还有容纳雷达和超声波传感器的空间。如果有，这些传感器将扮演什么样的角色？
虽然CMOS图像传感器和红外传感器在智能手机中已经得到广泛使用，但现在的问题是手机与物联网设备中是否还有容纳雷达和超声波传感器的空间。如果有，这些传感器将扮演什么样的角色？
今年二月在巴塞罗那举行的世界移动通信大会（MWC）上展示了新一代的传感器和传感器融合技术，反映各家技术公司正激烈地竞相创造触控以外的全新人机接口（HMI）。
市场上并不存在“一体适用”的传感器技术，但传感器供应商追求的产品领域格外类似：智能扬声器和物联网设备（包括智能手表/智能手机、AR/VR头戴式显示器）。他们希望实现的新人机接口形式是无需手动触控的微手势（micro gesture）和存在检测（presence detection）。
最近在传感器领域中的一项突破是出现了非常微型的超声波传感器和雷达芯片。这些产品的成本相较于红外传感器等产品来说仍然是个大问题。但这种微型雷达和超声波传感器如今已经小到足以安装于消费电子设备中，因而能以全新方式实现使用者与智能设备的互动。
例如，英飞凌科技（Infineon Technologies）在MWC宣布与XMOS的合作伙伴关系。这家德国芯片公司承诺，结合英飞凌的雷达、MEMS麦克风以及XMOS的音频处理器，将实现“远场语音获取”，并且利用雷达的波束成型技术实现存在检测。
美国加州伯克利新创企业Chirp Microsystems执行长也来到巴塞罗那展示该公司开发的单芯片超声波飞行时间（ToF）传感器，除了智能手机以外，这种传感器还可以用于增强现实/虚拟现实（AR/VR）和可穿戴设备，以及甚至是汽车应用。
挪威奥斯陆Elliptic Labs展示用于智能扬声器（例如Google Home、Amazon Echo）和其它家用设备的超声波存在检测技术。Elliptic Labs产品开发副总裁Guenael Strutt指出，“存在检测现在可是家庭智能助理产品设计者的神圣目标”。为了取代CMOS相机或红外技术，“智能扬声器设计者正在寻找替代性传感器技术，让他们的设备知道『没人在家』”，他解释道。
虽然上述的三家公司都在探索类似的产品领域，但每一家的技术定位稍有不同。
语音获取
英飞凌电源管理与多重市场事业部总裁Andreas Urschitz在MWC嘈杂的展场中找到了一个完美的场地展示目前iPhone智能手机严重缺少的功能：将Siri必须听到特定人物语音分离出来的能力。
每当Urschitz在吵闹的展位上问iPhone“现在几点了？”Siri总是回答，“我不知道你在说什么。”
我们都知道，智能麦克风透过波束成型技术将众多麦克风连结在一起。这应该是复杂的三角函数发挥作用之处，让各个麦克风连结成具有高度指向性的波束，从而可以对准当前的发话者。
现在，英飞凌表示，该公司的雷达和XMOS的波束成型器组合可望进一步扩展，让麦克风得以“精确地导向特定物件，即使在物件移动以及存在杂讯的场合。”
Urschitz表示，“系统可以在30英尺开外分辨出你的语音。”如图1所示，展示系统中包括XMOS音频处理器作为传感器中枢控制器、英飞凌的MEMS麦克风（4颗麦克风）形成波束，附带天线的英飞凌60GHz 2Tx/4Rx雷达芯片以及有助于克服这些障碍的70dB软件定义无线电（SNR）麦克风。
英飞凌的雷达和MEMS麦克风融合，加上XMOS的音频处理器，可为语音识别提供新的建构模组
那么，增加这种雷达/麦克风/传感器融合处理器配置需要多少成本？Urschitz没有透露任何信息，但他解释，“每一种革命性的技术（就像蓝牙和Wi-Fi）都会经历相同的过程。”他相信很快就会发展到整合成本较合理的“转捩点”。
认识微手势
采用英飞凌/XMOS雷达/麦克风解决方案的首款产品最可能是家庭中的智能扬声器。然而，语音获取并不是英飞凌推广其雷达芯片的唯一应用领域。透过与Google在Project Soli的合作，英飞凌期望能为雷达芯片带来更广泛的应用前景，范围从可穿戴设备到智能扬声器以及AR/VR。
Google的Project Soli是专为以雷达实现新型免触控互动体验而设计的。
正如Google的先进技术与专项（ATAP）团队所解释的，Soli传感器技术“是以宽波束发射电磁波的方式运作。”
在此波束照射范围内的物体散射能量的同时，会将一部份的能量反射回雷达天线。这种反射信号的属性，如同能量、时间延迟和频率相移等，能够获取有关该物体特征和动态的丰富信息，包括尺寸、形状、方向、材料、距离和速度等。
Urschitz表示：“只需零点几秒的时间，雷达就能扫描你的脸部和整个身体，包括大小、位置、速度和角度。”在他看来，相较于光学、超声波和红外等各种传感器，该公司的雷达芯片能轻松地打败竞争对手，因为他们的雷达芯片具有即时扫描功能，而无任何延迟。这种雷达技术“超级可靠”，他指出，还可以提供“比超声波更高的解析度”。
想像一个使用者在房间中走动（离智能扬声器约几英尺），如果想降低音量，只需用手指旋转看不见的旋钮即可。这种雷达系统可以识别微小的手指动作，Urschitz解释道。
英飞凌电源管理与多重市场事业总裁Andreas Urschitz展示如何以雷达芯片检测手指做出降低音量的微手势
想像雷达芯片可以复制光学传感器的能力——检测移动和捕捉手势，还能检测像手指动作这一类的微手势。同样的，超声波技术也在争夺微手势控制市场。
新创公司Chirp在MWC推出了“首款可用于可穿戴设备的高精确度、超低功耗超声波检测开发平台”。该公司声称其MEMS ToF传感器能以1mm的精确度检测“微小”的微手势。
Chirp执行长Michelle Kiang解释，这种微手势控制技术的最直接应用之一是穿可戴设备，例如具有小屏幕的智能手表，或没有屏幕的智能手环。只要在智能手表中嵌入基于MEMS的超声波传感器，用户就可以用手指（无论手指粗细）作出手势控制手表的功能，而不必接触屏幕。
不限于手势
与此同时，专业超声波检测公司Elliptic Labs其实并不热衷于必须先设定动作而触发的手势控制。“我们十分了解手势，” Elliptic副总裁Strutt指出，“手势控制并不会全面开花。”
众所周知，Elliptic Labs开发的超声波检测软件专用于执行高通（Qualcomm）的Hexagon、联发科（MediaTek）和Cirrus Logic的DSP等已经广泛整合于智能手机中的硬件。去年秋天，小米的MIX手机成为首款使用Elliptic超声波近接软件的智能手机，有效地取代了通常配置在智能手机顶端的红外接近传感器，Strutt解释道。
当用户将手靠近采用Elliptic Labs超声波存在检测技术的智能手机屏幕时，屏幕就会弹出相关的通知消息
但Elliptic Labs的目标并不在于推出更高精准度的手势控制。该公司专注于使用超声波检测动作以及用户与智能手机之间的距离。当用户将手机拿起来贴近脸部时，它会自动关闭屏幕，暂停触控功能，从而有效避免用户的耳朵或脸颊无意中触动拨号功能。当使用者将手靠近屏幕时，屏幕则会弹出相关的通知。
Elliptic Labs坚信这种更简单、基于近接感测算法的传感技术更易于理解。此外，重复利用智能手机中已经存在的硬件执行超声波检测软件的能力，使得系统设计人员得以释放出更多的空间，同时节省增加红外传感器的成本，Strutt表示。
Strutt指出，目前的手势控制技术面对的最大问题是不够自然。他解释：“在大多数时候，用户更自然的做法是靠近家庭设备（如智能扬声器），然后伸出手去旋转旋钮来关闭音量。”
Kiang还讨论了用超声波替代智能手机中红外传感器的可能性。但考虑到红外近接传感器已经非常便宜了，Kiang认为，对于想再增加其它功能的系统设计人员来说，超声波ToF传感器会是最佳选择，有助于实现自拍时的自动对焦功能，或为智能手机提供简单的手势等功能。
VR/AR
Chirp认为，该公司的ToF传感器第一个也是最合适的是虚拟现实和增强现实应用。目前，该公司并已向重要客户推出“用于AR/VR的超声波传感开发平台。”
Chirp执行长Michelle Kiang展示嵌入Chirp MEMS超声波传感器的VR头戴式显示器
今天的高端AR/VR系统都要连接基地台或局限在规定的范围内使用，这是因为新增的传感器技术，比如基于相机的系统或磁传感器系统，需要安装在这个范围内，以便于利用AR/VR头戴式单元中的惯性测量单元（IMU）校正“漂移”，从而创造更好的追踪体验。
Kiang展示这种微型化MEMS超声波传感器现在更易于嵌入AR/VR头戴式单元，从而为使用者带来360度的沉浸式体验，因为追踪系统可以做到与使用者同步移动。
低端AR/VR系统缺少更好的互动体验是一个明显的问题；但高端的AR/VR系统则无法实现移动性，因为它还得先连接到另外一个传感器系统，她解释说。
存在检测
Elliptic Labs打算将其超声波技术扩展到智能家庭装置上，以实现存在检测应用。对于像Amazon Echo或Google Home这一类的设备来说，检测有没有物体发生移动很重要，因为如果它们知道附近周围没有人，这些电器设备就能自动断电，达到节电的目的。
相较于基于相机的技术或红外技术，这种超声波检测技术可以实现“360度俯视图”，无需直接视线就能运作。这种技术既能在白天或黑夜中工作，并且较其它检测技术的成本和功耗都更低，Elliptic Labs表示。
Ellipc Labs展示说明其最新超声波存在检测技术不需要直接视线条件就能运作
Strutt指出，“使用者最希望能跟智能家电设备这么说：‘嘿，附近没有人的时候请关灯’。”
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